1.1. Ôtô dùng nguồn năng lượng là động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong trên ôtô phân chia theo loại nhiên liệu sử dụng, đó là động cơ xăng, động cơ diesel, động cơ dùng nhiên liệu tổng hợp, động cơ dùng khí ga thiên nhiên. Nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu cũng như giảm thiểu mức độ phát xạ các chất gây ô nhiễm môi trường là các mục tiêu của các nghiên cứu cải tiến hoàn thiện quá trình làm việc cũng như các kết cấu mới của các nhà chế tạo, các viện nghiên cứu ôtô đối với các loại động cơ này. Các thành tựu khoa học trong lĩnh vực điện tử và công nghệ vật liệu cũng như các qui định bắt buộc đã trở thành luật (đối với tiêu thụ nhiên liệu và phát xạ chất độc hại ra môi trường của động cơ đốt trong trên ôtô) của chính phủ một số nước có nền công nghiệp lớn như Mỹ, Đức, Anh, Pháp, Nhật là tiền đề cho việc nghiên cứu cũng như phát triển, ứng dụng nhanh chóng các tiến bộ kỹ thuật vào công nghiệp chế tạo ôtô của các nước trên thế giới.
1.1.1 Động cơ xăng
Kể từ thập niên 90 của thế kỷ trước, hệ thống định lương nhiên liệu cấp cho xi lanh điều khiển kiểu điện tử (EFI) đã trở thành hệ thống thay thế cho hệ thống cấp nhiên liệu dùng carbuaretor trong hệ cung cấp nhiên liệu cho động cơ.
Trong hệ thống định lượng cấp nhiên liệu kiểu điện tử, thực hiện chu trình điều khiển theo vòng kín với phần tử hồi tiếp là cảm biến oxygen, lắp thêm bộ xử lý khí xả 3 thành phần, nên lượng chất độc hại phát xạ từ động cơ xăng giảm đi đáng kể. Đặc biệt, ở chế độ khởi động lạnh, khi lắp thêm bộ sấy nóng vào cảm biến oxygen và thực hiện quá trình cháy nghèo thì sự phát xạ các chất độc hại của động cơ ở chế độ làm việc đặc biệt xấu này đã giảm đi rõ rệt. Với các công nghệ ử lý khí xả tiên tiến, từ năm 2000, hàng loạt ôtô đạt được mức phát xạ thấp chỉ bằng 13% theo tiêu chuẩn của năm 1990
1.1.2. Động cơ diesel
Hệ thống nhiên liệu điều khiển điện tử Common-rail do hãng Bosch chế tạo lần đầu tiên (năm 1997) sử dụng trên động cơ diesel (xe ôtô Alfa Romeo và Mercedes-Benz) đã nhanh chóng được khẳng định là hệ định lượng cấp nhiên liệu tiên tiến nhất cho động cơ diesel. Các đặc điểm cơ bản của hệ thống này có thể kể ra như: định lượng nhiên liệu phù hợp với áp suất khí nạp trong xi lanh ở các chế độ làm việc của động cơ, điều khiển sự làm việc của vòi phun bằng tín hiệu điện cao áp (150 vol), áp suất làm việc của vòi phun cao (tới 180 Mpa). Phát xạ khí thải giảm 20%, công suất động cơ tăng 5%, tiêu hao nhiên liệu giảm 5% so với hệ thống cấp nhiên liệu điện tử dùng bơm VE.
Các nỗ lực không ngừng trong cải tiến các hệ thống của động cơ cũng như nâng cao phẩm chất của nhiên liệu sẽ cho động cơ diesel một chỗ đứng trong danh sách các nguồn năng lượng của ôtô thế kỷ XXI.
1.1.3 Động cơ dùng nhiên liệu tổng hợp
Nhiên liệu tổng hợp không có hợp chất sulfur như dầu diesel tổng hợp được sản xuất từ khí than bằng công nghệ hoá lỏng Fischer-Tropsch. Quá trình tổng hợp này tạo được nhiên liệu GTL (gas-to-liquid) sử dụng cho động cơ diesel hiện dùng cho hệ thống xe bus của California. Công ty Mossgas của South Africa và Shell của Indonesia đã có kế hoạch tổng hợp nhiên liệu GTL cho động cơ diesel dùng trên các xe tải hạng nặng. Nhiên liệu GTL này đã tỏ ra sử dụng tốt trên động cơ, hình 1 trình bày so sánh mức độ giảm (tính bằng %) các thành phần độc hại trong khí xả của nhiên liệu tổng hợp GTL so với nhiên liệu dầu diesel truyền thống [7]. Loại nhiên liệu tổng hợp Dimethyl ether (DME) cũng làm giảm bồ hóng trong khí xả do trong mạch vòng của nhiên liệu này có chứa oxygen. Hai loại nhiên liệu này có thể dùng làm nhiên liệu thay thế cho dầu diesel và LPG (khí ga hoá lỏng) mà không phải thay đổi nhiều kết cấu các hệ thống của động cơ. Các nhiên liệu thay thế dầu diesel được tổng hợp không chỉ từ than, khí thiên nhiên mà còn có thể tổng hợp từ nhựa phế liệu, sinh khối và năng lượng mặt trời.
Sản lượng dầu diesel tổng hợp trong các năm gần đây tăng đáng kể cho ta tin vào triển vọng tốt đẹp của nguồn năng lượng này trong tương lai. (xem hình 1 và 2)
1.1.4 Động cơ dùng nhiên liệu khí ga thiên nhiên
Nhờ lượng dự trữ phong phú và lượng chất phát xạ ít nên khí ga thiên nhiên thích hợp là nhiên liệu thay thế của tương lai. Lượng CO2 phát xạ trong một đơn vị nhiệt ít hơn khoảng 20% so với nhiên liệu xăng và diesel. Do ga thiên nhiên có chỉ số ốc tan cao tới 115 nên nhiên liệu này thường được sử dụng trong động cơ châm lửa cưỡng bức.
Trong năm 2000, Công ty ga Nhật bản đã nghiên cứu phát triển động cơ phun khí ga trực tiếp. Viện nghiên cứu Ceramic của hãng Isuzu đã thực hiện thành công động cơ tự châm lửa của khí ga tự nhiên nhờ bố trí các tấm chắn nhiệt trong buồng cháy bằng vật liệu gốm. Các động cơ này đã có hiệu suất nhiệt đạt tới 39%. Các thế hệ động cơ tiếp sau đó đạt được hiệu suất nhiệt tới 47% nhờ đặt tuốc bin tăng áp bằng năng lượng khí thải. Kết cấu của tuốc bin cũng có các tấm chắn nhiệt bằng kim loại gốm.
1.2. Ôtô sử dụng nguồn năng lượng lai (HEV)
Nguồn năng lượng sử dụng trên ôtô này là một động cơ điện và một động cơ đốt trong. Động cơ điện được cung cấp năng lượng từ bình ắc qui, được nạp điện từ máy phát và được dẫn động từ trục khuỷ của động cơ đốt trong. Theo cách bố trí, đường truyền dẫn năng lượng HEV được phân chia thành các loại nối tiếp, song song và kết hợp nối tiếp / song song.
HEV kiểu nối tiếp có sơ đồ như trên hình 3. Động cơ đốt trong dẫn động máy phát để phát điện nạp cho bình ắc qui. Từ ắc qui, năng lượng điện được cấp cho động cơ điện, rồi qua hệ truyền lực cơ khí để làm quay các bánh xe chủ động của ôtô. Ưu điểm của sơ đồ này là động cơ không phải làm việc ở chế độ không tải, do đó giảm thiểu được các chất phát xạ có hại trong khí xả, động cơ luôn làm việc ở chế độ ổn định có hiệu suất cao, động cơ và các trục bánh xe không có liên kết cơ khí nên có thể dễ dàng bố trí động cơ và các cụm chi tiết khác của ôtô. Tuy nhiên, sơ đồ bố trí nối tiếp sẽ có hiệu suất không cao, mất mát năng lượng nhiều vì hệ thống truyền dẫn năng lượng phải qua nhiều môdun riêng rẽ: động cơ, máy phát, bình ắc qui và động cơ điện.
Hiệu suất sử dụng nhiên liệu của HEV kiểu nối tiếp cao hơn so với ở ôtô thông thường khi làm việc ở tốc độ thấp, tải nhỏ tuy nhiên hiệu suất của HEV lại nhỏ hơn so với động cơ thông thường khi làm việc với tải lớn vì khi đó năng lượng tổn thất qua hệ truyền lực lớn.
Vì lý do trên mà HEV kiểu nối tiếp chỉ chọn dùng cho các xe hoạt động trong điều kiện thành phố, ở đó xe chuyển động ở tốc độ thấp theo chu trình dừng - khởi hành. Trong tương lai, kiểu HEV nối tiếp sẽ được sử dụng rộng rãi trên các xe bus chạy trong thành phố.
Sơ đồ HEV mắc song song trình bày trên hình 3. Cả động cơ đốt trong và động cơ điện đều có liên hệ trực tiếp tới dẫn động bánh xe chủ động. Động cơ đốt trong là nguồn năng lượng cấp cho xe khi chuyển động ổn định với tốc độ cao. Động cơ điện sẽ bổ sung thêm năng lượng khi xe khởi hành, tăng tốc. Các ưu điểm chính của sơ đồ song song là nó luôn có hiệu suất sử dụng nhiên liệu tốt hơn so với ôtô thông thường trong mọi chế độ hoạt động. Động cơ đốt trong sử dụng trên ôtô HEV song song có công suất không cần lớn và luôn làm việc ở tốc độ ổn định cho hiệu suất cao và giảm lượng khí phát xạ có hại. Nếu bánh đà của động cơ được thay bằng động cơ điện công suất nhỏ như thiết kế của hãng Honda, các kết cấu trở nên đơn giản do không cần bố trí máy khởi động, máy phát điện như trên ôtô thông thường. Thêm nữa, xe có thể sử dụng hệ thống truyền lực thông thường trong dẫn động tới các bánh xe chủ động. Bình ắc qui không yêu cầu phải có dung lượng lớn. Các ưu điểm này sẽ làm giảm giá thành chế tạo.
Xe Toyota Crown Hybrid có kết cấu rất đơn giản, trên xe sử dụng nguồn ắc qui 42 vol. Trị số điện áp này hiện nay đang sử dụng phổ biến ở châu Âu [9]. Trong tương lai, nếu nguồn 42 vol trở nên tiêu chuẩn thì hệ thống hybrid sẽ trở thành chuẩn cho các ôtô dùng động cơ đốt trong.
Sơ đồ HEV nối tiếp/song song trình bày trên hình 5 đã kết hợp được các ưu điểm của hai sơ đồ trên. Sơ đồ này có hiệu suất cao ở mọi chế độ hoạt động, do năng lượng cung cấp ở chế độ tốc độ thấp và tải nhỏ là nhờ động cơ điện và năng lượng cấp ở chế độ tốc độ cao, tải lớn là nhờ động cơ đốt trong.
Một số ưu điểm của HEV là có khả năng tái sử dụng năng lượng quá trình phanh, tắt động cơ thay cho chế độ chạy không tải và động cơ luôn làm việc ở chế độ tải ổn định có hiệu suất cao Các ưu việt này rất có ý nghĩa trong điều kiện chuyển động trong thành phố, khi đó xe vận hành với tốc độ trung bình thấp. Theo các số liệu đo đạc của Viện Nghiên cứư ôtô Nhật (JARI) HEV có thể giảm 2 lần tiêu thụ năng lượng so với ICEV[10]. Từ năm 2000, ở Mỹ đã sử dụng năng lượng hybrid trên các xe chở khách, sau đó là ở Nhật, Các xe du lich và xe tải hybrid mấy năm gần đây xuất hiện ngày càng nhiều hơn.
1.3. Ôtô sử dụng năng lượng điện (EV)
Loại ôtô này sử dụng nguồn năng lượng là bình ắc qui nối với động cơ điện. Từ động cơ điện thông qua hệ truyền lực cơ khí để dẫn động các bánh xe hoặc có thể bố trí trực tiếp mỗi động cơ điện ở một bánh xe. Các ưu điểm của EV là có hiệu suất cao ngay cả ở chế độ làm việc non tải, và không phát xạ khí độc hại trong quá trình sử dụng. Nhược điểm của EV là thời gian dừng xe cần thiết để nạp hay thay bình ắc qui, quãng đường vận hành liên tục của EV còn ngắn (khoảng 300 km) và phải bố trí các trạm trên đường để nạp, thay thế ắc qui cho xe.
Để tăng khoảng cách chuyển động cho EV cần sử dụng bình ắc qui dung lượng lớn, nhưng như vậy sẽ làm tăng khối lượng xe, giảm hiệu suất và tăng tiêu hao năng lượng. ắc qui là thiết bị đắt ảnh hưởng lớn đến giá thành xe. Vì hạn chế của quãng đường vận hành nên hiện nay, EV mới có các mẫu ôtô nhỏ vận hành trong điều kiện thành phố. Bình ắc qui dùng cho xe con có khối lượng khoảng 280 kg, dung tích 120 Ah, điện áp làm việc 180 vol. Các cải tiến đối với EV tập trung vào bình ắc qui. Một số kết quả đạt được là giảm được thời gian nạp bình ắc qui xuống còn 30 phút.
1.4 Ôtô sử dụng năng lượng pin nhiên liệu (FCV)
Pin nhiên liệu là thiết bị sử dụng hydrrogen và oxygen để tạo ra năng lượng điện. Nếu hydrrogen và oxygen sử dụng làm nhiên liệu là sạch thì pin nhiên liệu khi làm việc chỉ phát xạ nhiệt và nước.
Hydrogen có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau: là khí hydrogen sạch hoặc từ các nhiên liệu giàu hydrrogen như methanol, khí ga tự nhiên, nhiên liệu xăng. Các nhiên liệu giàu hydrrogen này được chứa trong thùng thông thường (không có áp suất) rồi qua quá trình xử lý (Reforme) để tách khí hydrrogen trước khi đưa vào pin nhiên liệu. Sản phẩm của quá trình xử lý này, ngoài hydrro, nước còn có cả carbon dioxide. Tuy nhiên lượng carbon dioxide ít hơn nhiều so với khí phát xạ từ động cơ đốt trong dùng nhiên liệu xăng.
FCV có hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, khi dùng nhiên liệu là hydro sạch, hiệu suất sử dụng năng lượng đạt tới 60%, khi sử dụng nhiên liệu giầu hydro (xăng hoặc methanol...), hiệu suất sử dụng năng lượng vẫn đạt trên 40% [12].
FCV không phát xạ các khí độc cũng như các hạt rắn có hại ra môi trường (khi sử dụng nhiên liệu là khí hydro sạch). Trường hợp sử dụng các nhiên liệu giầu khí hydro (như xăng, khí thiên nhiên, methanol...) qua quá trình reforme sẽ phát xạ một lượng carbon dioxide (CO2) và carbon monoxide (CO) tuy nhiên lượng khí phát xạ này ít hơn nhiều so với trường hợp ở động cơ xăng.
Sử dụng FCV là một biện pháp tiết kiệm sử dụng nhiên liệu truyền thống. Ngay cả trong trường hợp dùng xăng làm nhiên liệu cho FCV, thì lượng xăng tiêu thụ trên FCV cũng chỉ bằng nửa khối lượng xăng dùng cho động cơ đốt trong.
2. Các kết luận
Nhiều kiểu ôtô sử dụng năng lượng sạch khác nhau đã được phân tích ở trên, tuy nhiên trong tương lai gần thì chưa chắc chúng đã có thể thay thế hoàn toàn, ngay lập tức cho các ôtô dùng động cơ đốt trong truyền thống. Nhiều lý do làm chậm quá trình sử dụng các ôtô năng lượng sạch như giá thành, hạ tầng cơ sở, khoảng cách vận chuyển, và đặc biệt là thói quen của người tiêu dùng đối với ôtô dùng năng lượng truyền thống.
Trong số các kiểu ôtô trên thì ôtô dùng năng lượng lai (HEV) có thể coi là mẫu ôtô dùng năng lượng thay thế thích hợp nhất hiện nay. HEV về dáng vẻ không khác ôtô truyền thống, giá thành tuy có cao hơn nhưng tiêu hao nhiên liệu ít hơn nhiều so với ôtô truyền thống. Ưu điểm của HEV còn ở chỗ, nó có thể kết hợp với bất kỳ kiểu động cơ đốt trong nào hoặc cả với pin nhiên liệu và cho hiệu suất năng lượng cao. Vai trò của công nghệ hybrid sẽ còn tăng mạnh trong hai ba thập kỷ tới, ngay cả khi các sản phẩm dầu mỏ không còn được coi là nhiên liệu chính của ôtô nữa.
Tài liệu tham khảo
1. J. Erjavec, R. Scharff. Automomtive technology. Delmar Publishers INC 1992
2. Bosch, Technical Center for gasoline injection, Robert Bosch GmbH, Stuttgart 30
3. Mitsubishi Motors Corporation, Mitsubishi GDI engine, Tokyo, Japan 1997
4. S. Kimura, Characteristics and improving ways of thermal efficiency on DI diesel engines, Jurnal JSAE 54 (9) (2000) 56 61
5. Toyota Motor Corporation, Common- rail, Team21, 2000
6. T.Tanaka, After-treatment systems and fuel properties for controling engine emissision. IWPS 2000, 58 67
7. Y. Tsukasaki Study of syntthetic fuel for automobile JARI Research Journal 22 (11) (2000)
8. G .B Cox, K.A.Delvecchio, Development of a direct-injected Natural Gas engine system for heavy-duty vehicles, Final report phase II, Feb.2000 NREL/SR-540-27501
9. H.P Schửner, New prospects for mechatronic systems for chassis & engine technology, Daimler Chrysler Research Laboratory Frankfurt, Oct.1999
10. A.Maeda Characteristics of direct methanol fuel cell, JARI Research Journal 22 (9) (2000)
11. Nissan Motor Co. Symbiosis, 1999
12. U.S. Department of energy, Fuel cell vehicles benefits, www.fueleconomy.gov.
