Các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Tây Nam (SwRI), Texas, Mỹ đã phát triển thành công một mẫu động cơ hydro đánh lửa bằng bugi được tối ưu cho xe thương mại hạng trung. Đây vẫn là động cơ đốt trong (ICE), nhưng cách vận hành của nó có nhiều điểm gần với động cơ diesel hơn so với các mẫu động cơ hydro trước đây.
Nói cách khác, đây không phải một dạng động cơ pin nhiên liệu hoàn toàn mới. Hydro được đốt trực tiếp bên trong xi-lanh bằng hệ thống đánh lửa cưỡng bức, tương tự động cơ xăng. Các piston chuyển đổi năng lượng từ quá trình cháy thành cơ năng để tạo lực kéo cho xe.
“Bên cạnh hàng chục năm phát triển động cơ cho xe hạng trung và hạng nặng, SwRI sở hữu một trong những năng lực nghiên cứu và thử nghiệm động cơ đốt trong sử dụng hydro (H2-ICE) toàn diện nhất thế giới, phục vụ nghiên cứu nội bộ, khách hàng và các chương trình trình diễn công nghệ trong ngành,” tiến sĩ Qilong Lu, quản lý chương trình thuộc Bộ phận Kỹ thuật Hệ truyền động của SwRI và một trong những người phụ trách dự án, cho biết.
“Động cơ được thiết kế, chế tạo và trải qua quá trình thử nghiệm nghiêm ngặt tại SwRI nhằm bảo đảm hiệu suất và khả năng vận hành,” ông Lu nói thêm.
Mô-men xoắn như động cơ diesel
“Chúng tôi bắt đầu từ một xi-lanh đơn, tập trung tối ưu quá trình cháy và chiến lược phun nhiên liệu,” ông Lu cho biết. “Sau đó, nhóm chuyển sang phát triển động cơ nhiều xi-lanh hoàn chỉnh, đồng thời xử lý những thách thức quan trọng như hiện tượng cháy sớm, độ ổn định của quá trình cháy và khả năng tích hợp toàn bộ hệ thống.”
Sức hấp dẫn của công nghệ này nằm ở đặc tính của hydro: nhiên liệu không chứa carbon nên quá trình đốt không trực tiếp tạo ra CO₂ như nhiên liệu hóa thạch. Đồng thời, các nhà sản xuất vẫn có thể tận dụng phần lớn hệ sinh thái động cơ đốt trong hiện có, từ động cơ, hộp số, dây chuyền sản xuất cho tới mạng lưới bảo dưỡng và chuỗi cung ứng.
Nhóm nghiên cứu cũng giải quyết được một bài toán quan trọng đối với xe tải: tạo ra mô-men xoắn ở tốc độ thấp tương tự động cơ diesel. Để làm được điều đó, động cơ sử dụng bộ tăng áp nhằm đưa nhiều không khí hơn vào buồng đốt. Lượng không khí lớn hơn cho phép đốt nhiều hydro hơn, từ đó tạo ra lực kéo mạnh cần thiết để vận chuyển những chiếc xe tải chở đầy tải.
Hệ thống nạp khí cũng được cải thiện nhờ thiết kế hình học mới của cửa nạp. Do hydro cháy nhanh hơn đáng kể so với xăng, dòng khí bên trong xi-lanh cũng cần được kiểm soát theo cách khác để quá trình cháy diễn ra hiệu quả.
Động cơ được trang bị các van nạp lớn hơn cùng kim phun chuyên dụng cho hydro, giúp tối ưu quá trình hòa trộn nhiên liệu và không khí trong xi-lanh. Hệ thống điều khiển cũng sử dụng phần mềm và các bộ hiệu chỉnh chuyên biệt để quản lý chính xác thời điểm phun, đánh lửa, áp suất tăng áp cũng như tỷ lệ hòa khí.
Một vấn đề khác mà nhóm nghiên cứu phải giải quyết là an toàn. Các bề mặt nóng của động cơ hoặc lượng khí còn sót lại trong buồng đốt có thể khiến hydro bắt cháy trước thời điểm bugi phát tia lửa. Hiện tượng này có thể gây kích nổ, làm giảm công suất hoặc thậm chí dẫn tới hư hỏng động cơ.
Phát thải thấp nhưng chưa phải bằng 0
Về phát thải, nhóm nghiên cứu cho biết động cơ tạo ra lượng CO₂ ở ống xả “gần bằng 0”. Tuy nhiên, con số này cần được nhìn trong toàn bộ vòng đời của nhiên liệu hydro, bởi phương pháp sản xuất hydro có ảnh hưởng lớn đến tổng lượng phát thải.
Nếu hydro được sản xuất từ khí tự nhiên thay vì sử dụng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo, lượng CO₂ phát sinh trong toàn bộ chuỗi sản xuất vẫn có thể ở mức cao.
Ngoài ra, quá trình đốt hydro vẫn có thể tạo ra oxit nitơ (NOx). Nguyên nhân là nhiệt độ cao trong buồng đốt có thể khiến nitơ và oxy trong không khí phản ứng với nhau, hình thành các hợp chất NOx.
Do đó, động cơ này không thể được xem là một hệ thống “không phát thải” theo nghĩa tuyệt đối. Công nghệ vẫn cần kiểm soát quá trình cháy chặt chẽ và có thể phải kết hợp với các hệ thống xử lý khí thải sau đốt.
“Dự án này quy tụ nhiều lĩnh vực nghiên cứu và các chuyên gia khác nhau tại Viện để hoàn thiện công nghệ,” Chris Bitsis, phó giám đốc Bộ phận Kỹ thuật Hệ truyền động của SwRI, người phụ trách các chương trình nghiên cứu về quá trình cháy, cho biết.
“Chương trình nghiên cứu động cơ đốt trong sử dụng hydro của SwRI đang tiếp tục được thúc đẩy mỗi ngày nhằm hoàn thiện công nghệ và chứng minh tiềm năng của nó như một giải pháp cho ngành công nghiệp với lượng phát thải carbon gần bằng 0,” ông nói thêm.
Theo IE
