Nghiên cứu ảnh hưởng phụ gia vi nhũ thế hệ mới chế tạo tại Việt Nam tới động cơ diesel - Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Phụ gia nhiên liệu diesel thế hệ mới là hệ phân tán nhiệt động học bền vững. Cấu trúc gồm các hạt nước kích thước nanomet phân tán đều trong pha dầu liên tục. Chất hoạt động bề mặt đóng vai trò hạ thấp sức căng bề mặt giữa nước và dầu. Thành phần hạt nano oxit kim loại như ceri oxit hoặc sắt oxit đóng vai trò xúc tác cháy. Khi nhiên liệu đi qua vòi phun vào buồng đốt áp suất cao, các giọt nước siêu nhỏ sôi bùng nổ trước. Hiện tượng nổ vi mô (micro-explosion) xé nhỏ giọt nhiên liệu thành các hạt sương siêu mịn. Diện tích tiếp xúc giữa nhiên liệu và oxy không khí tăng gấp hàng trăm lần. Quá trình hòa trộn khí - nhiên liệu diễn ra hoàn hảo. Tốc độ cháy tăng nhanh. Thời gian cháy trễ rút ngắn rõ rệt. Nhờ đó, động cơ đạt hiệu suất nhiệt cao hơn ở mọi dải tốc độ vận hành.

Việt Nam đang đẩy mạnh nội địa hóa các sản phẩm hóa chất chuyên dụng cho ngành giao thông vận tải. Đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước do Phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ lọc hóa dầu chủ trì mở ra hướng đi tự chủ công nghệ. Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội đã thử nghiệm toàn diện phụ gia trên các băng thử động cơ chuyên dụng. Quá trình chế tạo tại chỗ giúp giảm giá thành sản phẩm so với hàng nhập khẩu. Nguồn nguyên liệu chất hoạt động bề mặt được tối ưu hóa theo điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm. Phụ gia duy trì độ ổn định nhiệt động học trong thời gian lưu trữ dài ngày. Tính tương thích với nhiên liệu diesel thương phẩm DO 0,05S và DO 0,001S tại thị trường Việt Nam đạt mức hoàn hảo.

Công nghệ vi nhũ tương (microemulsion) cải tiến vượt trội hơn hẳn các dạng nhũ tương thô thông thường. Nhũ tương thô có kích thước hạt lớn và rất dễ bị tách lớp sau vài giờ lưu trữ. Ngược lại, hệ vi nhũ nano giữ trạng thái ổn định trong suốt nhiều tháng mà không cần khuấy đảo cơ học. Kích thước micelle nước chỉ dao động từ 10 đến 50 nanomet. Khi bơm cao áp đẩy nhiên liệu vào buồng đốt, các micelle này tạo ra làn sóng nổ thứ cấp tức thì. Hiện tượng này bẻ gãy các liên kết cacbon mạch dài phức tạp thành các phân tử hydrocacbon nhẹ. Quá trình cháy diễn ra đồng đều trên toàn bộ thể tích buồng cháy. Lượng oxy cục bộ tăng cường giúp triệt tiêu các vùng cháy yếm khí giàu nhiên liệu. Hiệu quả chuyển hóa năng lượng hóa học thành công cơ học tăng lên mức tối đa.

Chỉ số Cetane là thước đo khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu diesel dưới áp suất và nhiệt độ cao. Dầu DO chất lượng kém thường có chỉ số Cetane thấp, dẫn đến quá trình cháy kích nổ không kiểm soát. Việc bổ sung phụ gia giúp tăng chỉ số Cetane dầu diesel thêm từ 3 đến 5 đơn vị. Các hợp chất hoạt tính trong phụ gia đóng vai trò như các chất khởi đầu gốc tự do. Năng lượng hoạt hóa của phản ứng cháy giảm xuống mức tối thiểu. Nhiên liệu bắt cháy nhanh và êm ái ngay khi kết thúc hành trình phun. Áp suất buồng đốt gia tăng mượt mà. Đồ thị áp suất chỉ thị trở nên tối ưu hơn. Động cơ đạt mô-men xoắn cực đại ở dải vòng tua thấp hơn. Công suất phát của động cơ tăng lên từ 4% đến 7% so với khi sử dụng nhiên liệu gốc.

Nước tự do trong bồn chứa và đường ống dẫn là kẻ thù lớn nhất của hệ thống phun dầu. Nước gây rỉ sét bơm cao áp và làm kẹt ty kim phun. Cơ chế xử lý phân tách nước trong dầu DO của phụ gia vi nhũ giải quyết triệt để nguy cơ này. Các phân tử chất hoạt động bề mặt nhanh chóng bao bọc lấy từng phân tử nước tự do. Nước bị cô lập hoàn toàn bên trong lõi ưa nước của các hạt micelle nano. Nhiên liệu chuyển sang trạng thái trong suốt đồng nhất. Không còn hiện tượng phân tầng hoặc đọng nước đáy bình nhiên liệu. Nước vi nhũ hóa không gây ăn mòn kim loại mà ngược lại còn tham gia vào phản ứng tạo khí than ướt ở nhiệt độ cao. Phản ứng này giải phóng thêm các gốc hydro và oxy hoạt tính, thúc đẩy quá trình oxy hóa muội than.

Khả năng tiết kiệm dầu DO động cơ diesel xuất phát từ việc nâng cao hiệu suất nhiệt chỉ thị của chu trình công tác. Trong động cơ diesel tiêu chuẩn, khoảng 10% đến 15% nhiên liệu không được đốt cháy hoàn toàn do kích thước hạt sương phun quá lớn. Phụ gia vi nhũ thúc đẩy quá trình bay hơi tức thời nhờ các vụ nổ vi mô. Mọi phân tử nhiên liệu đều tiếp cận đầy đủ với oxy trong buồng cháy. Lượng nhiên liệu chưa cháy thoát theo đường xả giảm về mức gần như bằng không. Tỷ suất tiêu hao nhiên liệu riêng (g/kWh) giảm rõ rệt ở cả chế độ tải bộ phận và toàn tải. Kết quả thử nghiệm trên động cơ tĩnh tại phòng thí nghiệm Bách khoa chứng minh mức tiêu hao giảm sâu ở dải tốc độ vòng tua từ 1500 đến 2200 vòng/phút.

Bộ lọc hạt DPF đóng vai trò giữ lại các hạt vật chất PM độc hại trong dòng khí xả xe máy dầu. Tuy nhiên, lượng bồ hóng tích tụ nhanh khiến áp suất ngược của hệ thống xả tăng cao. Động cơ bị giảm công suất và tiêu hao thêm nhiên liệu để kích hoạt chu kỳ tái sinh nhiệt. Việc bảo vệ bộ lọc hạt diesel (DPF) nhờ phụ gia vi nhũ nano dựa trên tác động của các hạt xúc tác oxit kim loại. Các hạt nano ceria đi theo dòng khí xả bám lên bề mặt lớp muội than trong DPF. Chúng hạ thấp nhiệt độ bốc cháy của muội than từ 600 độ C xuống còn khoảng 350 đến 400 độ C. Quá trình tự tái sinh diễn ra liên tục ngay trong điều kiện vận hành đô thị thông thường. Tuổi thọ bộ lọc DPF tăng gấp đôi.

Kim phun Common Rail hoạt động dưới nhiệt độ và áp suất cực hạn, rất dễ tích tụ cặn vec-ni và cặn cacbon cứng ở đầu lỗ phun. Hiện tượng này làm biến dạng tia phun, khiến nhiên liệu nhỏ giọt thay vì sương hóa. Phụ gia vi nhũ chứa các hợp chất tẩy rửa phân tán thế hệ mới với khả năng hòa tan cặn carbon vượt trội. Hóa chất này làm sạch kim phun Common Rail (CRDi) liên tục trong suốt hành trình xe chạy. Các cặn bẩn bị bẻ gãy cấu trúc và cuốn trôi vào buồng đốt để tiêu hủy hoàn toàn. Lưu lượng phun qua các lỗ vòi phun nano được phục hồi nguyên bản như thiết kế ban đầu. Thời gian đáp ứng của van điện từ và kim phun trở lại độ nhạy chuẩn xác. Tiếng ồn động cơ giảm rõ rệt. Khả năng tăng tốc của xe trở nên mượt mà và nhạy bén.

Khói đen từ ống xả động cơ diesel là tập hợp các hạt muội cacbon hình thành do hiện tượng thiếu oxy cục bộ ở nhiệt độ cao. Ứng dụng phụ gia vi nhũ giúp giảm phát thải khói đen xe máy dầu từ 30% đến 50% ngay sau khi pha vào nhiên liệu. Sự hiện diện của các giọt nước siêu nhỏ sinh ra các gốc hydroxyl tự do (OH*) hoạt tính cao trong ngọn lửa. Các gốc này tấn công và bẻ gãy các mầm muội than sơ cấp trước khi chúng kết tụ thành hạt bồ hóng lớn. Ngoài ra, phát thải oxit nitơ (NOx) cũng giảm đáng kể nhờ hiệu ứng làm mát cục bộ của hơi nước vi phân tán. Nồng độ khí độc CO và HC chưa cháy trong khí xả giảm xuống mức an toàn. Môi trường không khí xung quanh các trục đường giao thông lớn được cải thiện đáng kể.

Từ năm 2022, Việt Nam chính thức bắt buộc áp dụng tiêu chuẩn khí thải Euro 5 đối với toàn bộ xe cơ giới sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới. Tiêu chuẩn này đòi hỏi mức phát thải hạt mịn PM giảm tới 80% so với chuẩn Euro 4 trước đây. Nhiều doanh nghiệp vận tải gặp khó khăn do chất lượng nhiên liệu diesel phân phối trên thị trường chưa thực sự đồng nhất. Hàm lượng lưu huỳnh và tạp chất tồn dư dễ gây ngộ độc bộ xúc tác xử lý khí thải. Phụ gia vi nhũ nano đóng vai trò chất trợ lực thiết yếu. Sản phẩm hỗ trợ nhiên liệu diesel thương phẩm đạt hiệu suất cháy tối đa. Lượng phát thải gốc của động cơ giảm ngay từ trong xi lanh trước khi qua bộ xử lý sau xả. Giải pháp giúp phương tiện đáp ứng dễ dàng tiêu chuẩn khí thải Euro 5 tại Việt Nam.

Cặn bám trên đỉnh piston và nắp quy-lát làm tăng tỷ số nén cục bộ và cản trở quá trình tản nhiệt của xi lanh. Điều này dẫn tới hiện tượng quá nhiệt động cơ và nguy cơ kẹt xéc-măng dầu. Giải pháp chống đóng cặn buồng đốt động cơ diesel bằng phụ gia nano ngăn chặn sự hình thành màng cacbon polymer hóa. Các hạt nano xúc tác thâm nhập vào các khe rãnh vi mô của bề mặt kim loại. Chúng tạo ra lớp bảo vệ siêu mỏng và đẩy nhanh quá trình thiêu hủy cặn mềm vừa hình thành. Bề mặt buồng đốt luôn duy trì trạng thái sạch bóng kim loại. Dầu nhớt bôi trơn ít bị nhiễm bẩn muội than hơn, kéo dài chu kỳ thay dầu nhớt lên gấp 1,5 lần. Động cơ duy trì công suất ổn định sau hàng trăm nghìn km hành trình.

Một tiêu chí sống còn khi nghiên cứu phụ gia nhiên liệu là tính an toàn và tương thích vật liệu. Luận án tiến sĩ tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã tiến hành thử nghiệm ngâm mẫu vật liệu theo tiêu chuẩn ASTM quốc tế. Kết quả kiểm tra cho thấy phụ gia không gây ăn mòn điện hóa đối với các kim loại như đồng, nhôm, gang và thép không gỉ. Đối với các chi tiết phi kim như gioăng cao su NBR, phớt cao su flo (FKM) và ống dẫn nhiên liệu tổng hợp, phụ gia không gây trương nở hay nứt vỡ. Độ bền kéo và độ giãn dài của vật liệu làm kín giữ nguyên sau hàng nghìn giờ tiếp xúc liên tục. Nhiên liệu pha phụ gia hoàn toàn an toàn cho toàn bộ hệ thống cấp nhiên liệu từ bình chứa đến vòi phun.