Luận án tiến sĩ: Điều khiển động cơ phun xăng trang bị bộ xúc tác tạo hỗn hợp khí giàu hydro - Đại học Bách khoa Hà Nội

Ô nhiễm môi trường từ phương tiện giao thông ngày càng nghiêm trọng. Khí thải chứa nhiều thành phần độc hại như CO, HC và NOx. Các quốc gia liên tục thắt chặt quy định về phát thải động cơ. Động cơ xăng cần cải tiến để đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật. Giảm tiêu hao nhiên liệu giúp cắt giảm lượng phát thải khí nhà kính CO2. Các biện pháp truyền thống thường yêu cầu chi phí chế tạo đắt đỏ. Việc can thiệp sâu vào cấu trúc cơ khí gặp nhiều rào cản kỹ thuật. Giải pháp bổ sung nhiên liệu thứ cấp mang lại tính khả thi cao. Phương pháp này giữ nguyên kết cấu cơ bản của động cơ. Động cơ duy trì công suất ổn định mà vẫn tiết kiệm nhiên liệu. Hiệu suất nhiệt tổng thể được cải thiện rõ rệt trong mọi điều kiện vận hành.

Bộ xúc tác tạo hydro đóng vai trò như một buồng phản ứng thu nhỏ. Thiết bị tận dụng nhiệt từ khí xả hoặc nguồn nhiệt phụ trợ. Quá trình biến đổi nhiệt hóa diễn ra nhanh chóng và liên tục. Nhiên liệu xăng kết hợp với hơi nước tạo thành dòng khí giàu H2 và CO. Khí sinh ra được hòa trộn trực tiếp với dòng không khí nạp. Thiết kế bộ xúc tác nhỏ gọn, dễ lắp ráp trên khoang động cơ. Vật liệu xúc tác có độ bền nhiệt và hoạt tính hóa học cao. Quá trình phản ứng diễn ra ổn định ở nhiều dải nhiệt độ khác nhau. Bộ xúc tác không làm cản trở lưu lượng dòng khí xả của động cơ. Thiết bị hoạt động an toàn, không tạo áp suất dư thừa trong hệ thống.

Hydro sở hữu những đặc tính nhiệt lý vượt trội so với xăng khoáng. Tốc độ cháy của hydro cao gấp nhiều lần so với hydrocacbon. Năng lượng kích hoạt đánh lửa của hydro rất thấp. Hydro giúp màng lửa lan truyền nhanh và đồng đều trong xy lanh. Thời gian cháy được rút ngắn đáng kể, làm giảm tổn thất nhiệt qua thành vách. Động cơ có thể vận hành ổn định tại các vùng hòa khí cực nghèo. Giới hạn bắt cháy của hỗn hợp xăng được mở rộng đáng kể. Áp suất buồng cháy tăng nhanh và đạt đỉnh gần điểm chết trên. Quá trình này giúp nâng cao công chỉ thị của chu trình nhiệt động. Lượng hydrocarbon chưa cháy trong khí xả giảm đi trông thấy.

Cơ chế nhiệt hóa dựa trên phản ứng reforming hơi nước của nhiên liệu lỏng. Hỗn hợp xăng và nước được định lượng chính xác trước khi vào buồng xúc tác. Dưới tác dụng của nhiệt độ cao và chất xúc tác kim loại, liên kết C-C và C-H bị bẻ gãy. Phản ứng tạo ra sản phẩm chính gồm hydro (H2), carbon monoxide (CO) và carbon dioxide (CO2). Tỷ lệ hơi nước trên nhiên liệu được kiểm soát chặt chẽ để tránh lắng đọng muội than. Lớp xúc tác duy trì hoạt tính cao trong suốt thời gian dài vận hành. Năng lượng nhiệt cung cấp cho phản ứng thu nhiệt được lấy trực tiếp từ khí thải. Quá trình này giúp thu hồi năng lượng nhiệt hao phí của động cơ. Năng lượng tổng thể của hệ thống động lực được tối ưu hóa.

Hòa khí xăng hydro có đặc tính khuếch tán nhanh và đồng đều trong không khí. Hydro khuếch tán trong không khí nhanh hơn nhiều so với hơi xăng. Khi được nạp vào xy lanh, hydro bao bọc và thúc đẩy sự bay hơi của các hạt xăng mịn. Hỗn hợp khí đạt độ đồng nhất cao trước thời điểm đánh lửa. Quá trình nén khí diễn ra thuận lợi mà không gây hiện tượng kích nổ ngoài ý muốn. Khối lượng phân tử nhẹ giúp hydro di chuyển linh hoạt trong mọi góc cạnh của buồng cháy. Quá trình bốc cháy diễn ra tức thì ngay sau tia lửa điện bugi. Màng lửa lan tỏa mạnh mẽ và thiêu rụi toàn bộ hòa khí trong không gian xy lanh. Hiệu suất nhiệt của chu trình nhờ đó tăng lên đáng kể.

Công nghệ on-board mang lại giải pháp độc lập và tiện lợi cho xe cơ giới. Người dùng không cần tìm kiếm các trạm nạp hydro đắt đỏ. Phương tiện chỉ cần nạp nhiên liệu xăng truyền thống và nước sạch định kỳ. Hệ thống phụ trợ có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ. Việc tích hợp không làm thay đổi trọng tâm hay thiết kế tổng thể của xe. Hệ thống phản ứng vận hành tự động theo tín hiệu từ bảng điều khiển. Nguy cơ rò rỉ hydro ra môi trường bên ngoài bị triệt tiêu hoàn toàn. Chi phí bảo trì, bảo dưỡng thiết bị xúc tác ở mức rất thấp. Công nghệ này phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông hiện hành. Khả năng ứng dụng thương mại hóa trên thị trường là rất lớn.

Cấu trúc ECU bao gồm khối thu thập tín hiệu, khối vi xử lý và khối chấp hành. Tín hiệu từ cảm biến góc quay trục khuỷu và cảm biến oxy được gửi về liên tục. Bộ vi điều khiển thực hiện thuật toán xử lý dữ liệu theo thời gian thực. Thuật toán điều khiển dự báo dựa trên mô hình động cơ được tích hợp sẵn. Hệ thống tính toán chính xác lượng nhiên liệu lỏng và khí hydro cần cung cấp. Các cổng xuất tín hiệu điều khiển van tiết lưu khí hydro và kim phun xăng điện tử. Tốc độ đáp ứng của hệ thống đạt mức mili giây. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các kênh điều khiển ngăn ngừa hiện tượng dao động công suất. Hệ thống có khả năng tự chẩn đoán và khắc phục lỗi cảm biến nhanh chóng.

Tỷ lệ không khí nhiên liệu quyết định trực tiếp đến hiệu suất năng lượng và phát thải. Khi bổ sung hydro, hệ số dư lượng không khí lambda có thể mở rộng lên dải nghèo. Động cơ vận hành an toàn ở các giá trị lambda lớn hơn 1 mà không bị bỏ lửa. Cảm biến lambda băng rộng theo dõi liên tục nồng độ oxy dư trong khí xả. ECU hiệu chỉnh lượng xăng phun để đạt hệ số dư lượng không khí lambda mục tiêu. Chế độ cháy nghèo giúp tiết kiệm tối đa lượng xăng tiêu thụ ở tải cục bộ. Nhiệt độ cực đại trong buồng cháy giảm xuống, hạn chế sự hình thành khí NOx. Động cơ duy trì được sự êm dịu và tính kinh tế nhiên liệu vượt trội.

Bản đồ điều khiển là tập hợp các ma trận dữ liệu cài đặt sẵn trong bộ nhớ ECU. Mỗi điểm làm việc trên bản đồ tương ứng với một chế độ tải và dải tốc độ vòng tua. Khi động cơ chuyển trạng thái, ECU tra cứu và nội suy giá trị thông số phù hợp. Thuật toán thích ứng tự động bù trừ các sai lệch do biến đổi môi trường và mài mòn cơ khí. Lượng khí hydro cấp vào buồng đốt luôn đạt mức tối ưu cho từng chu trình. Bản đồ điều khiển được hiệu chuẩn kỹ lưỡng qua hàng trăm giờ thử nghiệm trên bệ thử động cơ. Quá trình chuyển tiếp giữa các chế độ vận hành diễn ra mượt mà. Xe tăng tốc nhanh và không bị giật cục khi người lái nhấn mạnh chân ga.

Khi dòng khí giàu hydro đi vào buồng cháy, nó mang theo một phần năng lượng nhiệt trị. Do đó, thời gian phun nhiên liệu xăng cần được giảm tương ứng để tránh thừa nhiên liệu. ECU tính toán độ rộng xung điều khiển kim phun dựa trên lưu lượng khí hydro thực tế. Kim phun xăng đóng sớm hơn, làm giảm lượng xăng lỏng tiêu thụ trên mỗi chu trình. Phản ứng phun nhiên liệu diễn ra nhanh và chính xác dưới tác động của vi xử lý. Dòng hòa khí xăng hydro duy trì năng lượng cháy tương đương mà tiêu hao ít xăng hơn. Hiện tượng đọng màng nhiên liệu trên thành ống nạp giảm đi đáng kể. Điều này giúp nâng cao độ nhạy của động cơ khi thay đổi phụ tải đột ngột.

Góc đánh lửa sớm quyết định thời điểm bắt đầu quá trình cháy trong xy lanh. Do hydro cháy rất nhanh, thời gian trễ bắt cháy của hỗn hợp được rút ngắn. Góc đánh lửa sớm cần được giảm đi (đánh lửa muộn hơn) so với động cơ xăng nguyên bản. Điều chỉnh này ngăn chặn hiện tượng áp suất đỉnh xuất hiện quá sớm trước điểm chết trên. Công tiêu hao cho quá trình nén khí được giảm thiểu tối đa. Động cơ vận hành êm ái hơn và không xảy ra hiện tượng kích nổ gây hại chi tiết máy. Tại các chế độ tải cao, góc đánh lửa được kiểm soát chặt để khống chế nhiệt độ khí cháy. Việc tối ưu hóa góc đánh lửa giúp động cơ đạt mô men xoắn cực đại.

Quá trình cháy nghèo là phương thức hiệu quả nhất để nâng cao hiệu suất nhiệt chỉ thị. Bình thường, động cơ xăng dễ bị tắt lửa khi hòa khí quá nghèo. Dòng khí hydro đóng vai trò chất xúc tác thúc đẩy sự bốc cháy mãnh liệt. Nhiệt lượng tỏa ra tập trung hơn, giảm tổn thất truyền nhiệt qua áo nước làm mát. Tỷ số nén thực tế của chu trình nhiệt động được khai thác triệt để. Quá trình cháy diễn ra hoàn toàn ngay cả ở vùng rìa xa của buồng cháy. Lượng nhiệt thải theo khí xả giảm đi, giúp tăng hiệu suất sử dụng năng lượng. Động cơ sản sinh công suất mạnh mẽ với lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch thấp nhất.

Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy mức tiết kiệm nhiên liệu vô cùng ấn tượng. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm từ 8% đến 15% tùy thuộc vào dải phụ tải. Ở các chế độ tải thấp và không tải, hiệu quả tiết kiệm xăng thể hiện rõ rệt nhất. Quá trình cháy nhanh giúp hạn chế hiện tượng thất thoát năng lượng qua thành xy lanh. Hiệu suất nhiệt của động cơ tăng lên trung bình 3% đến 5%. Năng lượng từ dòng khí hydro bù đắp hoàn hảo lượng xăng cắt giảm. Lượng xăng tiêu thụ trên mỗi 100 km hành trình giảm đi đáng kể. Điều này mang lại lợi ích kinh tế to lớn cho người sử dụng phương tiện vận tải.

Chất lượng khí thải của động cơ được cải thiện vượt trội khi sử dụng hòa khí hydro. Lượng phát thải carbon monoxide (CO) giảm mạnh do quá trình oxy hóa diễn ra hoàn toàn. Phát thải hydrocarbon chưa cháy (HC) giảm tới hơn 30% nhờ sự lan truyền màng lửa tới các khe hở hẹp. Khí phát thải oxit nitơ (NOx) cũng được kiểm soát hiệu quả nhờ cơ chế cháy nghèo nhiệt độ thấp. Nồng độ bồ hóng và hạt bụi mịn trong dòng khí xả gần như bị triệt tiêu hoàn toàn. Động cơ dễ dàng vượt qua các bài kiểm định khí thải nghiêm ngặt hiện hành. Giải pháp góp phần bảo vệ chất lượng không khí tại các đô thị đông đúc.

Động cơ phun xăng điện tử là nền tảng hoàn hảo để ứng dụng công nghệ bộ xúc tác tạo hydro. Hệ thống kim phun điện tử và cảm biến sẵn có tạo điều kiện thuận lợi cho việc ghép nối ECU điều khiển. Thiết bị có thể chế tạo thành bộ kit phụ trợ để lắp đặt trên các dòng xe hiện hành. Quá trình cải tạo không đòi hỏi thay đổi khối động cơ hay kết cấu buồng đốt nguyên bản. Chi phí đầu tư ban đầu hợp lý, thời gian thu hồi vốn nhanh thông qua lượng xăng tiết kiệm. Đây là bước chuyển tiếp công nghệ lý tưởng trước khi xe điện hoàn toàn phổ cập. Tiềm năng thương mại hóa và ứng dụng đại trà trong ngành công nghiệp ô tô là rất lớn.