CÔNG NGHỆ ĐƯA KHÍ HYDRO XANH VÀO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

1.      Giới thiệu
Ngày nay, cùng với sự gia tăng của các phương tiện giao thông sử dụng động cơ đốt trong, lượng nhiên liệu xăng và dầu diesel được tiêu thụ tăng lên một cách chóng mặt. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm môi trường do việc phát thải quá mức các khí thải độc hại do sử dụng động cơ đốt trong đốt cháy không hoàn toàn nhiên liệu, kết quả tạo ra nhiều sản phẩm phụ như NOx, CO, SO2, CmHn, v..v. Do đó, nhiều nghiên cứu đã được triển khai nhằm mục đích thay thế hoặc giảm dần nhiên liệu hóa thạch (xăng, dầu diesel) được sử dụng trong động cơ. Trong đó, nhiên liệu hydro là một giải pháp hiệu quả do có thể được đốt cháy và chuyển đổi lượng nhiệt năng và áp suất tạo ra thành cơ năng (như cách các động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu hóa thạch đang vận hành), tuy nhiên hydro có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với xăng thông thường (một kg hydro có thể cho lượng nhiệt gấp 3 lần so với một một kg xăng), và hoàn toàn thân thiện với môi trường do sản phẩm cháy chỉ là nước.  

Sử dụng dòng điện để phân tách nước (gọi tắt là điện phân nước) để sinh khí hydro là cách có thể sử dụng trực tiếp được nhiên liệu hydro tạo ra ngay mà không cần phải nạp nhiên liệu hydro từ bất kỳ nguồn nào khác. Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều công bố liên quan đến hệ thống điện phân nước nhằm cung cấp nhiên liệu hydro cho động cơ đốt trong, tuy nhiên các hệ thống này chưa thực sự hiệu quả. Các công bố này chưa tạo ra một hệ thống có độ linh hoạt cao, sử dụng nguồn nước thông thường để điện phân, vẫn còn phải sử dụng chất xúc tác và còn chưa thiết kế một hệ thống điện cụ thể và khép kín. Do đó, hệ thống trong công nghệ của Công ty cổ phần Tập đoàn KOGI được thiết kế nhằm mục đích hoàn thiện hơn các hạn chế kể trên.

2.      Nội dung công nghệ của KOGI
Trong công nghệ này, các động cơ của các phương tiện giao thông sẽ sử dụng nhiên liệu hydro kết hợp với các loại nhiên liệu thông thường như xăng, dầu diesel (tùy theo loại động cơ) để hỗ trợ cho động cơ hoạt động với mục tiêu giảm nhiên liệu sử dụng và triệt tiêu khái thải trong buồng đốt trước khi xả ra bên ngoài. Nguồn nhiên liệu hydro này được tạo ra và sử dụng trực tiếp trong quá trình vận hành của xe bằng cách điện phân nước. Về nguyên tắc, mô hình công nghệ này bao gồm 3  thành phần chính liên kết chặt chẽ với nhau (Hình 1). Trong đó, nguồn năng lượng để cung cấp cho hệ thống điện phân, các sản phẩm thu được sau quá trình điện phân được mang đến các thiết bị để sử dụng. Các thành phần trong mô hình này đều được quản lý và tương tác khép kín với nhau thông qua một bộ điều khiển.

2.1.  Cơ chế vận hành
Cơ chế vận hành của các hệ thống trong công nghệ được mô tả như sau:

• Đầu tiên, hệ thống điện phân và pin được kết nối với hệ thống xe hiện hành
• Người vận hành sẽ thiết lập lượng hydrogen sẽ cung cấp cho động cơ thông qua màn hình điều khiển. Sau đó, bộ điều khiển sẽ tính toán theo như thông số đã thiết lập và cài đặt lượng hydro phù hợp sẽ đi vào buồng đốt của động cơ.
• Khi bắt đầu khởi động xe, bộ điều khiển sẽ dùng dòng điện từ hệ thống điện của xe để cấp điện cho động cơ đánh lửa, cùng lúc đó, nhiên liệu (xăng, dầu diesel) và không khí cũng sẽ được bơm vào buồng đốt của động cơ. Hỗn hợp này sẽ được đốt cháy để động cơ đốt trong hoạt động sinh công.
• Sau khi động cơ đã hoạt động, bộ điều khiển sẽ tiếp tục dùng hệ thống điện của xe hoặc/và hệ thống pin để cung cấp năng lượng cho hệ thống điện phân hoạt động. Dòng điện trước khi vào hệ thống điện phân (hiện đang là dòng điện một chiều) sẽ phải được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều với biên độ và tần số được tăng cường để cho phản ứng điện phân nước có thể xảy ra. Quá trình chuyển đổi dòng điện này được thực hiện bởi mạch biến tần thứ nhất. Nhờ vào quá trình này, mà thiết bị có thể điện phân được bất kì nguồn nước nào kể như nước máy, nước cất, nước khử ion..v..v. Dòng điện được sử dụng trong thiết bị điện phân hoạt động với dòng điện dao động từ 1 – 20 A. Khi dòng điện chạy qua điện cực kim loại, nước sẽ được phân tách để sản sinh khí hydro. Khí hydro thu được sẽ được làm sạch và làm mát bằng cách qua một bể nước được gọi là bộ lọc khí hydro.
• Khí hydro được làm sạch sau đó sẽ được dẫn đến buồng đốt (xi-lanh) của động cơ. Tại đây, theo như thiết lập và tính toán ban đầu, một lượng hydro phù hợp sẽ được bơm vào xi-lanh. Khí hydro sẽ được trộn với không khí và nhiên liệu (xăng, dầu diesel). Hỗn hợp này cũng sẽ được đốt cháy và thực hiện quá trình sinh công như các loại nhiên liệu thông thường.
• Để đảm bảo hiệu quả tiêu thụ năng lượng và giảm phát thải các sản phẩm độc hại, sau phản ứng cháy, cảm biến khí thải sẽ thu thập dữ liệu từ ống xả, bộ điều khiển sẽ phân tích và cảnh báo người vận hành để điều chỉnh lại lượng nhiên liệu nạp vào.

2.1.  Chi tiết của các hệ thống chính
2.1.1. Hệ thống pin

Nguồn pin cung cấp cho hệ thống pin bao gồm 2 hoặc nhiều hơn pin được kết nối với nhau. Khi hệ thống pin hoạt động, dòng điện từ pin sẽ được di chuyển qua mạch biến tần thứ hai. Tại đây, dòng điện một chiều được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều bằng cách gia tăng biên độ và tần số của dòng điện. Sau đó, dòng điện xoay chiều này làm quay motor và sản sinh điện từ trường. Dưới tác dụng của dòng điện từ trường, máy phát điện sẽ sản sinh một dòng điện xoay chiều với một thế xoay chiều không đổi. Dòng điện này được khuếch đại điện thế, công suất bởi mạch khuếch đại. Sau đó, dòng điện khuếch đại được dẫn qua mạch chỉnh lưu, cuối cùng được chuyển đổi thành dòng điện một chiều cung cấp cho thiết bị điện phân và nguồn pin ban các linh kiện khác của phương tiện. Đồng thời, một phần dòng điện sẽ quay trở lại để sạc cho đầu. 

2.2.2  Hệ thống điện phân nước

Hình 4 mô tả hệ thống điện phân bao gồm thiết bị điện phân nước và bộ lọc khí hydro, với nhiệm vụ chính là thực hiện quá trình tách nước để sinh khí hydro cung cấp cho động cơ. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống bao gồm các bước như sau:

• Thiết bị điện phân sẽ được cấp nguồn bởi hệ thống điện của phương tiện hoặc hệ thống pin. Dòng điện đi vào hệ thống sẽ phải qua mạch biến tần thứ nhất. Tại đây, dòng điện một chiều sẽ được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều với biên độ và tần số đủ để xảy ra quá trình điện phân nước.
• Dòng điện khi đi qua điện cực (có độ lớn từ 1 A đến 20 A) trong môi trường nước sẽ xảy ra quá trình phân tách phân tử nước thành khí hydro.
• Khí hydro sinh ra được dẫn đến bộ lọc khí hydro. Thiết bị này có vai trò làm sạch khí hydro và giảm nhiệt độ của dòng khí hydro sinh ra.
• Trong quá trình vận hành, nước trong bể điện phân được tiêu thụ để phân tách thành hydro, do đó lượng nước trong bể sẽ bị hao hụt theo thời gian. Khi mực nước giảm xuống dưới một mức cụ thể (đã định sẵn), cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến bộ điều khiển để thực hiện quá trình nạp lại nước. Sau khi mực nước đạt mức yêu cầu, quá trình nạp nước bổ sung sẽ được ngắt.

2.2.3  Hệ thống động cơ

Hình 5 mô tả động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu thông thường kết hợp với nhiên liệu hydro. Cơ chế hoạt động được tóm tắt như sau:

Đầu tiên, nhiên liệu (xăng hoặc dầu diesel) được bơm vào xi-lanh. Tiếp theo, ống nạp mang lần lượt không khí và khí hydro (đã được tạo ra từ hệ thống điện phân) vào xi-lanh với liều lượng đã được tính toán dựa trên thiết lập ban đầu của người vận hành. Sau đó, hỗn hợp bao gồm nhiên liệu, không khí, khí hydro được đốt cháy bên trong xy-lanh và sinh công. Khí thải sau đó theo ống xả đi ra ngoài môi trường. Cảm biến trong ống xả thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu dư lượng nhiên liệu, các sản phụ. Từ đó, triệt tiêu các khí thải độc hại từ hoạt động của động cơ đốt trong thải ra môi trường.

3. Kết luận
Có thể thấy, công nghệ này của Công ty cổ phần Tập đoàn KOGI cung cấp một giải pháp cho động cơ đốt trong thế hệ mới, dần thay thế nguyên liệu hóa thạch, đáp ứng nhu cầu chuyển đổi bền vững, tiến tới mục tiêu net-zero. Các ưu điểm mà công nghệ đã đáp ứng được các nhu cầu bền vững kể trên bao gồm:

• Đơn giản – mang tính tùy chọn cho các nhà sản xuất phương tiện: khi mà xe điện và xe chạy hoàn toàn bằng nhiên liệu hydro hóa lỏng đang gặp phải các vấn đề về giá thành và sự tiện dụng, công nghệ sử dụng hydro kết hợp với động cơ chạy nhiên liệu thông thường này là một bước đệm cho quá trình chuyển đổi xanh, bền vững. Công nghệ này có thể dễ dàng tích hợp được trên các phương tiện hiện hành như một tùy chọn, giúp cho động cơ tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải.
• Giá thành thấp – cạnh tranh: các thiết bị kể trên có thể được tích hợp vào hệ thống của xe mà không cần phải thay mới hoàn toàn các linh kiện có trong xe hiện hành. Do đó có thể giảm được đáng kể giá thành của phương tiện. Bên cạnh đó, nguồn nguyên liệu nạp vào hệ thống điện phân là nguồn nước đa dạng, không cần phải thêm bất kỳ xúc tác nào, làm giảm chi phí hoạt động của phương tiện.
• Tiết kiệm nhiên liệu – thân thiện hơn với môi trường: động cơ áp dụng công nghệ này có thể giảm được lên đến 40% nhiên liệu xăng hoặc dầu diesel nạp vào trong khi có thể giảm được hầu hết các sản phẩm phụ độc hại từ việc đốt cháy không hoàn toàn của động cơ đốt trong. Từ đó, có thể tăng tuổi thọ của động cơ nhờ vào khả năng đốt cháy nhiên liệu một cách tối ưu.
• An toàn – bền vững: nhiên liệu hydro chỉ được tạo ra và sử dụng trực tiếp trong quá trình vận hành phương tiện, do đó tránh được nguy cơ cháy nổ do lưu trữ hydro. Nguồn nguyên liệu tạo hydro chỉ là nước, do đó không cần phải quy hoạch các kênh tổng hợp hydo hóa lỏng. 

Một số kết quả chính mà KOGI đã đăng ký và công bố:

• Bằng sáng chế đã được phê duyệt bởi Cơ quan quản lý sáng chế và nhãn hiệu của Mỹ vào tháng 7 năm 2023 (Số sáng chế: US 11,708,799 B1: Ngày cấp: Jul. 25, 2023)
• Đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tại Cơ quan quản lý sáng chế và nhãn hiệu của của Nhật Bản vào tháng 8 năm 2023
• Bài báo khoa học (đang chuẩn bị bản thảo để gởi đăng trên tạp chí khoa học quốc tế uy tín)
• Một số sản phẩm mẫu đã được sản xuất và sử dụng cho các loại xe ô tô chạy bằng các loại nhiên liệu khác nhau (xăng và dầu)