Cách đây hơn 4 năm, thời điểm cả nước chính thức sử dụng xăng ethanol E5 thay thế cho xăng RON 92, rất nhiều nhà khoa học đã vui mừng cho rằng đây là bước khởi đầu cho sử dụng xăng sinh học tại Việt Nam, một lộ trình được kỳ vọng giảm phát thải carbon dioxide gây ô nhiễm không khí và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Xăng ethanol có thể giúp giải quyết vấn đề này ư? Trên thực tế đây là loại xăng pha trộn xăng khoáng A92 với các nhiên liệu sinh học bio-ethanol giúp tăng hiệu suất của động cơ, giảm đáng kể các khí thải gây ô nhiễm môi trường như khí CO, HC… so với các loại xăng khoáng thông thường. Một số nghiên cứu do Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện trên mẫu ô tô và xe máy tại Việt Nam cũng cho thấy kết quả khả quan tương tự.
Tuy nhiên có một vấn đề là liệu ethanol trong xăng E5 có ảnh hưởng đến động cơ xe, đặc biệt là với những dòng xe cũ hay không? Nhiều người từng lo lắng như vậy, nhất là sau khi Phòng Thương mại ô tô Australia (FCAI) đã từng đưa ra khuyến cáo không nên sử dụng xăng E5, E10 đối với một số dòng ô tô, xe máy đời cũ, trong đó có nhiều loại xe tương đồng và đang lưu hành tại Việt Nam. Song đối với hầu hết các gia đình tại Việt Nam, việc ‘bỏ xó' chiếc xe cũ để mua sắm xe thế hệ mới có động cơ tương thích với xăng sinh học là điều gần như không tưởng.
Vậy có cách nào để vừa không phải “bỏ xó” xe cũ, vừa không phải lo về an toàn? “Thiết kế ban đầu của bộ chế hòa khí trong xe thế hệ cũ chỉ phù hợp với xăng khoáng, do đó khi thay đổi đặc tính của nhiên liệu thì hệ thống không thể duy trì được tỷ lệ hoà khí phù hợp", TS. Nguyễn Duy Vinh (Trưởng nhóm nghiên cứu tiềm năng, khoa Kỹ thuật Ô tô và Năng lượng, Đại học Phenikaa) phân tích. Khi nâng hàm lượng ethanol trong nhiên liệu lên (như E10, E15, E20…) sẽ gây ra một số rào cản kỹ thuật như khó khởi động lạnh, công suất giảm, động cơ hoạt động không ổn định… nếu vẫn giữ nguyên hệ thống nhiên liệu như thiết kế ban đầu của xe. “Do đó, khi sử dụng xăng sinh học có hàm lượng ethanol cao, cần phải tiến hành thay đổi thông số kỹ thuật của động cơ như tăng tỷ số nén với mỗi loại xăng sinh học có hàm lượng ethanol khác nhau hay thay đổi chương trình điều khiển động cơ để đảm bảo tính năng kỹ thuật”.
Đáp ứng nhu cầu không ‘bỏ rơi' xe cũ mà vẫn có thể sử dùng xăng sinh học, trên thế giới đã có một số thiết bị chuyển đổi cho xe sử dụng nhiên liệu xăng thông thường sang sử dụng xăng sinh học. Tuy nhiên điểm yếu của nó là chỉ tương thích với những dòng xe sử dụng phun xăng điện tử, hoặc vẫn chưa được tối ưu hoá để sử dụng linh hoạt với mọi loại xăng sinh học nên chỉ vận hành ổn định trong một số loại xăng có tỷ lệ pha trộn ethanol nhất định. Thêm vào đó, nếu đổ một loại xăng có hàm lượng ethanol khác với phần nhiên liệu cũ trong hệ thống, động cơ sẽ hoạt động không ổn định và dễ hư hỏng.
“Chúng tôi bắt đầu nghĩ đến việc cần phải có một hệ thống cung cấp xăng sinh học trên xe máy sử dụng bộ chế hoà khí phù hợp để có thể sử dụng xăng sinh học với nồng độ ethanol bất kỳ, cho phép động cơ sử dụng linh hoạt các loại nhiên liệu sinh học khác nhau” - TS. Nguyễn Duy Vinh giải thích xuất phát điểm để nhóm anh nảy ra ý tưởng mới.
Nút thắt chênh lệch nhiệt trị và tỷ lệ không khí/nhiên liệu (A/F) giữa xăng và ethanol
Một giải pháp giúp chúng ta sử dụng xăng sinh học linh hoạt mà không bị giới hạn bởi bất kỳ loại động cơ nào? Sẽ không phải nói quá khi cho rằng đó là một ý tưởng đầy thách thức, đòi hỏi người nghiên cứu phải am hiểu về các loại động cơ, tính chất của các nhiên liệu khác nhau. “Quả thật, để chế tạo được hệ thống cung cấp nhiên liệu cho các loại động cơ xăng chạy với nhiên liệu xăng pha ethanol với nồng độ ethanol khác nhau, người nghiên cứu cần có kiến thức về đặc tính làm việc của động cơ đốt trong cũng như tính chất của hỗn hợp xăng pha ethanol”, TS. Nguyễn Duy Vinh chia sẻ. “Chúng tôi đã có nhiều năm nghiên cứu phát triển động cơ đốt trong cũng như thử nghiệm nhiên liệu, đó là một lợi thế rất lớn”.
Bản vẽ minh hoạ nguyên lý của hệ thống chuyển đổi
Nhờ những kết quả được kế thừa từ các nghiên cứu trước đây, nhóm đã nắm bắt được cốt lõi của bài toán chuyển đổi. “Về bản chất, nhiệt trị của nhiên liệu ethanol (khoảng 27000 kJ/kg) nhỏ hơn khá nhiều so với xăng (khoảng 44000 kJ/kg). Do đó nếu lượng ethanol lớn sẽ làm giảm nhiệt trị của hỗn hợp nhiên liệu và qua đó làm giảm công suất của động cơ”, TS. Vinh phân tích điểm ‘bất hoà' giữa xăng và ethanol. Để giải quyết nút thắt này, nhóm cần phải tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ để đảm bảo công suất động cơ không thay đổi khi sử dụng xăng sinh học so với khi sử dụng xăng khoáng, từ đó khắc phục được nhược điểm nhiệt trị của ethanol thấp hơn nhiệt trị của xăng khoáng.
Làm thế nào để tính toán được lượng nhiên liệu cần cấp vào động cơ? “Trước khi được đưa vào hệ thống, xăng sinh học sẽ đi qua một cảm biến để xác định nồng độ ethanol có trong xăng. Cùng với thông tin này và các dữ liệu khác như nồng độ ethanol của xăng đã có sẵn trong bình, lượng nhiên liệu tiêu thụ khi động cơ làm việc với xăng khoáng v.v., bộ điều khiển trung tâm sẽ xử lý tính toán, gửi tín hiệu điều khiển lượng nhiên liệu phun bổ sung tuỳ theo chế độ làm việc của động cơ và nồng độ ethanol trong nhiên liệu”, TS. Nguyễn Duy Vinh mô tả cơ chế hoạt động của hệ thống. Nói cách khác, lượng cung cấp thêm sẽ được tính toán dựa trên nồng độ ethanol trong nhiên liệu. Khi hàm lượng ethanol càng cao thì lượng cấp thêm càng nhiều để bù lại lượng chênh lệch nhiệt trị giữa ethanol và xăng khoáng.
Như vậy, hệ thống vận hành sẽ bao gồm hai cấu kiện chính: bộ chế hoà khí nguyên bản của động cơ và bộ cung cấp nhiên liệu bổ sung. Bộ chế hoà khí nguyên bản của động cơ có nhiệm vụ duy trì chế độ hoạt động bình thường khi sử dụng xăng khoáng. Bộ cung cấp nhiên liệu bổ sung đóng vai trò cung cấp nhiên liệu bổ sung trong trường hợp nhiên liệu cung cấp cho động cơ là xăng sinh học chứa ethanol với hàm lượng bất kỳ.
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống này trên động cơ của một số loại xe máy phổ biến là Honda Wave RSX sản xuất năm 2014, Honda Wave alpha sản xuất năm 2013 với xăng E20, E30, E60 và E90. Kết quả cho thấy, khả năng gia tốc của xe tương đương với khi chạy nhiên liệu xăng khoáng. Đáng chú ý, xe chạy bằng xăng sinh học có hiệu suất cao hơn so với chạy bằng xăng khoáng tại phần lớn các chế độ hoạt động của động cơ; nồng độ các chất phát thải giảm rõ rệt, đặc biệt là khí thải HC và CO. “Việc chuyển đổi này sẽ mang lại lợi ích kinh tế và góp phần quan trọng trong việc giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch truyền thống", anh bày tỏ sự lạc quan. Nhờ đó, hệ thống cung cấp xăng sinh học trên xe máy sử dụng bộ chế hoà khí đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp Bằng độc quyền giải pháp hữu ích số 2-0002834 được công bố vào ngày 25/03/2022.
Phù hợp với mọi loại xe máy
Dường như hệ thống này đã đáp ứng đầy đủ tiêu chí tiện lợi khi có tuỳ chỉnh với nhiều loại động cơ và loại xăng khác nhau, nhưng liệu nó dễ lắp đặt để nhân rộng ra không? “Thiết bị bổ sung thực sự nhỏ gọn, lắp ráp dễ dàng với mọi chiếc xe máy bất kỳ mà không ảnh hưởng nhiều tới các chi tiết động cơ nguyên bản", TS. Nguyễn Duy Vinh nhanh chóng xoá bỏ sự ngờ vực, “tuy nhiên giá thành hiện tại còn khá cao do sản xuất đơn chiếc, nhóm nghiên cứu vẫn đang tìm các giải pháp để giảm giá thành sản phẩm”.
Hiện tại, Việt Nam vẫn đang áp dụng xăng E5 trên thị trường. Nồng độ 5% ethanol trong hỗn hợp vẫn còn khá nhỏ, do vậy hoạt động của động cơ không bị ảnh hưởng nhiều và không cần thay đổi hệ thống nhiên liệu. Do đó, nếu muốn chuyển giao và mở rộng sản xuất hệ thống, nhóm nghiên cứu sẽ còn phải chờ đợi một thời gian dài khi Việt Nam phổ biến nhiên liệu sinh học với nồng độ cao hơn (đặc biệt khi nồng độ ethanol cao hơn 20%).
“Chờ đợi không phải là một vấn đề lớn. Chúng tôi thật ra đã bắt đầu thực hiện nghiên cứu từ năm 2012 - thời điểm giá xăng dầu trong nước khá cao và Việt Nam khi đó vẫn chưa có tiêu chuẩn cụ thể cho nhiên liệu sinh học như xăng pha ethanol hay biodiesel”, TS Nguyễn Duy Vinh nhớ lại. “10 năm đã qua, chúng tôi vẫn đang trong quá trình hoàn thiện nghiên cứu bằng cách tiếp tục đánh giá độ bền, độ ổn định của hệ thống cung cấp nhiên liệu khi nhiệt độ môi trường thay đổi, đặc biệt khi nhiệt độ thấp trong mùa đông hay trong điều kiện xe vận hành ở các vùng núi cao.” Thậm chí, nhóm đang ấp ủ dự định hướng tới chế tạo mới hoàn toàn bộ “kit” hệ thống nhiên liệu cho các loại xe máy khác nhau sử dụng nhiên liệu ethanol có nồng độ khác nhau, thay thế hoàn toàn hệ thống nhiên liệu cũ được trang bị cho xe máy chạy xăng truyền thống.