Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, tập trung vào việc hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tô như LPG,
Trang 1ễ Tễ HYBRID CỠ NHỎ, PHƯƠNG TIỆN GIAO THễNG
CÁ NHÂN TƯƠNG LAI PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN
VIỆT NAM
SMALL SIZE HYBRID CAR, APPROPRIATE FUTURE INDIVIDUAL
VEHICLE IN VIETNAM
BÙI VĂN GA
Đại học Đà Nẵng
HỒ SĨ XUÂN DIỆU
NCS khoỏ 2004-2007, Ngành Kỹ thuật Động cơ Nhiệt
NGUYỄN QUÂN
NCS khoỏ 2005-2008, Ngành Kỹ thuật Động cơ Nhiệt
TểM TẮT
Việt Nam bắt đầu ỏp dụng tiờu chuẩn khớ thải EURO2 từ ngày 1 thỏng 7 năm 2007 Mặc dự đõy là tiờu chuẩn rất thấp nhưng cũng đó đặt ra nhiều vấn đề khú khăn về nhiờn liệu, cụng nghệ, Dưới ỏp lực ngày càng tăng của cụng tỏc bảo vệ mụi trường, tiờu chuẩn khớ thải của nước ta chắc chắn sẽ ngày càng được siết chặt thờm Bài bỏo phõn tớch viễn ảnh phỏt triển của phương tiện cơ giới và năng lượng trờn thế giới để đề xuất mụ hỡnh phương tiện giao thụng cỏ nhõn phự hợp với Việt Nam cũng như những kết quả nghiờn cứu bước đầu về loại phương tiện này
ABSTRACT
EURO 2 regulation will be applied in Vietnam from the 1st July 2007 Although it is an easy regulation, it raises a lot of problems in terms quality of fuel and technology Under pressure of environment protection laws, emission regulation in our country should certainly be more and more strict Based on the analysis of development of future vehicles and perspective of energy resources in the world, this paper suggests a model of appropriate individual car for Vietnam and presents some initial results in the study of this vehicle
1 Giới thiệu
Sự phát triển các phương tiện giao thông ở
các khu vực trên thế giới nói chung không giống
nhau nhưng đều có xu thế chung là từng bước ô tô
hóa dần các quãng đường dịch chuyển Các chuyên
gia kinh tế cho rằng thị trường ô tô tiềm năng trong
thế kỷ 21 sẽ dịch chuyển từ các nước Đông âu và
Châu Mỹ La Tinh sang các nước Đông Nam á,
Trung á và cuối cùng là Châu Phi Theo dự báo, số
lượng ô tô ở Châu á Thái Bình Dương sẽ tăng từ 0,7
chiếc/1000 người dân năm 1985 đến 10 chiếc/1000
người dân năm 2020 và 20 chiếc/1000 người dân
vào năm 2060 Số lượng ô tô phụ thuộc vào thu
nhập đầu người Thường thị trường ô tô bắt đầu phát
triển khi GDP của vùng lãnh thổ khoảng 2000 USD
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Hoa Kỳ
ú c
ý Anh Tây Ban Nha
Aix-len
Đ ài Loan Hàn Quốc
Brazil
Trung Quốc
Hà Lan Đ an Mạ ch
Na Uy Thụy Sĩ Nhật Bản
Đ ức Phá p
GDP/ngư ời dân/1000 (USD)
Hình 1 Quan hệ giữa GDP và số lượng ô tô
Trang 2Sự gia tăng mật độ ô tô dẫn đến hai vấn đề lớn cần giải quyết đó là sự quá tải của cơ sở hạ tầng
và ô nhiễm môi trường Sự phát triển ngành giao thông vận tải và công nghiệp chế tạo ô tô của hầu hết các nước đều được thực hiện theo định hướng làm giảm nhẹ sự tác động của hai vấn đề này đến kinh tế-xã hội
Giải quyết vấn đề cơ sở hạ tầng giao thông một mặt liên quan đến công tác qui hoạch đô thị, nâng cấp hệ thống giao thông, mở rộng đường, thiết kế tốt các nút giao thông, xây dựng các bãi đậu xe và mặt khác, cần phải lựa chọn kích cỡ ô tô phù hợp
Kích cỡ và kiểu dáng ô tô đã có sự thay đổi rất đáng kể trong
thế kỷ qua và dường như theo qui luật "đường xoắn trôn ốc"
Thật vậy ngày nay người ta lại tìm thấy những ô tô mới nhất
có kiểu dáng như ô tô "2 chevaux" (thường gọi là xe con cóc)
kích thước nhỏ gọn của các hãng ô tô nổi tiếng trên thế giới
sản xuất Người ta ưu tiên chọn ô tô nhỏ bởi lẽ chúng gọn
nhẹ, chiếm ít không gian trong garage và thuế lưu hành thấp
Chính vì vậy, những chủng loại xe như Peugeot 205, Renault
Twingo, Ford KA, BMW "2 chevaux" thuộc loại ô tô bán
chạy nhất ở Châu Âu Mới đây trên thị trường ô tô thế giới
xuất hiện những chủng loại ô tô có kích thước rút gọn hai chỗ
ngồi SMART (hình 2) Trên thị trường Châu á, các nhà chế
tạo ô tô cũng rất quan tâm đến việc sản xuất các loại ô tô cỡ
nhỏ Ô tô Matiz của Daewoo là một ví dụ điển hình
Về mặt hạn chế ô nhiễm
môi trường, các nhà sản xuất ô tô
không ngừng nghiên cứu nâng cao
chất lượng sản phẩm của mình để
thích nghi với các tiêu chuẩn phát
thải ô nhiễm ngày càng trở nên
nghiêm ngặt Các nước phát triển
hiện đang áp dụng tiêu chuẩn phát
thải ô nhiễm EURO4 và đang
hướng về tiêu chuẩn EURO5,
nghiêm ngặt hơn Nước ta từ trước
đến giờ chưa qui định tiêu chuẩn cụ
thể Kể từ ngày 1 tháng 7 năm
2007, nước ta áp dụng tiêu chuẩn
EURO2 (hình 3) Mặt dù tiêu
chuẩn này còn rất thấp nhưng việc
áp dụng nó cũng đã đặt ra nhiều
vấn đề về nhiên liệu và kỹ thuật
động cơ Giả sử rằng các phương tiện cơ giới của chúng ta đạt được tiêu chuẩn khí thải này thì mức độ phát ô nhiễm của chúng cũng còn rất cao so với các nước phát triển Vì vậy cần phải nghiên cứu các giải pháp về phương tiện giao thông “sạch” khả dĩ hạn chế mức độ phát thải mà không cần đến các loại
động cơ thế hệ mới
2 Xu hướng phát triển ô tô sạch
Ô tô sạch không gây ô nhiễm (Zero emission) là mục tiêu hướng tới của các nhà nghiên cứu và chế tạo ô tô ngày nay Có nhiều giải pháp đã được công bố trong những năm gần đây, tập trung vào việc hoàn thiện quá trình cháy động cơ Diesel, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, ethanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô lai (hybrid) Xu hướng phát triển ô tô sạch có thể tổng hợp như sau:
+ Hoàn thiện động cơ diesel:
HC g/km
0,98 0,71 0,56 0,30
0,025 0,05 0,08
Hạ t rắn g/km
EURO 1
EURO 2 EURO 3 EURO 4
EURO 5
Hình 3 Tiêu chuẩn phát thải ô nhiễm của ô tô
Hình 2 Ô tô cỡ nhỏ của hãng Smart
Trang 3Các kỹ thuật mới để hoàn thiện động cơ diesel đã cho phép nâng cao rõ rệt tính năng của nó bao gồm áp dụng hệ thống phun ray chung (common rail) điều khiển điện tử, lọc bồ hóng và xử lý khí trên đường xả bằng bộ xúc tác ba chức năng, hoặc nâng cao chất lượng nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp Việc dùng động cơ diesel sử dụng đồng thời nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng (dual fuel) cũng là một giải pháp nâng cao tính năng của động cơ diesel
+ Ô tô chạy bằng các loại nhiên liệu lỏng thay thế:
Các loại nhiên liệu lỏng thay thế quan tâm hiện nay là cồn, colza, có nguồn từ thực vật Do thành phần C trong nhiên liệu thấp nên quá trình cháy sinh ra ít chất ô nhiễm có gốc carbon, đặc biệt là giảm CO2, chất khí gây hiệu ứng nhà kính Ngày nay việc ứng dụng các loại nhiên liệu lỏng thay thế trên phương tiện vận tải nói chung và trên xe buýt nói riêng vẫn còn rất hạn chế do giá thành của nhiên liệu còn cao Tuy nhiên giải pháp này có lợi ở những nơi mà nguồn nhiên liệu này dồi dào hoặc các loại nhiên liệu trên được chiết xuất từ các chất thải của quá trình sản xuất công nghiệp
Một loại nhiên liệu lỏng thay thế khác mới đây được công bố là Dimethyl ether (DME) được chế tạo từ khí thiên nhiên Đây là loại nhiên liệu thay thế cực sạch có thể dùng cho động cơ diesel giống như LPG Thử nghiệm trên ô tô cho thấy, ô tô dùng DME có mức độ phát ô nhiễm thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn ô tô phát ô nhiễm cực thấp California ULEV Nếu việc sản xuất DME trên qui mô công nghiệp thành hiện thực thì trong tương lai nó sẽ là nhiên liệu lỏng lý tưởng nhất vì khí thiên nhiên phân
bố đều khắp trên trái đất và có trữ lượng tương đương dầu mỏ
+ Ô tô chạy bằng khí thiên nhiên:
Sử dụng ô tô chạy bằng khí thiên nhiên là một chính sách rất hữu ích về năng lượng thay thế trong tương lai, đặc biệt về phương diện giảm ô nhiễm môi trường trong thành phố Cho tới nay có hai giải pháp sử dụng khí thiên nhiên trên xe buýt, đó là khí thiên nhiên dưới dạng khí và khí thiên nhiên dưới dạng lỏng Một trong những khó khăn khiến cho nguồn năng lượng này chưa được áp dụng rộng rãi trên phương tiện vận tải là vấn đề lưu trữ khí thiên nhiên (dạng khí hay dạng lỏng) trên ô tô Ngày nay việc chế tạo bình chứa khí thiên nhiên đã được cải thiện nhiều cả về công nghệ lẫn vật liệu, chẳng hạn sử dụng bình chứa composite gia cố bằng sợi carbon
+ Ô tô chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG:
Khí dầu mỏ hóa lỏng LPG ngày càng trở nên là loại nhiên liệu ưa chuộng để chạy ô tô ngoài những đặc điểm nổi bật về giảm ô nhiễm môi trường nó còn có lợi thế về sự thuận tiện trong chuyển đổi
hệ thống nhiên liệu Việc chuyển đổi ô tô chạy bằng nhiên liệu lỏng sang dùng LPG có thể được thực hiện theo ba hướng: sử dụng duy nhất nhiên liệu LPG, sử dụng hoặc xăng hoặc LPG, sử dụng đồng thời diesel và LPG (dual fuel) Việc tạo hỗn hợp LPG không khí có thể thực hiện bằng bộ chế hoà khí kiểu Venturie thông thường hay phun LPG trên đường nạp Những hệ thống phun mới đang được nghiên cứu phát triển là phun LPG dạng lỏng trong buồng cháy để tăng tính năng công tác của loại động cơ này Cũng như các loại nhiên liệu khí khác, việc lưu trữ LPG trên ô tô là vấn đề gây nhiều khó khăn nhất mặc dù áp suất hóa lỏng của LPG thấp hơn rất nhiều so với khí thiên nhiên hay các loại khí khác Các loại bình chứa nhiên liệu LPG cũng được cải tiến nhiều nhờ vật liệu và công nghệ mới
+ Ô tô chạy bằng điện:
Ô tô chạy điện về nguyên tắc là ô tô sạch tuyệt đối (zero emission) đối với môi trường không khí trong thành phố Nguồn điện dùng để chạy ô tô được nạp vào accu do đó quãng đường hoạt động
độc lập của ô tô phụ thuộc vào khả năng tích điện của accu Nếu nguồn điện được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái sinh (thủy điện, pin mặt trời ) thì ô tô dùng điện là loại phương tiện lý tưởng nhất
về mặt ô nhiễm môi trường Tuy nhiên nếu nguồn điện được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch thì ưu
điểm này bị hạn chế nếu xét về mức độ phát ô nhiễm tổng thể Ngày nay ô tô chạy bằng accu đã đạt
được những tính năng vận hành cần thiết giống như ô tô sử dụng nhiên liệu lỏng truyền thống
+ Ô tô chạy bằng pin nhiên liệu:
Một trong những giải pháp của nguồn năng lượng sạch cung cấp cho ô tô trong tương lai là pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là hệ thống điện hóa biến đổi trực tiếp hóa năng trong nhiên liệu thành điện
Trang 4năng Pin nhiên liệu trước đây chỉ được nghiên cứu để cung cấp điện cho các con tàu không gian nhưng ngày nay pin nhiên liệu đã bước vào giai đoạn thương mại hóa để cung cấp năng lượng cho ô tô Do không có quá trình cháy xảy ra nên sản phẩm hoạt động của pin nhiên liệu là điện, nhiệt và hơi nước Vì vậy có thể nói ô tô hoạt động bằng pin nhiên liệu là ô tô sạch tuyệt đối theo nghĩa phát thải chất ô nhiễm trong khí xả Ô tô chạy bằng pin nhiên liệu không nạp điện mà chỉ nạp nhiên liệu hydrogen Khó khăn vì vậy liên quan đến lưu trữ hydro dưới áp suất cao hoặc trong vật liệu hấp thụ trên phương tiện vận tải
+ Ô tô lai (hybrid):
Ô tô lai là loại ô tô sử dụng ít nhất hai nguồn sức kéo bổ sung cho nhau Trong khi các giải pháp sử dụng ô tô chạy hoàn toàn bằng điện còn nhiều bất cập thì ô tô lai sử dụng động cơ điện và động cơ nhiệt tỏ ra có nhiều ưu thế nhất Ô tô lai dạng
này sử dụng động cơ điện một chiều chạy bằng
accu được nạp điện bằng điện lưới khi ô tô dừng
và nạp điện bổ sung từ cụm động cơ nhiệt-mát
phát điện một chiều bố trí trên xe Ô tô lai được
nghiên cứu từ những năm 1990 Đến năm 1997,
chiếc ô tô lai đầu tiên Toyota Prius ra đời tại Nhật
Bản Hiện nay trên thị trường thế giới đã xuất hiện
ô tô lai với các nhãn hiệu khác nhau: Honda
Insight, Honda Civic, Toyota Prius với giá cả
cạnh tranh với ô tô truyền thống
Động cơ nhiệt sử dụng trên ô tô lai chỉ cung cấp
năng lượng bổ sung nên có công suất bé Động cơ
nhiệt ở đây có thể là động cơ Diesel hiện đại với
hệ thống lọc bồ hóng và xử lý khí xả hay động cơ
sử dụng nhiên liệu khí (khí thiên nhiên, khí dầu
mỏ hoá lỏng LPG) Lý tưởng nhất là ô tô lai sử
dụng động cơ điện một chiều và động cơ nhiệt
nạp điện bổ sung chạy bằng nhiên liệu khí (khí thiên nhiên hay khí dầu mỏ hóa lỏng) với bộ xúc tác ba chức năng lắp trên đường xả
3 Ô tô cá nhân ở Việt Nam
Theo đánh giá của các nhà chuyên môn, tiềm năng phát triển ô tô ở nước ta là rất lớn, đặc biệt
là các loại ô tô có giá cả ở mức độ thấp và trung bình Trong điều kiện cơ sở hạ tầng phục vụ cho giao thông ở nước ta chưa được phát triển, nhà ở thành phố chật hẹp, bãi đậu xe chưa được xây dựng, các loại ô tô cá nhân cỡ lớn sẽ gây nhiều phiền hà cho công tác tổ chức giao thông cũng như cho người sử dụng Vì vậy việc xác định một kiểu dáng xe phù hợp với cơ sở hạ tầng và thỏa mãn các tiêu chí về mức
độ phát ô nhiễm ở nước ta là rất cần thiết Ô tô cá nhân ở nước ta trước hết phải là phương tiện đi lại thông dụng có thể thay thế xe gắn máy Vì vậy ô tô phải gọn nhẹ có tốc độ và quãng đường hoạt động tương đương với xe gắn máy nhưng an toàn và tiện nghi hơn, đặc biệt là tránh mưa nắng và bụi trên
đường Giá thành của xe phải thấp để đại bộ phận người dân có nhu cầu có thể mua sắm Trong bối cảnh đó thì ô tô cỡ nhỏ hai chỗ ngồi là phù hợp với nước ta nhất
Về hệ thống động lực của ô tô, từ những phân tích trên đây chúng ta thấy xu thế phát triển tương lai của ô tô là hướng về ô tô sinh thái, trong đó ô tô lai kết hợp dẫn động giữa động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ điện có ưu thế lớn nhất hiện nay Để đón đầu sự phát triển này, chúng ta chọn hệ thống động lực của ô tô Việt Nam theo kiểu lai điện-nhiệt, trong đó động cơ điện chạy bằng accu và
động cơ nhiệt chạy bằng khí thiên nhiên (NGV) hay khí gas hóa lỏng (LPG)
Sử dụng hệ thống động lực như trên đối với ô tô cá nhân ở nước ta sẽ mang lại lợi ích về nhiều mặt Thật vậy, phần lớn điện năng của chúng ta được sản xuất bằng thủy điện (năng lượng tái sinh) không có khí thải gây ô nhiễm Khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hoá lỏng là sản phẩm của quá trình khai
Hình 4 Xu hướng phát triển ô tô sạch
Trang 5thác dầu khí Trữ lượng dầu thô của nước ta không lớn nhưng trữ lượng khí thiên nhiên còn rất dồi dào Hiện nay chúng ta đã khai thác các mỏ khí thiên nhiên ở phía nam để sản xuất điện, đạm Chúng ta có nhà máy sản xuất ga Dinh Cố và nhà máy lọc dầu số 1 ở Dung Quốc sẽ hoạt động trong những năm tới Vì vậy khả năng độc lập nhiên liệu khí của chúng ta sẽ rất lớn
4 Kết quả nghiên cứu bước đầu về ô tô hybrid hai chỗ ngồi ở Việt Nam
Nhóm nghiên cứu “phương tiện giao thông sạch” của Đại học Đà Nẵng đã tiến hành nghiên cứu lắp đặt hệ thống động lực cho ô tô hybrid hai chỗ ngồi được cung cấp năng lượng từ hai nguồn: động cơ
điện chạy bằng accu và động cơ nhiệt chạy bằng khí dầu mỏ hóa lỏng LPG Sơ đồ hệ thống động lực như trình bày trên hình 5
Hình 5 Sơ đồ hệ thống động lực ô tô hybrid điện-LPG hai chỗ ngồi
Trên sơ đồ hình 5, động cơ điện có công suất 3kW được cung cấp điện từ nguồn accu có sức
điện động 48V Động cơ nhiệt có dung tích xi lanh 125cm3 nguyên thủy lắp trên xe gắn máy tay ga
được chuyển đổi sang chạy bằng LPG nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu GA-6 Hai nguồn động lực trên có thể cung cấp cho cầu chủ động của ô tô một cách riêng rẽ hay phối hợp Tốc độ cực đại của
ô tô đạt 35km/h khi chỉ chạy bằng động cơ điện, đạt 45km/h khi chỉ chạy bằng động cơ LPG và đạt 65km/h khi chạy bằng cả hai nguồn động lực Hình 6 giới thiệu ảnh chụp hệ thống động lực của ô tô hybrid sau khi lắp đặt xong Hình 7 là ảnh chụp của xe khi đang chạy thử nghiệm
Các tính năng của ô tô như trên phù hợp với điều kiện vận hành trong thành phố Mức độ phát ô nhiễm của ô tô đạt đến mức lý tưởng: ô tô hoàn toàn không phát ô nhiễm khi chạy bằng điện và khi chạy bằng LPG, mức độ phát ô nhiễm của xe chỉ bằng khoảng 20% mức độ phát ô nhiễm của một xe gắn máy
Động cơ
điện
Động cơ
nhiệt LPG
Hộp
vi sai Accu
LPG
Hình 6 Lắp đặt hệ thống động lực lên ô tô hybrid hai
chỗ ngồi
Hình 7 Chạy thử ô tô hybrid 2 chỗ ngồi
Trang 65 Kết luận
- Tiêu chuẩn phát thải ô nhiễm của Việt Nam hiện nay còn rất thấp so với các nước phát triển Bằng cách đi truyền thống (cải thiện động cơ, nâng cao chất lượng nhiên liệu), Việt Nam khó có thể
đuổi kịp các nước phát triển về hạn chế ô nhiễm môi trường
- Giải pháp khả thi nhất là sớm sử dụng nhiên liệu “sạch”, chủ yếu là nhiên liệu khí (khí thiên nhiên NGV, khí dầu mỏ hóa lỏng LPG) trên ô tô, xe gắn máy hybrid để đạt được mức độ phát thải ô nhiễm lý tưởng
- Sử dụng nhiên liệu khí còn có ý nghĩa quan trọng trong chiến lược năng lượng quốc gia khi
mà trữ lượng dầu thô của nước ta sắp cạn kiệt và trữ lượng khí thiên nhiên còn rất dồi dào
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] BUI VAN GA, NGUYEN QUAN: Thiết kế bố trớ hệ thống động lực trờn ụ tụ hybrid 2
chỗ ngồi Tạp chớ Khoa học và Cụng nghệ-Đại học Đà Nẵng, số 4(8)/2004, pp 4-8
[2] BUI VAN GA: Xe gắn mỏy sạch Tạp chớ Giao thụng Vận tải số 1+2-2005, pp 75-77
[3] BUI VAN GA, NGUYEN QUAN: ễ tụ hybrid (lai) Việt Nam Khoa học và Phỏt triển,
số 109+110-2005, pp 28-32
[4] BUI VAN GA, NGUYEN QUAN: Nghiờn cứu hệ thống động lực cho ụ tụ hybrid (lai)
Việt Nam Tạp chớ Giao thụng Vận tải, số 3-2005, pp 58-60
[5] BUI VAN GA, NGUYEN QUAN, HO SI XUAN DIEU: A study of Power Train
System for Vietnamese Hybrid Car Paper 044, International Conference on Automotive Technology for Vietnam, ICAT 2005 Hanoi, October 22-24, 2005
