Ô tô hybrid cỡ nhỏ, phương tiện giao thông cá nhân tương lai phù hợp với điều kiện Việt Nam

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 trở lên (hình 1).

Sự 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:

Các 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 CO ₂, 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 năng. 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 thác 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.

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 125cm ³nguyên 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.

5. 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./.