Động cơ hydro tiếp tục là một trong những cuộc đặt cược trong tương lai của ngành công nghiệp ô tô. Hoạt động của nó đã mang lại cho nó một loạt lợi thế, giữ cho nó tồn tại nổi bất chấp những thất bại của nó. Để đạt được mục tiêu này, Toyota, BMW, Mazda, Hyundai, Ford và các thương hiệu khác đã đầu tư rất nhiều vào công nghệ này. Động cơ sử dụng hydro bao gồm động cơ đốt trong và động cơ chuyển đổi pin nhiên liệu. Nhiều người không biết động cơ hydro hoạt động như thế nào và những ưu nhược điểm tương ứng của chúng.
Vì lý do này, chúng tôi sẽ dành bài viết này để cho bạn biết cách hoạt động của động cơ hydro từng bước, đặc điểm của nó là gì và tầm quan trọng của nó đối với thế giới động cơ.
Động cơ đốt cháy hydro hoạt động như thế nào?
Những động cơ này sử dụng hydro làm xăng. Tức là chúng đốt cháy nó trong buồng đốt để tạo ra một vụ nổ (động năng và nhiệt lượng). Vì lý do này, động cơ xăng thông thường có thể được điều chỉnh để đốt cháy hydro ngoài LPG hoặc CNG.
Hoạt động của động cơ này rất giống với động cơ xăng. Hydro được sử dụng làm nhiên liệu và oxy làm chất oxy hóa. Phản ứng hóa học được bắt đầu bằng tia lửa điện và bugi có thể tạo ra tia lửa điện. Hydro không có nguyên tử cacbon, vì vậy phản ứng là hai phân tử hydro kết hợp với một phân tử oxy, giải phóng năng lượng và nước.
Kết quả của phản ứng hóa học của nó chỉ đơn giản là hơi nước. Tuy nhiên, động cơ đốt cháy hydro tạo ra một số khí thải trong quá trình hoạt động của chúng. Ví dụ, một lượng nhỏ NOx từ không khí và nhiệt từ buồng đốt, hoặc khí thải do đốt cháy một số dầu qua các vòng piston.
Vì hydro là một chất khí, nó được chứa trong một bình có áp suất 700 bar. Mức này cao hơn áp suất lốp ô tô thông thường từ 350 đến 280 lần. (2 đến 2,5 bar). Mặc dù cũng có những chiếc xe lưu trữ hydro ở dạng lỏng ở nhiệt độ rất thấp, như hình dưới đây.
Động cơ đốt cháy hydro cung cấp một số lợi thế thú vị so với động cơ đốt cháy thông thường. Ví dụ, về mặt lý thuyết, họ có thể sử dụng các hỗn hợp rất mịn (Lambda gần bằng 2). Đó là, chúng có thể sử dụng rất ít nhiên liệu để sử dụng tất cả không khí đi vào và trở nên rất hiệu quả.
Ví dụ về cách hoạt động của động cơ đốt cháy hydro
Một ví dụ điển hình về động cơ hydro là BMW 750hl, được tung ra thị trường vào năm 2000. Mặc dù nó thực sự là động cơ xăng BMW nhưng nó cũng có khả năng đốt cháy hydro.
Tuy nhiên, nó có một số nhược điểm: Thứ nhất, nó lưu trữ hydro ở dạng lỏng. Điều này đòi hỏi một chiếc xe tăng rất đắt tiền được làm từ vật liệu từ lĩnh vực hàng không vũ trụ để giữ nhiệt độ của nó dưới -250ºC. Điều này chỉ có thể đạt được trong vòng 12 đến 14 ngày, trong thời gian này hydro dần dần bay hơi và được giải phóng một cách an toàn vào khí quyển. Điều bất lợi thứ hai là bằng cách sử dụng hydro, bạn mất rất nhiều điện năng và hiệu quả. Chiếc BMW Hydrogen 7 sau đó từ năm 2005 đã giải quyết một phần những vấn đề này và tăng áp suất hydro lên 700 bar mà không giữ lạnh.
Một ví dụ điển hình khác là động cơ hydro Aquarius. Một động cơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch do một công ty Israel phát triển phù hợp với việc sử dụng hydro. Phiên bản chức năng đầu tiên được giới thiệu vào năm 2014 và kể từ đó một phiên bản sửa đổi và cải tiến đã xuất hiện. Theo các nhà phát triển, nó có thể hoạt động mà không cần dầu bôi trơn và có một hệ thống trao đổi khí để giảm phát thải NOx.
Ngoài ra, động cơ đốt trong hydro nhẹ và ít bộ phận nên giá thành rẻ. Nó có thể được sử dụng như một bộ mở rộng phạm vi cho xe điện hoặc như một máy phát điện cho mạng.
Động cơ pin nhiên liệu hydro hoạt động như thế nào?
Tên đầy đủ của nó là động cơ hydro chuyển đổi pin nhiên liệu. Mặc dù có từ “nhiên liệu”, chúng không đốt cháy hydro. Họ sử dụng nó để tạo ra điện thông qua quá trình ngược lại của quá trình điện phân. Đó là lý do tại sao chúng mang theo pin cho các phản ứng hóa học, như trong động cơ đốt cháy hydro, nơi hydro được chứa trong bình có áp suất 700 bar.
Nó chỉ là thay vì cung cấp cho động cơ, nó sẽ đi qua cực dương và cực âm (giống như pin) đến pin nhiên liệu. Khi đó, khí hydro (H2) đi qua màng và phân hủy nó thành hai ion hydro. Hiđro và hai êlectron tự do. Các electron này đi từ cực dương sang cực âm của pin thông qua mạch ngoài, tạo ra dòng điện. Các ion hydro được tạo ra kết hợp với oxy từ không khí để tạo thành nước.
Vì lý do này, động cơ pin nhiên liệu hydro không phát thải, vì nó không tạo ra NOx hoặc các khí sinh ra khi đốt dầu như động cơ đốt trong. Các màng chắn được sử dụng trong các động cơ này được làm từ bạch kim và đắt tiền. Tuy nhiên, có nhiều công việc để giải quyết chi phí cao này. Ví dụ, tại Đại học Kỹ thuật Berlin, họ đã phát triển một kế hoạch nhiệt thành mà nếu được đưa vào sản xuất, có thể giảm đáng kể chi phí.
Nhược điểm của động cơ hydro
- Chất xúc tác được sử dụng trong phản ứng hóa học của động cơ pin nhiên liệu hydro được làm từ vật liệu đắt tiền, chẳng hạn như bạch kim. Ít nhất là cho đến khi nó được thay thế bằng một giải pháp thay thế rẻ hơn, như cái được đề cập trong TU Berlin.
- Để thu được hydro, nó phải được thực hiện bằng các quá trình nhiệt hóa của nhiên liệu hóa thạch hoặc bằng cách điện phân nước, đòi hỏi tiêu thụ năng lượng. Sự chỉ trích chính đối với động cơ hydro, bởi vì điện năng có thể được lưu trữ trực tiếp trong pin của xe điện để sử dụng.
- Sau khi thu được hydro, phải được đưa vào một ô hoặc bình tích áp. Quá trình này cũng đòi hỏi chi tiêu năng lượng bổ sung.
- Pin hydro rất đắt tiền để sản xuất và phải rất bền để chịu được áp suất cao mà hydro phải được lưu trữ.
Ưu điểm của động cơ hydro
- Pin hydro nhẹ hơn pin xe điện. Đó là lý do tại sao việc sử dụng nó trong vận chuyển hạng nặng đang được nghiên cứu như một giải pháp thay thế cho xe tải chạy bằng pin. Để có thể bao phủ những khoảng cách xa, chúng rất nặng.
- Ngày nay, sạc hydro nhanh hơn sạc pin ô tô điện.
- Không giống như xe điện chạy bằng pin, xe chạy bằng pin nhiên liệu hydro không yêu cầu lượng pin lớn. Do đó, nó cần ít lithium hơn hoặc các vật liệu khác có thể bị thiếu hụt. Động cơ đốt trong hydro không trực tiếp yêu cầu pin lithium hoặc các loại pin tương tự khác.
- Pin nhiên liệu có thể kéo dài tuổi thọ của ô tô. Không giống như pin, đắt tiền để thay thế do kích thước và dung lượng của chúng. Pin liên kết với động cơ hydro nhỏ hơn và do đó ít tốn kém hơn để thay thế.
- So với động cơ nhiên liệu hóa thạch, động cơ pin nhiên liệu hydro sử dụng động cơ điện và do đó rất yên tĩnh.
Tự chủ
Nhược điểm của động cơ hydro là thùng chứa hoặc pin nhiên liệu của chúng phải chứa hydro ở áp suất rất cao. Vì vậy, điểm cung cấp cũng phải tuân theo áp suất 700 bar mà nó hỗ trợ.
Điều này đòi hỏi phải xây dựng cơ sở hạ tầng cung ứng để có thể tiếp nhiên liệu cho loại phương tiện này. Điều đó nói rằng, nó có những vấn đề tương tự như xe điện thuần túy. Tuy nhiên, hoạt động tiếp nhiên liệu nhanh hơn nhiều so với những hoạt động này, vì nó giống với xe chạy bằng LPG hoặc GLC.
Ô tô hiện được trang bị động cơ pin nhiên liệu hydro có phạm vi hoạt động tương tự như xăng. Ví dụ, Toyota Mirai công bố 650 km với đầy pin, Hyundai Nexo 756 km và BMW iX5 Hydrogen 700 km.
Những chiếc khác như Hopium Machina đã công bố tầm hoạt động 1.000 km, mặc dù con số đó bây giờ sẽ phải được xác nhận khi nó xảy ra. Trong mọi trường hợp, quyền tự chủ không quan trọng bằng pin, vì việc tiếp nhiên liệu nhanh hơn nhiều. Điều cần lưu ý là số điểm nhiên liệu.
Họ an toàn?
Các thương hiệu đã nghiên cứu loại động cơ này trong nhiều năm để cải thiện hiệu suất, giảm chi phí và tất nhiên, làm cho chúng an toàn như động cơ chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.
Ngoài ra, các tiêu chuẩn an toàn theo yêu cầu của Châu Âu, Hoa Kỳ và Nhật Bản là đảm bảo an toàn cho các phương tiện chạy bằng hydro. Không cần phải nói, Toyota chào hàng rằng bình xăng của Mirai đủ cứng để chống đạn.
Liệu chúng ta có thấy một ngày mà tất cả ô tô đều chạy bằng hydro không? Thời gian sẽ hiển thị tất cả mọi thứ. Rõ ràng là các thương hiệu vẫn tiếp tục đầu tư và nó có một số lợi thế khiến nó trở thành một giải pháp thay thế hợp lý cho phương tiện vận tải không phát thải.
Tôi hy vọng rằng với những thông tin này, bạn có thể hiểu thêm về cách hoạt động của động cơ hydro, đặc điểm, ưu điểm và nhược điểm của nó.
