CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Nhiên liệu và ô nhiễm môi trường Theo số liệu thống kê cuối năm 2011, số xe ô tô trên thế giới có khoảng trên 1,015 tỷ xe đang lưu hành, tăng 3,6% so với con số 980 triệu xe vào cuối năm 2009 và chủ yếu tập trung ở các nước phát triển như Mỹ (239,8 triệu xe), Trung Quốc (78 triệu xe), Nhật Bản (73,9 triệu xe). Tính trung bình, cứ 6,75 người lại có một người đang sở hữu ô tô.
Ở Việt Nam, số lượng ô tô đang tăng rất mạnh. Tính tới tháng 3 năm 2009 thì số lượng ô tô tại Việt Nam là khoảng 990 nghìn chiếc và tập trung chủ yếu ở hai thành phố lớn là TP Hồ Chí Minh và Thủ đô Hà Nội như trên hình 1. Theo thống kê mới nhất của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng xe ô tô tính đến tháng 6 năm 2011 là 1,428 triệu xe [2]. Số lượng ô tô và xe máy hoạt động hàng năm của Việt Nam Với tốc độ tăng trung bình khoảng 10% số lượng xe ô tô như hiện nay chính là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường cũng như lượng tiêu thụ nhiên liệu.
Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2011, hoạt động giao thông đóng góp gần 85% lượng khí CO, 95% lượng VOCs trên toàn quốc và chiếm khoảng 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 70% nguồn gây ô nhiễm không khí ở các khu đô thị lớn thể hiện trên hình 1. Tỷ lệ phát thải các khí gây ô nhiễm theo các nguồn phát thải chính của Việt Nam năm 2011 Tại các đô thị, giao thông vận tải là nguồn gây ô nhiễm lớn nhất đối với không khí, đặc biệt là sự phát thải các khí CO, VOC, NO2. Lượng khí thải này tăng lên hàng năm cùng với sự phát triển về số lượng và các phương tiện giao thông đường bộ như trên hình 1. Lượng khí thải CO do các phương tiện cơ giới đường bộ gây ra 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xét trên từng phương tiện tham gia giao thông thì lượng khí thải từ xe máy là tương đối nhỏ, trung bình một xe máy xả ra lượng khí thải chỉ bằng 1/4 so với xe ô tô con.
Tuy nhiên do số lượng xe máy tham gia giao thông chiếm tỷ lệ lớn hơn và chất lượng nhiều loại xe đã xuống cấp nên xe máy vẫn là nguồn đóng góp chính các loại khí ô nhiễm, đặc biệt đối với các khí thải như CO và VOCs. Trong khi đó, xe tải và xe khách các loại lại thải nhiều SO2 và NO2 (Hình 1. Tỷ lệ phát thải các chất ô nhiễm do các phương tiện cơ giới đường bộ gây ra Với mật độ các loại phương tiện giao thông lớn, chất thải các loại phương tiện giao thông kém và hệ thống giao thông chưa tốt thì lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường không khí từ giao thông vận tải đang có xu hướng gia tăng. Xe ô tô, xe máy ở Việt Nam bao gồm nhiều chủng loại.
Nhiều xe đã qua nhiều năm sử dụng nên có chất lượng kỹ thuật thấp, có mức tiêu thụ nhiên liệu và nồng độ chất độc hại trong khí xả cao, tiếng ồn lớn. Ngay tại các thành phố lớn, tỷ lệ những xe đã qua sử dụng nhiều năm vẫn cao thể hiện trong hình 1. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tỷ lệ ô tô, xe máy theo số năm sử dụng tại Hà Nội năm 2011 Vì vậy với điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông, số lượng, chất lượng các phương tiện giao thông như ở Hà Nội nói riêng và Việt Nam nói chung thì vấn đề tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường do khí thải gây ra vẫn đang là một trong những vấn đề được Nhà nước, các tổ chức quan tâm nhất để cải thiện môi trường cũng như năng lượng.
Trong những năm qua, Nhà nước phải dùng ngân sách để bù lỗ cho xăng dầu để đảm bảo ổn định giá mặt hàng thiết yếu này nhằm ổn định giá cả của các mặt hàng khác. Tuy nhiên hiện nay giá dầu thô trên thế giới không ổn định, vì thế Nhà nước không còn khả năng bù lỗ, giá xăng dầu đã tăng và trong tương lai, mức độ tăng giá xăng dầu sẽ ngày càng mạnh mẽ hơn do nguồn dự trữ dầu thô đã cạn kiệt. Việc sử dụng nhiên liệu khí thay cho nhiên liệu lỏng truyền thống là giải pháp hữu hiệu nhằm giảm bớt sự lệ thuộc vào dầu mỏ hiện nay. Với sự phát triển của ngành công nghiệp hiện đại, khoa học ngày càng được cải tiến để phù hợp với nhu cầu của thời đại, ngành công nghiệp ô tô vẫn không ngừng phát triển, tìm tòi các công nghệ mới để áp dụng trên ô tô phù hợp xu thế của ngày nay là bảo vệ môi trường và tiết kiệm nhiên liệu.
8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tổng quan về phát triển nguồn động lực cho phương tiện giao thông Sự phát triển các phương tiện giao thông ở các khu vực trên thế giới nói chung không giống nhau, mỗi nước có một quy định riêng về nồng độ phát thải khí thải của xe, nhưng đều có xu hướng là từng bước cải tiến và chế tạo ra xe điện. Điều đó càng trở nên cấp thiết khi mà nguồn tài nguyên dầu mỏ hiện nay ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá dầu tăng cao mà nguồn thu nhập của người dân lại tăng không đáng kể. Các xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch đều đang tràn ngập trên thị trường và là một trong số những tác nhân lớn gây ô nhiễm môi trường, làm cho bầu khí quyển ngày một xấu đi, hệ sinh thái thay đổi.
Vì thế việc tìm ra phương án để giảm tối thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường là một vấn đề cần được quan tâm nhất hiện nay của ngành ô tô nói riêng và của xã hội nói chung. Ô tô sạch không gây ô nhiễm 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, như hoàn thiện quá trình cháy của động cơ, sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống cho ô tô như LPG, khí thiên nhiên, methanol, biodiesel, điện, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, ô tô dùng động cơ lai (hybrid). Trong số những giải pháp công nghệ trên thì xe sử dụng công nghệ hybrid đang được ứng dụng ngày càng phổ biến và cho hiệu quả cao.
Giới thiệu về xe hybrid 1.1 Nguồn gốc ra đời của xe hybrid Sự bùng nổ dân số, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, công nghiệp, mức sống con người ngày càng nâng cao làm cho nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng lớn hơn. Theo đánh giá của các chuyên gia môi trường, ô nhiễm không khí ở đô thị do giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70%. Lưu lượng xe lớn và chất lượng nhiên liệu sử dụng chưa tốt (hàm lượng benzen khoảng 5% so với 1% ở các nước trong khu vực; hàm lượng lưu huỳnh trong 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com diesel chiếm từ 0,5 ÷ 1% so với 0,05% ở các nước trong khu vực) ngoài ra còn nhiều khí thải độc hại khác như: CO, NOx, PM,… là những nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm [3]. Tiêu thụ xăng dầu là một trong những nguyên nhân phát thải các chất độc hại như CO, hơi xăng dầu (CmHn, VOC), SO2, PM (chất thải rắn), chì, benzen.
Phát thải những chất này liên quan chặt chẽ đến chất lượng xăng dầu. Trong cơ cấu tiêu thụ xăng dầu của quốc gia thì giao thông vận tải chiếm tỷ trọng lớn nhất, là nguồn phát thải lớn nhất các chất khí ô nhiễm kể trên. Để giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí do các phương tiện vận tải gây ra chúng ta phải thực hiện đồng thời nhiều giải pháp, chẳng hạn như: Siết chặt tiêu chuẩn khí phát thải đối với các loại phương tiện lưu thông (từ ngày 01 tháng 7 năm 2007, toàn bộ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ sẽ phải tuân thủ theo tiêu chuẩn EURO II về khí thải) và đối với tất cả các loại ô tô sản xuất, lắp ráp và nhập khẩu mới phải đáp ứng tiêu chuẩn khí thải Euro 4 từ 01/01/2018; nâng cao phẩm cấp của nhiên liệu truyền thống bằng cách sử dụng công nghệ hiện đại xử lý sâu trong các nhà máy lọc dầu kết hợp với việc sử dụng động cơ thế hệ mới hoặc sử dụng các loại nhiên liệu “sạch”. Trong đó việc sử dụng xe lai (hybrid) kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong nổi lên như là một sự lựa chọn tối ưu trong thời kỳ mà xe điện vẫn chưa có điều kiện thuận lợi để phát triển.
Định nghĩa về xe hybrid Hybrid nghĩa là lai, xe hybrid (Hybrid Electric Vehicle - HEVs) là dòng xe sử dụng động cơ tổ hợp, là một phương tiện giao thông mà được sử dụng bằng hai nguồn năng lượng trở lên. Ví dụ như sự kết hợp giữa: Hệ thống “Chứa năng lượng nạp lại được” (Rechargeabe Energy Storage Systemhay RESS, hoặc cụ thể hơn là Pin nạp lại được) và nguồn nhiên liệu hóa thạch. Bộ điều khiển điện tử sẽ quyết định khi nào thì dùng động cơ điện, khi nào thì dùng 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com động cơ đốt trong, khi nào dùng vận hành đồng bộ và khi nào nạp điện vào ắc quy để sử dụng về sau. Trong thực tế hiện nay, thuật ngữ này (Hybrid Vehicle) thường dùng để nói đến “Phương tiện giao thông ghép” kết hợp năng lượng từ điện và xăng (Petroleum Hybrid Electric Vehicle) hay viết tắt trong tiếng anh là PHEV, và cũng có thể được viết tắt là HEV (Hybrid Electric Vehicle).
Theo ngôn ngữ phổ thông tiếng Việt thường dùng ta có thể gọi là “Xe điện xăng”, hay tiếng Anh là hybrid Car. So sánh đặc tính tốc độ của động cơ điện và động cơ đốt trong Trên hình 1.6 có thể thấy rằng đặc tính của ĐCĐT khác biệt khá xa so với đặc tính lý tưởng do vậy cần phải dùng hộp số đa cấp hay hộp số tự động để có đặc tính tốt hơn như thể hiện trên hình 1. Điều này làm tăng kích thước, khối lượng và giá thành của hộp số. Đặc tính lực kéo - tốc độ với công suất yêu cầu của động cơ xăng 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Đặc tính lực kéo - tốc độ với hộp số tự động của một xe Trên hình 1.8 ta có thể thấy động cơ đốt trong làm việc tối ưu trong một vùng tương đối hẹp: ở tốc độ khoảng 2600 [v/ph] tới 3400 [v/ph] với suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 255 [g/kW.