Động cơ hydro để khử cacbon cho xe thương mại đường dài
Argonne gần đây đã bắt đầu thử nghiệm động cơ tại cơ sở vật chất hiện đại của Argonne. Tín dụng: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne
Được phát minh cách đây hơn một thế kỷ, động cơ piston đối diện chủ yếu được sử dụng trong Thế chiến thứ hai để cung cấp năng lượng cho tàu ngầm và tàu sân bay do hiệu quả sử dụng nhiên liệu vượt trội của nó. Bất chấp những ưu điểm của nó, động cơ này chưa bao giờ trở nên phổ biến trên quy mô lớn hơn do các tiêu chuẩn khí thải bị thắt chặt.
Trong những năm gần đây, những tiến bộ trong công nghệ và kỹ thuật đã củng cố vai trò tiềm năng của nó trong hệ thống giao thông không carbon.
Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã hợp tác với Achates Power để phát triển động cơ chạy bằng hydro cho các phương tiện thương mại đường dài sử dụng thiết kế động cơ đánh lửa nén hai kỳ, piston đối diện. Gần đây, nhóm đã bắt đầu thử nghiệm động cơ chạy bằng hydro trong một cuộc trình diễn mang tính đột phá cho thấy kết quả đầy hứa hẹn.
El-Hannouny cho biết: “Lần đầu tiên tại Argonne, chúng tôi đã chứng minh rằng động cơ piston đối diện có thể chạy bằng hydro và tạo ra năng lượng”. “Chúng tôi đang ở giai đoạn đầu, nhưng thử nghiệm cung cấp dữ liệu chúng tôi cần để thực hiện các thay đổi đối với chế độ đốt hoặc các bộ phận khác của động cơ nhằm cải thiện hiệu suất.”
Hydro là một loại nhiên liệu linh hoạt có thể được sản xuất từ các nguồn tài nguyên có hàm lượng carbon thấp và không có carbon, khiến nó trở thành một lựa chọn thân thiện với môi trường. Argonne đã đi đầu trong nghiên cứu và công nghệ hydro trong nhiều năm. Cơ sở nghiên cứu của họ bao gồm nền tảng động cơ piston đối xứng xi-lanh đơn với buồng đốt được thiết kế mới và tối ưu hóa cho nghiên cứu động cơ hạng trung và hạng nặng. Chúng là những sản phẩm hàng đầu và bao gồm hệ thống phân phối và lưu trữ hydro.
“Khi hợp tác với Argonne, chúng tôi có thể khám phá một số khái niệm đốt cháy được phát triển tại Achates. Chúng tôi có thể thực hiện các sàng lọc dựa trên dữ liệu được tạo trong quá trình thử nghiệm. Mục tiêu của chúng tôi là phát triển một động cơ piston đốt nhiên liệu hydro hiệu quả, tiết kiệm chi phí và có thể mang lại sự chuyển đổi cho ngành vận tải,” Fromm cho biết.
“Đây không phải là một ý tưởng hoàn toàn mới. Nhưng những công nghệ gần đây như điều khiển điện tử, phun nhiên liệu điện tử và cảm biến cung cấp phản hồi quan trọng có thể được áp dụng để cải tiến các động cơ pít-tông đối đỉnh ngày nay,” Douglas Longman, giám đốc nhóm của Argonne, Advanced Power Systems Research, cho biết. “Động cơ piston đối diện có tiềm năng khử cacbon rất lớn bằng cách chạy bằng nhiên liệu hydro.”
Khi nói đến quá trình đốt cháy hydro, động cơ piston đối diện tiên tiến chắc chắn có nhiều lợi ích so với động cơ thông thường. Một trong những ưu điểm đáng chú ý nhất là sự đơn giản trong thiết kế của nó. Cấu trúc pít-tông độc đáo của Achates Power bao gồm hai pít-tông chuyển động đối lập nhau trong một xi-lanh. Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết của đầu xi lanh, vốn là nguyên nhân phổ biến gây ra sự kém hiệu quả và thất thoát nhiệt ở động cơ truyền thống.
Chu trình đốt cháy hai thì độc đáo của động cơ pít-tông đối đỉnh tạo ra số hành trình công suất trên mỗi vòng quay trục khuỷu cao gấp đôi so với động cơ bốn thì tiêu chuẩn, dẫn đến tăng công suất. Ngoài ra, động cơ nhẹ hơn, ít tốn kém hơn và chế tạo đơn giản hơn.
Mặc dù xe điện (EV) đã trở nên phổ biến rộng rãi trong thị trường vận chuyển ô tô không phát thải carbon, nhưng động cơ piston đối nghịch chạy bằng hydro có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho các phương tiện khó chạy điện khi di chuyển quãng đường dài.
El-Hannouny cho biết: “Hydro có thể là nhiên liệu tốt nhất để vận chuyển đường dài thực sự bền vững. “Việc trình diễn thành công quá trình đốt cháy hydro không chứa carbon của Argonne sẽ là một bước quan trọng hướng tới việc khử cacbon trong lĩnh vực vận tải hàng hóa hạng trung, hạng nặng.”
Achates đang nhắm tới động cơ chạy bằng hydro dành cho xe tải thương mại cỡ trung bình đến cỡ lớn, xe địa hình cho các ngành công nghiệp như khai thác mỏ và nông nghiệp cũng như xe quân sự.
Achates sẽ cập nhật các mô hình máy tính của mình với dữ liệu về quá trình đốt cháy và phát thải được tạo ra trong quá trình thử nghiệm ban đầu. Mục tiêu là sử dụng mô hình máy tính để tối ưu hóa thiết kế của động cơ và cải thiện chiến lược đốt cháy. Các kỹ sư của Achates đang hợp tác chặt chẽ với Argonne để đảm bảo hiệu chuẩn và giám sát động cơ.
“Mục tiêu của chúng tôi là chứng minh khả năng chạy hydro của động cơ piston đối diện và đạt được hiệu suất, mật độ công suất và mô-men xoắn của động cơ chạy bằng diesel; đồng thời, chúng tôi đang loại bỏ lượng khí thải nhà kính,” Huo nói.
Fromm cho biết chuyên môn và cơ sở vật chất hiện đại của Argonne là rất quan trọng để đưa động cơ chạy bằng hydro Achates ra thị trường.
“Achates đã làm việc với Argonne trong hơn một thập kỷ và họ là đối tác hoàn hảo cho dự án này,” Fromm nói. “Argonne có nhiều kinh nghiệm về quá trình đốt cháy hydro. Và không chỉ trên động cơ piston đối đỉnh mà còn trên động cơ thông thường. Khả năng độc đáo và bề dày kinh nghiệm của Argonne là điều cần thiết cho sự thành công của dự án.”
