Một thiết kế động cơ đốt trong với cơ chế tuần hoàn khí sau quá trình đốt cháy của nhà sáng chế Vladimir Mikhailov, ở thành phố Kostroma (Nga), đã được cấp bằng sáng chế.
Theo thông tin từ Cơ quan Sở hữu trí tuệ Liên bang Nga (Rospatent), điểm đáng chú ý của thiết kế nằm ở cách xử lý dòng khí sinh ra sau quá trình đốt cháy.
Thay vì đưa toàn bộ dòng khí ra môi trường như động cơ đốt trong thông thường, thiết kế này sử dụng một hệ thống xử lý để làm nguội, lọc và đưa một phần dòng khí trở lại chu trình hoạt động.
Bản vẽ của động cơ (Ảnh: FIPS).
Động cơ không sử dụng hệ thống xả theo cách thông thường
Động cơ đốt trong phổ biến hiện nay hoạt động qua các giai đoạn nạp, nén, đốt cháy và xả. Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được đưa vào buồng đốt, sau đó đốt cháy để tạo áp suất đẩy piston và sinh công.
Bản vẽ của động cơ (Ảnh: FIPS).
Sau khi quá trình cháy kết thúc, khí trong xi-lanh thông thường được đưa ra ngoài thông qua hệ thống xả.
Trong thiết kế của Mikhailov, dòng khí này không được xả trực tiếp hoàn toàn ra môi trường. Thay vào đó, nó được dẫn qua một hệ thống xử lý tích hợp trước khi quay trở lại chu trình.
Theo mô tả của sáng chế, dòng khí được làm nguội và xử lý, sau đó kết hợp với oxy bổ sung và nhiên liệu mới để tiếp tục tham gia vào quá trình hoạt động của động cơ.
Thiết kế hướng tới việc tuần hoàn dòng khí trong một chu trình khép kín, qua đó giảm lượng khí được xả trực tiếp ra môi trường và tận dụng phần năng lượng còn lại trong dòng khí sau quá trình cháy.
Tuy nhiên, đây mới là mục tiêu và nguyên lý của thiết kế. Hiệu quả thực tế còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như khả năng xử lý khí, kiểm soát nhiệt độ, mức năng lượng tiêu thụ của hệ thống tuần hoàn và hiệu suất tổng thể của động cơ.
Bài toán khó khi tuần hoàn khí thải
Tái tuần hoàn khí thải không phải ý tưởng hoàn toàn mới trong ngành động cơ.
Nhiều động cơ hiện đại sử dụng hệ thống EGR (Exhaust Gas Recirculation) để đưa một phần khí thải trở lại đường nạp. Giải pháp này chủ yếu được sử dụng để kiểm soát quá trình cháy và giảm một số chất ô nhiễm.
Tuy nhiên, thiết kế của Mikhailov có cách tiếp cận khác khi hướng tới việc tuần hoàn dòng khí ở mức độ cao hơn và kết hợp với hệ thống xử lý riêng.
Việc tăng tỷ lệ khí tuần hoàn đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Muội than, dầu và các sản phẩm của quá trình cháy có thể tích tụ bên trong hệ thống. Nhiệt độ cao cũng gây áp lực lên vật liệu, dầu bôi trơn và tuổi thọ của các bộ phận.
Theo mô tả của sáng chế, hệ thống sử dụng bộ phân tách khí và chất lỏng kết hợp với bộ lọc để xử lý dòng khí trước khi đưa trở lại chu trình.
Các bộ phận chịu nhiệt cũng phải sử dụng vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc của hệ thống.
Khả năng kiểm soát nhiệt độ, tạp chất và thành phần dòng khí vì thế sẽ là những yếu tố quan trọng quyết định độ ổn định cũng như hiệu suất của thiết kế.
Không đồng nghĩa với động cơ "không phát thải"
Một điểm cần lưu ý là việc giảm hoặc hạn chế khí thải thoát trực tiếp ra môi trường không đồng nghĩa động cơ hoàn toàn không tạo ra khí thải.
Nếu vẫn sử dụng nhiên liệu chứa carbon, quá trình đốt cháy vẫn tạo ra các sản phẩm phản ứng, trong đó có CO₂. Những sản phẩm này phải được lưu giữ, xử lý hoặc tiếp tục tham gia vào các quá trình khác trong hệ thống.
Do đó, muốn đánh giá tác động môi trường của một thiết kế như vậy cần xem xét toàn bộ chu trình, bao gồm lượng nhiên liệu tiêu thụ, hiệu suất chuyển đổi năng lượng và cách các sản phẩm sau quá trình cháy được xử lý.
Việc được cấp bằng sáng chế cũng không đồng nghĩa công nghệ đã chứng minh được hiệu suất hoặc sẵn sàng đưa vào sản xuất hàng loạt. Bằng sáng chế chủ yếu xác lập quyền sở hữu trí tuệ đối với giải pháp kỹ thuật đáp ứng các điều kiện theo quy định.
Để có thể ứng dụng trên ô tô hoặc máy móc công nghiệp, thiết kế vẫn cần được chế tạo thành nguyên mẫu, thử nghiệm về hiệu suất, độ bền, độ ổn định, mức tiêu thụ nhiên liệu, phát thải và chi phí sản xuất.
Vì vậy, chưa thể dựa trên thông tin về bằng sáng chế để kết luận động cơ của Mikhailov có thể thay thế các thiết kế động cơ hiện nay.
Dù vậy, sáng chế cho thấy một hướng tiếp cận đáng chú ý đối với động cơ đốt trong: thay vì chỉ xử lý sản phẩm sau quá trình cháy ở cuối đường xả, dòng khí có thể được đưa trở lại hệ thống sau khi trải qua các công đoạn xử lý.
Nếu công nghệ chứng minh được hiệu quả trong thực tế, cách tiếp cận này có thể mở ra thêm một hướng nghiên cứu về việc tận dụng dòng khí sau quá trình cháy và kiểm soát phát thải trong động cơ đốt trong.
