So sánh động cơ điện với động cơ đốt trong trên ô tô

ác chuyên gia về môi trường ví như những kẻ giết người thầm lặng. Khí thải từ động cơ diesel trong xe tải, tàu thuyền, thiết bị dùng trong nông nghiệp gây ảnh hưởng nghiệm trọng đến sức khỏe con người. Đứng trước vấn đề ô nhiễm không khí và tình trạng nóng lên toàn cầu, xe chạy bằng năng lượng điện hay xe hybrid với các ưu điểm như không thải khói bụi, không gây tiếng ồn khi lưu thông được coi là một giải pháp hữu ích cho bài toán môi trường, thay thế các phương tiện dùng xăng truyền thống. Đề tài “So sánh động cơ điện với động cơ đốt trong trên ô tô” là một đề tài nhằm mục đích khảo sát, so sánh hai động cơ nói trên và chỉ ra những ưu điểm của động cơ điện. Từ khóa: động cơ điện, động cơ đốt trong. 1 GIỚI THIỆU Xe điện đang chiếm lĩnh thị trường ô tô và hiện nó đang diễn ra với tốc độ chóng mặt. Dù sao thì động cơ đốt trong (ICE) rất tuyệt! Nó đã cung cấp cho chúng ta những chiếc xe thể thao tăng áp V8 và V12 mà chúng ta đều yêu thích. Ai mà không yêu thích tiếng vo ve hoặc tiếng gầm mạnh mẽ của động cơ đốt trong? Nhưng sự thật là, những động cơ này đã đạt đến đỉnh cao, giống như động cơ hơi nước vào đầu thế kỷ mà chúng đã thay thế. Được thúc đẩy bởi các chính phủ trên khắp thế giới quyết định cấm bán ô tô chạy bằng nhiên liệu 360 hóa thạch mới trong vòng 9 năm kể từ bây giờ, các công ty ô tô đang đổ tiền vào phát triển xe điện (EV). Ngày càng có nhiều công ty ô tô trên thế giới cam kết chấm dứt việc bán động cơ đốt trong trong tương lai (GM cho biết họ sẽ không bán chúng sau năm 2035). Việc phát triển và thiết kế động cơ mới rất tốn kém và mất nhiều thời gian. Với rất ít thời gian để họ tiếp tục bán xe ICE, các công ty xe hơi đang bắt đầu ngừng hoàn toàn tất cả các nghiên cứu và phát triển trong tương lai về phát triển động cơ xăng và diesel mới cho xe du lịch. Trong tương lai gần, động cơ đốt trong sẽ ở đỉnh cao của sự tiến bộ công nghệ trước khi bắt đầu trượt dài không thể tránh khỏi của chúng vào lỗi thời. Trong suốt quá trình nghiên cứu này, mục tiêu của tôi là chỉ ra cho mọi người biết những ưu điểm vượt trội của xe điện trong tương lai gần. Hình 1. Xe điện Tesla 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện trên ô tô Hình 2. Cấu tạo bên trong ô tô điện 361 Xe ô tô điện hay xe EV sử dụng động cơ điện thay vì động cơ đốt trong. Phương tiện không cần nhiên liệu đốt như xăng, diesel để vận hành mà thay vào đó dùng pin lithium-ion có thể sạc lại để tạo nguồn điện. Pin được lắp dưới sàn xe gồm rất nhiều viên pin lithium nhỏ được xếp thành từng nhóm (gói pin). Các gói pin này sẽ cấp điện cho một động cơ cảm ứng gồm hai phần chính là stator (phần đứng yên) vả rotor (phần chuyển động). Khi stator được nối với nguồn điện, nó sẽ tạo ra từ trường cung cấp năng lượng cơ học làm quay rotor quanh trục, giúp xe lăn bánh. Tốc độ xe có thể được điều khiển bằng cách thay đổi tần số cấp điện cho động cơ. Ưu điểm: - Thân thiện với môi trường, không thải ra khí thải. - Hoạt động êm. Nhược điểm: - Giá thành cao. - Tốn nhiều thời gian để sạc lại pin, không linh động. 2.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong trên ô tô Hình 3. Động cơ đốt trong trên ô tô Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong là hỗn hợp không khí và nhiên liệu sẽ được đốt trong xilanh của động cơ đốt trong sẽ sinh ra nhiệt. Nhiệt độ cao sẽ làm cho khí đốt giãn nở tạo ra áp suất tác dụng lên piston giúp đẩy piston di chuyển. Hiện nay, các nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau tuy nhiên, các động cơ này đều hoạt động theo một chu trình tuần hoàn chu kỳ làm việc, bao gồm 4 bước là: nạp, nén, nổ (đốt) và xả. Trong đó, xả và nạp được dùng để thêm khí mới; còn nén và nổ thì được dùng để đốt cháy khí và nhiên liệu để sinh ra công. 362 Ưu điểm: - Phù hợp với các loại siêu xe tốc độ giúp đạt được tốc độ cực đại nhanh nhất. - Linh động, cách nạp nhiên liệu nhanh chóng. - Với máy dầu tiết kiệm nhiên liệu hơn nhiều lần so với sử dụng xăng. - Chi phí giá dầu diesel cũng rẻ hơn giá xăng. Nhược điểm: - Nếu sử dụng động cơ xăng tốn nhiều chi phí. - Tuy động cơ dầu tiết kiệm nhiên liệu nhưng lại có tiếng ồn lúc sử dụng. - Gây ô nhiễm không khí và sức khỏe con ngưởi vì thải ra các chất độc hại như CO, HC, Nox 3 XU HƯỚNG SẢN XUẤT XE ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI Nhiên liệu hóa thạch - nguồn nhiên liệu sơ cấp cho các nhà máy nhiệt điện ngày càng cạn kiệt, cộng thêm tác động về phát thải và ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng. Trong bối cảnh đó, xe điện trở thành sự lựa chọn có nhiều ưu thế. 3.1 Thị trường xe điện đang phát triển mạnh Theo báo cáo của InsideEVs.com, tại thị trường Mỹ, doanh số xe điện năm 2019 tăng 21% so với năm 2018, tương ứng số lượng xe điện bán ra đạt trên 200.000 chiếc. Trong đó, Tesla Model 3 là chiếc xe điện duy nhất tạo nên cơn sốt ở Mỹ trong năm 2019 khi "đè bẹp" các đối thủ, với số lượng bán ra lên đến 160.000 chiếc. Tại châu Âu, tính đến hết tháng 6 năm 2020, lượng xe điện bán ra xấp xỉ 195.000 chiếc, tăng 42% so với cùng kỳ năm 2019. Na Uy là nước dẫn đầu với số xe điện bán ra là 36.500 xe, chiếm tới 37% số lượng xe đăng ký mới của nước này. Iceland - quốc gia láng giềng xếp thứ hai với 19%, Thuỵ Điển đứng thứ ba với 8%. Các quốc gia trên thế giới hiện đang có xu hướng loại bỏ dần các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, đồng thời khuyến khích các phương tiện sử dụng nhiên liệu sạch. Singapore có kế hoạch loại bỏ dần các phương tiện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch vào năm 2040; đồng thời khuyến khích các phương tiện sử dụng nhiên liệu sạch như hỗ trợ mức phí đăng ký lên tới 20.000 đô la Singapore; đồng thời sẽ tăng đầu tư xây dựng các trạm sạc điện lên 28.000 trạm vào năm 2030 Hãng tư vấn Wood MacKenzie dự báo, đến năm 2035, cứ 9 xe ô tô bán ra sẽ có 1 xe chạy điện, nâng tổng số xe điện lên con số 125 triệu xe. Tổ chức Bloomberg New Energy Finance cũng đưa ra dự báo đến năm 2022 hoặc sớm hơn, xe điện sẽ rẻ bằng xe chạy xăng, khi ấy thị trường và doanh số xe điện sẽ càng tăng mạnh hơn nữa. 3.2 Sự chuyển dịch từ các “ông lớn” Với các hãng xe, việc phát triển xe điện đã trở thành tầm nhìn chiến lược, đáp ứng nhu cầu thị trường và gia tăng thị phần. Toyota - hãng xe hàng đầu Nhật Bản đã tuyên bố kế hoạch điện hóa hoàn toàn các dòng xe của hãng này vào năm 2025. Trong khi đó, General Motors - “ông lớn” trong ngành công nghiệp ô tô toàn cầu cũng tuyên bố sẽ cho ra đời 20 mẫu xe 363 điện mới từ nay tới năm 2023. Cam kết mạnh mẽ hơn, Volvo - hãng xe lâu đời của Thụy Điển cũng tuyên bố kể từ 2019, tất cả các mẫu xe mới sẽ chỉ là xe điện hoặc xe chạy lai- ghép (hybrid). Để đáp ứng được sự phát triển mạnh của xe điện, cần sớm phát triển kết cấu hạ tầng đi kèm, cụ thể là hệ thống trạm sạc. Tập đoàn Engie (Pháp) đã mua lại EV-Box, một công ty khởi nghiệp của Hà Lan về cung cấp công nghệ và hạ tầng sạc cho xe điện. Tập đoàn Enel (Italia) - đơn vị chuyên cung cấp năng lượng sạch trên toàn cầu - cũng vừa mua lại EMotorWerks, một công ty hàng đầu thế giới về trạm sạc lưới điện thông minh. EmotorWerks hiện đang sở hữu trên 30.000 trạm sạc, cung cấp dịch vụ cân bằng lưới điện cho các công ty điện lực, đồng thời giúp tài xế có thể sạc điện từ các nguồn năng lượng tái tạo với giá rẻ nhất. Đáng chú ý, hãng dầu khí quốc tế Shell cũng đã tham gia vào lĩnh vực này bằng việc tuyên bố kế hoạch cung cấp trạm sạc nhanh 8 phút với hơn 80 trạm sạc trên toàn nước Mỹ. Hãng Shell đã mua lại New Motion, một công ty Hà Lan chuyên quản lý các trạm sạc tại Tây Âu, đồng thời sẽ tiếp tục phát triển các trạm sạc mới tại các điểm bán hàng của Shell. 4 SO SÁNH Ô TÔ ĐỘNG CƠ ĐIỆN VỚI Ô TÔ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Tôi sẽ cho các bạn xem 8 lý do tại sao ô tô động cơ đốt trong sẽ kém hơn ô tô điện vào năm 2030: 4.1 Sự tăng tốc Xe điện có khả năng tăng tốc đáng kinh ngạc. Và Roadster của Tesla sẽ có cú nước rút 0-62 dặm nhanh nhất so với bất kỳ chiếc xe hợp pháp trên thị trường. Hiện tại, xe điện sẽ là loại xe sản xuất hàng loạt nhanh nhất thế giới và công nghệ xe điện vẫn còn sơ khai so với khả năng sẽ có vào năm 2030. Hình 4: Xe Tesla Roadster 364 Dù những chiếc xe điện trong tương lai vẫn đang chờ đợi chúng ta vào năm 2030, các mẫu xe hiệu suất của chúng sẽ vượt xa bất cứ loại xe động cơ đốt nào vẫn đang được sản xuất – có thể là những mẫu xe không nhận được bất kỳ nâng cấp mới nào. 4.2 Phạm vi Điều này nghe có vẻ kỳ lạ vì phạm vi hoạt động có lẽ là mối quan tâm lớn nhất của nhiều người đối với xe điện. Nhưng điều đó đang biến mất nhanh chóng. Roadster tự hào có một phạm vi đáng kinh ngạc của 620 dặm và xe sắp tới Lucid đã có hơn 500 dặm – hơn 20% Model S. Và chúng đang sử dụng công nghệ hiện nay và pin lithium-ion hiện nay. Các công ty như QuantumScape đang làm việc để phát triển pin thể rắn với các khả năng khác cũng đang được phát triển. Nhìn về phía trước đến năm 2030, gần như chắc chắn pin lithium-ion sẽ ở một trạng thái khác và những chiếc xe điện sẽ có phạm vi hoạt động lớn hơn cả động cơ đốt trong với bình xăng 40 hoặc 60 lít. 5 SỰ ĐỔI MỚI Số lượng nghiên cứu và phát triển đang được đổ vào việc phát triển công nghệ EV là một số sự kết hợp giữa sự hấp dẫn và đáng kinh ngạc. Nhưng đồng thời, sự phát triển của động cơ đốt trong ngày càng cạn kiệt. Động cơ đốt trong đã trưởng thành từ lâu và trở nên già, trong khi xe điện mới ra đời và thậm chí bây giờ chúng đang cạnh tranh trực tiếp. Hình 5. Mô hình ô tô điện Vào cuối thập kỷ này, các công ty như Volkswagen và Toyota đang dự đoán pin có giá chỉ bằng một nửa, thời gian sạc trong 15 phút, nhẹ hơn nhiều, phạm vi hoạt động lớn hơn nhiều và được chế tạo mà không sử dụng nhiều vật liệu đất hiếm mà chúng đang sử dụng ngày nay. 5.1 Chi phí hoạt động Giá điện thấp hơn nhiều so với giá xăng hoặc dầu diesel. Một khi chi phí của pin cũng giảm, thì chi phí của toàn bộ chiếc xe – mua nó và chạy nó cũng sẽ rẻ hơn. Giá điện có thể sẽ rẻ 365 hơn so với giá xăng trong tương lai vì năng lượng mặt trời và gió hiện đã trưởng thành và đang trở nên rẻ hơn nhiều so với than đá. Hình 6. Pin lithium-ion trên ô tô điện Trong khi năng lượng mặt trời và gió không có chi phí vận hành dựa trên nhiên liệu, xe điện tất nhiên vẫn sẽ có một số chi phí bằng điện, nhưng điều đó có thể sẽ ít hơn nhiều so với xăng. Mặc dù, tại một số thời điểm, chính phủ sẽ cần phải tìm ra một cách khác để tính thuế đường bộ mà họ áp dụng đối với xăng dầu hiện nay. 5.2 Đơn giá chiếc xe Thậm chí, có thể chi phí sản xuất pin sẽ tiếp tục giảm mạnh. Mặc dù điều này có thể không thực sự như vậy, nhưng vẫn rất hợp lý khi những tiến bộ trong công nghệ pin sẽ loại bỏ phần lớn vật liệu đất hiếm. Hình 7. Tesla Model Y Nếu đủ lượng vật liệu đất hiếm được loại bỏ vào thời điểm đó và cùng với tính kinh tế theo quy mô, thì rất có cơ sở khi một chiếc xe EV sẽ rẻ hơn một chiếc xe động cơ đốt trong. 366 5.3 Động cơ đốt trong sẽ không được hoan nghênh Nhiều thành phố trên thế giới đang tự tạo cho mình những “vùng xanh”, điều này có nghĩa là ngay cả khi bạn được phép lái chiếc ô tô chạy xăng của mình trong nước, bạn vẫn có thể không được phép lái nó ở nhiều thành phố trên khắp đất nước. Có một chiếc ô tô chẳng có ích gì nếu bạn không thể lái nó đến nơi bạn muốn! Nhưng điều này ngày càng cho thấy tương lai đang bày ra trước mắt chúng ta. 5.4 Động cơ điện ít bộ phận chuyển động hơn Hình 8. Động cơ điện Động cơ đốt trong có rất nhiều bộ phận chuyển động, và với các bộ phận chuyển động có khả năng bị hao mòn và hỏng hóc. Xe điện có ít bộ phận chuyển động hơn và do đó ít bị hỏng hóc hơn. Độ tin cậy cao hơn trong xe điện sẽ là một lý do nữa khiến động cơ đốt trong bị tụt hậu. 5.5 Động cơ điện thân thiện với môi trường Tất nhiên, không thể lập một danh sách như vậy mà không đề cập đến lý do đã thúc đẩy toàn bộ việc phát triển xe điện ngay từ đầu. EV xanh hơn nhiều so với động cơ đốt trong (mặc dù pin có một số khí thải sản xuất khó chịu). Các phương tiện điện, bất kể điện đến từ các nguồn năng lượng tái tạo hay không, đều ít gây ô nhiễm hơn nhiều. Hình 9. Ô nhiễm không khí do khí thải ô tô 367 Đã qua rồi cái thời của những lớp sương khói bao trùm khắp thành phố đông đúc. Xe điện sẽ sạch và được cung cấp phần lớn bằng năng lượng mặt trời và gió trong khi các động cơ đốt gây ô nhiễm, tạo khói sẽ bị loại bỏ khỏi các con đường. 6 KẾT LUẬN Bài báo cho thấy kết quả nghiên cứu, so sánh động cơ điện với động cơ đốt trong trên ô tô. Qua nghiên cứu, so sánh trên chúng ta thấy được các ưu điểm vượt trội của ô tô điện trong việc bảo vệ môi trường, tiết kiệm nhiên liệu và đáp ứng nhu cầu của khách hàng về nhiều mặt. Đây là lí do mà các hãng ô tô nổi tiếng trên thế giới đưa việc phát triển xe điện đã trở thành tầm nhìn chiến lược, thực hiện kế hoạch điện hóa hoàn toàn trên ô tô, đáp ứng nhu cầu thị trường và gia tăng thị phần. Tuy nhiên, ô tô điện cũng có nhiều hạn chế như: không thể đáp ứng được các nhu cầu cho các chuyến hành trình dài, mất nhiều thời gian để sạc, cơ sở hạ tầng cho ô tô điện còn chưa phát triển, Mong rằng trong tương lai gần, chúng ta sẽ khắc phục được những nhược điểm kể trên để phát triển ô tô điện hơn nữa. Lời cảm ơn: nhóm nghiên cứu xin trân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn ăn Nhanh. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://thanhphongauto.com/khac-nhau-giua-dong-co-dien-dong-co-dot-trong/ [2] https://vnexpress.net/nguyen-ly-hoat-dong-cua-xe-oto-dien-3820744.html [3] https://danchoioto.vn/nguyen-ly-lam-viec-cua-may-o-to/ [4] https://www.xecov.com/articles/8-ly-do-tai-sao-o-to-dong-co-dot-trong-se-kem-hon-o- to-dien-vao-nam-2030 [5] https://tietkiemnangluong.evn.com.vn/d6/news/Xu-huong-san-xuat-xe-dien-tren-the- gioi-111-136-14245.aspx 368