Bơm khí siêu nạp giúp động cơ diesel giảm phát thải

Siêu nạp là phương pháp lâu đời dùng để tăng công suất cho động cơ bằng cách nạp thêm không khí vào buồng đốt giúp đốt cháy nhiều nhiên liệu hơn, nhờ đó tạo ra công suất cao hơn. Ngoài ra siêu nạp còn có một công dụng nữa: việc bơm thêm không khí giúp quá trình đốt cháy nhiên liệu sạch hơn. Điển hình là Mazda đã áp dụng tính năng này cho động cơ xăng Skyactiv của mình.

Ứng dụng trên tuy là một điểm cộng, nhưng khi nhìn vào các tiêu chuẩn khí thải Euro 7, ta thấy áp lực cắt giảm phát thải vẫn còn rất lớn. Ngay cả khi người ta loại bỏ các loại nhiên liệu tổng hợp có hàm lượng carbon cực thấp để giảm lượng khí CO2 thải ra môi trường thì vẫn còn những khí thải khác được quy định phải giảm trừ, chẳng hạn như oxit nitơ (NOx).

NOx được tạo ra khi hydrocacbon bị đốt cháy, khí oxy phản ứng với khí nitơ tạo ra oxit nitơ. Nhiệt độ càng cao thì càng tạo ra nhiều NOx. Động cơ diesel tạo ra nhiều NOx hơn các động cơ khác vì nó là động cơ đốt nghèo (lean) và toả ra nhiệt lượng lớn trong buồng đốt.

Điều trớ trêu là, nhiệt lượng lớn cũng là yếu tố cần thiết để tiêu trừ NOx, nhưng nhiệt này phải là của khí thải chứ không phải của động cơ. Bộ chuyển đổi xúc tác, bao gồm hệ thống khử thải với xúc tác chọn lọc (selective catalytic reduction, SCR) tân tiến nhất và bộ lọc hạt (diesel particulate filters, DPF), đều cần nhiệt độ cao để hoạt động, nhưng khí thải của động cơ diesel lại mát hơn nhiều so với khí thải động cơ xăng.

Vấn đề là phần lớn nhiên liệu được chuyển hóa thành momen xoắn nên nhiệt năng được sản sinh sẽ không đủ. Một cách để xử lý sự thiếu nhiệt này là gắn bộ chuyển đổi xúc tác càng gần động cơ càng tốt. Như vậy, bộ phận này thu được khí thải trước khi nó nguội đi. Tuy là có tác dụng nhưng kiểu lắp đặt này nhìn hơi "kỳ cục", đồng thời hệ thống lọc khí không đạt hiệu suất cao nhất trong những giây đầu tiên sau khi khởi động nguội.

Công ty Tenneco, đồng phát triển Bộ khởi động nguội (Cold Start Thermal Unit, CSTU) cho ô tô và xe tải chạy bằng động cơ diesel với hãng sản xuất siêu nạp Eaton, đã ứng dụng bơm khí siêu nạp như một chiếc máy thổi khí dạng Roots (roots blower). Ban đầu, máy thổi khí dạng Roots được tạo ra không phải để cưỡng bức động cơ tăng công suất mà để làm máy thổi khí cho các lò cao trong ngành công nghiệp thép.

Giờ đây, máy thổi khí làm nhiệm vụ bơm không khí qua đầu đốt CSTU. CSTU bơm và đốt cháy một lượng nhỏ nhiên liệu vào luồng khí đó, nhanh chóng làm nóng các chất xúc tác đặc biệt và bộ lọc khí thải DPF. Khi nhiệt độ chất xúc tác SCR đạt đến mức 200 - 250 độ C, nó có thể khử NOx, chuyển NOx thành N2 và H2O.

Hệ thống trên vận hành rất hiệu quả trong suốt quá trình khởi động xe. Đây là lúc mà phần lớn khí thải được tạo ra, động cơ ở chế độ chạy không tải và bắt đầu nguội. Cả xe hạng nhẹ lẫn xe tải hạng nặng đều có thể tích hợp hệ thống này.