Động cơ diesel từ lâu đã là "xương sống" của nhiều lĩnh vực như vận tải hàng hóa, nông nghiệp, phát điện và sản xuất công nghiệp. Chúng được đánh giá cao nhờ sức kéo mạnh, độ bền lớn và khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Tuy nhiên, đi kèm với những ưu điểm đó là một nhược điểm đáng kể: khí thải diesel là nguồn gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng, phát tán nhiều loại khí độc và hạt bụi mịn gây hại cho sức khỏe con người cũng như môi trường.
Theo kết quả tổng hợp từ nhiều nghiên cứu trên thế giới, việc bổ sung một lượng nhỏ nước vào nhiên liệu diesel có thể cắt giảm mạnh lượng khí thải độc hại, đồng thời vẫn duy trì, thậm chí trong một số trường hợp còn cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.
Nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Công nghệ Liên bang Owerri (Nigeria) đã xem xét hàng loạt công trình về công nghệ Water-in-Diesel Emulsion (WiDE) phương pháp tạo nhũ tương bằng cách phân tán các giọt nước siêu nhỏ trong nhiên liệu diesel. Theo các nhà nghiên cứu, đây là một giải pháp tương đối đơn giản nhưng có tiềm năng giúp động cơ diesel sạch hơn mà không cần thay đổi hay thiết kế lại động cơ, từ đó tiết kiệm đáng kể chi phí nâng cấp.
Mặc dù có hiệu suất cao, động cơ diesel tạo ra lượng lớn các chất ô nhiễm, trong đó đáng lo ngại nhất là oxit nitơ và bụi mịn. Oxit nitơ là tác nhân góp phần hình thành khói mù quang hóa, gây kích ứng đường hô hấp và làm suy giảm chất lượng không khí. Trong khi đó, bụi mịn có kích thước cực nhỏ có thể đi sâu vào phổi, làm tăng nguy cơ mắc các bệnh về hô hấp, tim mạch và nhiều vấn đề sức khỏe khác. Khí thải diesel cũng góp phần làm gia tăng tác động của biến đổi khí hậu. Hiện nay, nhiều động cơ diesel hiện đại sử dụng bộ xúc tác và bộ lọc hạt để giảm ô nhiễm. Tuy nhiên, các hệ thống này khiến động cơ trở nên phức tạp và đắt đỏ hơn. Công nghệ WiDE được xem là một giải pháp bổ sung đơn giản và tiết kiệm hơn.
Nghe có vẻ khó tin khi trộn nước vào nhiên liệu cho động cơ. Thực tế, nước không được đổ trực tiếp vào bình nhiên liệu. Thay vào đó, nước được chia thành các giọt cực nhỏ và phân tán đều trong diesel nhờ các chất hoạt động bề mặt. Những chất này đóng vai trò như chất ổn định, giúp nước không tách khỏi nhiên liệu. Nếu được pha chế đúng cách, hỗn hợp này có thể ổn định trong khoảng 60 ngày.
Khi nhiên liệu được phun vào buồng đốt, các giọt nước nhanh chóng hóa hơi. Sự giãn nở đột ngột tạo nên hiện tượng gọi là "vi nổ", làm các giọt nhiên liệu bị chia nhỏ hơn và hòa trộn với không khí hiệu quả hơn. Quá trình cháy vì thế diễn ra hoàn toàn hơn. Đồng thời, sự có mặt của nước giúp giảm nhiệt độ cực đại trong buồng đốt. Hai cơ chế này mang lại lợi ích kép: Giảm nhiệt độ cháy, từ đó hạn chế hình thành khí oxit nitơ; Đốt cháy nhiên liệu triệt để hơn, giúp giảm lượng muội than và bụi mịn phát sinh.
Các nghiên cứu được tổng hợp cho thấy công nghệ WiDE mang lại kết quả rất ấn tượng. So với nhiên liệu diesel thông thường, nhiên liệu nhũ tương nước có thể làm giảm tới 67% lượng khí oxit nitơ và giảm tới 68% lượng bụi mịn phát thải.
Không chỉ giảm ô nhiễm, nhiều thử nghiệm còn ghi nhận hiệu suất nhiệt của động cơ được cải thiện. Điều này đồng nghĩa với việc động cơ chuyển đổi năng lượng từ nhiên liệu thành công suất cơ học hiệu quả hơn, giảm thất thoát năng lượng dưới dạng nhiệt.
Tiến sĩ Chukwuemeka Fortunatus Nnadozie, tác giả chính của nghiên cứu nhận định: "Nhũ tương nước trong diesel là giải pháp thực tế và tiết kiệm để giúp động cơ diesel sạch hơn. Vì không cần thiết kế lại động cơ, công nghệ này có thể được triển khai nhanh chóng ở cả các nước đang phát triển lẫn các quốc gia phát triển”.
Một trong những yếu tố quyết định thành công của công nghệ WiDE là lựa chọn đúng loại chất hoạt động bề mặt. Đây là những hợp chất giúp nước và diesel duy trì trạng thái phân tán ổn định. Nếu hỗn hợp bị tách lớp, hiệu quả vận hành và độ an toàn của động cơ sẽ bị ảnh hưởng. Các nhà nghiên cứu cho biết việc kết hợp nhiều loại chất hoạt động bề mặt thường tạo ra hỗn hợp ổn định hơn, đồng thời cải thiện quá trình cháy và hiệu suất của động cơ.
Dù mang lại nhiều triển vọng, nhóm nghiên cứu cho rằng vẫn cần thêm các thử nghiệm để xác định công thức tối ưu của chất hoạt động bề mặt cũng như đánh giá ảnh hưởng lâu dài của loại nhiên liệu này đối với các chi tiết động cơ. WiDE không nhằm thay thế hoàn toàn các công nghệ nhiên liệu sạch khác như biodiesel hay các hệ thống xử lý khí thải hiện đại. Thay vào đó, công nghệ này có thể hoạt động song song với các giải pháp hiện có để tiếp tục giảm ô nhiễm và hỗ trợ mục tiêu giảm phát thải.
"Công nghệ này có thể trở thành cầu nối giữa việc sử dụng diesel truyền thống và một tương lai năng lượng sạch hơn. Nếu được tối ưu hóa và kiểm chứng đầy đủ, nó sẽ đóng vai trò quan trọng trong hệ thống giao thông và công nghiệp phát triển bền vững”, giáo sư Emeka Emmanuel Oguzie, đồng tác giả nghiên cứu cho hay.
Trong bối cảnh nhiều ngành công nghiệp vẫn phụ thuộc vào động cơ diesel, một thay đổi tưởng chừng rất đơn giản có thể mở ra hướng đi hiệu quả nhằm giảm đáng kể ô nhiễm không khí mà không cần thay thế toàn bộ hệ thống động cơ hiện có.
