Hiệu quả Kỹ thuật và Kinh tế của Thiết bị Bơm/Phun Hydro trong Động cơ Đốt trong: Phân tích tổng quan từ các nghiên cứu quốc tế

 

Ngày đăng: 15/08/2026, Ban Thư ký VAHC, Annie Nguyễn

 

I. Tổng quan Công nghệ và Bối cảnh Toàn cầu

Công nghệ bơm và phun hydro vào động cơ đốt trong (H2-ICE) đã có những bước tiến vượt bậc trong những năm gần đây, đặc biệt trong phân khúc xe tải hạng nặng và các ứng dụng công nghiệp, khi các thách thức kỹ thuật cốt lõi đang dần được giải quyết và bài toán kinh tế bắt đầu trở nên rõ ràng. Phương pháp phun trực tiếp (Direct Injection - DI) đang nổi lên như tiêu chuẩn công nghệ, vượt trội so với phương pháp phun trên đường ống nạp (Port Fuel Injection - PFI) về hiệu suất và kiểm soát cháy bất thường.

 

Các nghiên cứu gần đây từ nhiều quốc gia, bao gồm các thử nghiệm thực tế trên động cơ dung tích lớn tại Trung Quốc và Nhật Bản, đang cung cấp dữ liệu thực nghiệm quan trọng để tối ưu hóa hệ thống phun. Sự quan tâm toàn cầu đối với H2-ICE được thúc đẩy bởi hai yếu tố chính: khả năng tận dụng cơ sở hạ tầng và chuỗi cung ứng của động cơ đốt trong truyền thống, cùng với tiềm năng trung hòa carbon khi sử dụng hydro xanh.

 

 

II. Dữ liệu Kỹ thuật chi tiết

1. Ảnh hưởng của Áp suất và Thời điểm Phun

Áp suất phun tối ưu:
Mối quan hệ giữa áp suất phun và hiệu suất động cơ là phi tuyến tính và phụ thuộc nhiều vào điều kiện vận hành. Mặc dù tăng áp suất phun từ 50 bar lên 150 bar có thể rút ngắn thời gian phun xuống khoảng một phần ba, nhưng các nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ sáu xi-lanh cho thấy, ở điều kiện tải trung bình và cao, việc tăng áp suất phun từ 5 bar lên 25 bar có thể làm giảm cả công suất và hiệu suất nhiên liệu, dù NOx giảm đáng kể.

 

Nghiên cứu trên động cơ phun trực tiếp cho thấy áp suất phun 25-27.5 bar mang lại áp suất đỉnh trong xi-lanh cao nhất và sớm nhất ở điều kiện thời điểm phun cố định. Ở áp suất 15 bar, thời gian cháy trễ tăng lên 14.7° góc quay trục khuỷu (CA), trong khi ở 25 bar, NOx đạt đỉnh 537 ppm . Hiệu suất nhiệt phanh (BTE) thể hiện mối quan hệ hình chữ U với áp suất, với hiệu suất thấp nhất quanh mức 25 bar khi thời điểm phun được giữ cố định.

 

Thí nghiệm trên động cơ 1.054 L của Nhật Bản so sánh phun áp suất cao 10 MPa và áp suất thấp 3 MPa (LPDI) cho thấy LPDI có thể đạt hiệu suất nhiệt chỉ thị (ITE) cao, lên tới 47.8%, trong khi vẫn duy trì phát thải NOx ở mức gần bằng 0 ở chế độ cháy siêu nghèo (λ ≈ 3.3) . Phun áp suất thấp còn cải thiện độ bền và khả năng làm kín của kim phun, đặc biệt khi kết hợp với chiến lược phun muộn.

 

Thời điểm phun muộn:
Chiến lược phun muộn tạo ra hỗn hợp phân tầng, giúp cải thiện hiệu suất nhiệt. Trên động cơ 1.054L, ITE tăng khi thời điểm phun được làm muộn từ 90° CA BTDC (trước khi piston lên điểm chết trên) xuống 60° CA BTDC . Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng với LPDI, khi thời điểm phun muộn hơn 70° CA BTDC, áp suất trong xi-lanh tiến gần đến áp suất phun, gây khó khăn cho việc phun nhiên liệu.

 

Một nghiên cứu khác trên động cơ 2.8 L cho thấy việc tối ưu hóa đồng thời hệ số dư lượng không khí (λ), thời điểm phun (SOI) và áp suất phun (PH2) có thể giải quyết bài toán cân bằng giữa hiệu suất và phát thải . Các thuật toán tối ưu như thuật toán di truyền và tối ưu bầy đàn đang được áp dụng để tìm ra vùng vận hành tối ưu cho H2-ICE.

 

2. Chiến lược Phun Đa điểm và Động học Tia phun

Phun hai lần (Split Injection):
Chia lượng hydro thành hai lần phun là chiến lược quan trọng để cải thiện quá trình hòa trộn và kiểm soát cháy. Trên động cơ dung tích lớn 15.0 L, việc điều chỉnh tỷ lệ phun thứ cấp từ 10% đến 40% có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và phát thải . Nghiên cứu chỉ ra rằng chiến lược phun thứ cấp có thể thúc đẩy quá trình cháy và cải thiện hiệu suất nhiệt so với phun đơn, mặc dù có thể làm tăng NOx.

 

ITE có thể đạt tới 44.72% với chiến lược phun hai lần được tối ưu . Để đạt ITE tối đa 44.05%, cần điều chỉnh tích hợp hình dạng đầu piston, thông số phun và áp suất phun.

 

Động học tia phun:
Khi phun vào môi trường có áp suất và nhiệt độ cao, tia hydro có đặc tính xuyên sâu và thể tích lớn hơn đáng kể so với các nhiên liệu khí khác. Cụ thể, ở thời điểm 30 μs, tia hydro có độ xuyên trục và thể tích lần lượt lớn hơn 16% và 117% so với methane trong cùng điều kiện . Hydro xuyên thấm nhanh hơn và phát triển cấu trúc xoáy mạnh hơn, thúc đẩy hòa trộn nhiên liệu-không khí tốt hơn.

 

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng áp suất phun chủ yếu ảnh hưởng đến sự tạo rối trong quá trình phun, ảnh hưởng đến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy . Cấu trúc kim phun cũng có tác động đáng kể đến động học tia phun, với các thiết kế như OOI (outward-opening injector) và NSI (needle single orifice) cho các đặc tính phun khác nhau.

 

3. Vấn đề Phát thải NOx và Giải pháp

Thách thức NOx:
Nhiệt độ cháy cao trong động cơ hydro dẫn đến phát thải NOx có thể cao hơn động cơ xăng truyền thống. Nghiên cứu trên động cơ 14.6 L cho thấy vấn đề này cần được giải quyết một cách hệ thống.

 

Giải pháp chính - Cháy siêu nghèo (Ultra-lean combustion):
Đây là chiến lược hiệu quả nhất để kiểm soát NOx. Vận hành ở chế độ siêu nghèo với λ ≈ 3 có thể đưa NOx về mức gần bằng 0 (0-5 ppm) . Nghiên cứu trên động cơ 2.8 L xác nhận NOx đạt gần bằng 0 ở λ = 3.

 

Các giải pháp bổ sung:

• EGR (Exhaust Gas Recirculation): Có hiệu quả trong việc giảm NOx nhưng có thể làm giảm vài điểm hiệu suất.

• Phun nước (Water Injection): Được chứng minh có tiềm năng giảm NOx đáng kể.

• Phun hai lần và tối ưu hóa đa tham số: Kết hợp điều chỉnh λ, SOI và áp suất phun để cân bằng hiệu suất và phát thải.

 

III. Phân tích Dữ liệu Kinh tế

1. Chi phí Hệ thống (CAPEX)

Lợi thế cạnh tranh cốt lõi của H2-ICE đến từ việc tận dụng công nghệ và chuỗi cung ứng hiện có. H2-ICE yêu cầu các sửa đổi có mục tiêu cho động cơ diesel thông thường – bao gồm hệ thống phun nhiên liệu, đánh lửa, tăng áp – nhưng vẫn giữ lại kiến trúc động cơ cốt lõi . Điều này cho phép tiếp tục sử dụng chuỗi cung ứng, cơ sở hạ tầng dịch vụ và kỹ năng kỹ thuật viên hiện có . H2-ICE cũng tránh phụ thuộc vào khoáng sản quan trọng nhập khẩu, tăng cường an ninh năng lượng.

Một nghiên cứu so sánh cho xe tải hạng nặng ở Phần Lan chỉ ra rằng đối với xe tải lớn, H2-ICE nổi lên như lựa chọn kinh tế nhất mặc dù hiệu suất thấp hơn, chủ yếu do chi phí mua xe thấp hơn . Nghiên cứu của UC Davis cũng nhấn mạnh chi phí sản xuất thấp hơn và độ tin cậy tiềm năng cao hơn của H2-ICE so với FCEV.

 

2. Chi phí Vận hành và Tổng chi phí Sở hữu (TCO)

TCO hiện tại và tương lai:
Tại thị trường Ấn Độ, với giá hydro hiện tại khoảng Rs 750/kg, TCO cho xe tải 35 tấn trong vòng đời 8 năm là Rs 102.52/km, cao hơn đáng kể so với diesel (Rs 45.09/km). Tuy nhiên, với giá hydro dự kiến Rs 200/kg, TCO giảm xuống Rs 45.65/km, gần đạt ngang bằng với diesel.

 

Một phân tích TCO cho xe tải hạng nặng ở Phần Lan cho thấy H2-ICE hấp dẫn về mặt kinh tế ở mức giá hydro dưới €4/kg cho ứng dụng đô thị và dưới €8-10/kg cho ứng dụng đường dài và liên thành phố . Nghiên cứu dự báo đến năm 2035, xe tải H2-ICE hybrid (HEV) có thể đạt hoặc thậm chí vượt TCO của diesel (giảm 5-8%).

Đối với xe tải loại 8 đường dài, H2-ICE HEV có độ nhạy đặc biệt với hiệu suất năng lượng và chi phí nhiên liệu, và khả năng tiếp cận thực tế hơn như một giải pháp chuyển tiếp do chi phí vốn thấp hơn và cơ sở sản xuất đã được thiết lập.

 

Yếu tố độ tinh khiết nhiên liệu:
H2-ICE có thể sử dụng hydro có độ tinh khiết thấp hơn FCEV, mang lại lợi thế về chi phí và tính linh hoạt trong nguồn cung.

 

3. Chi phí Phát thải và Tuân thủ

H2-ICE mang lại lợi thế về phát thải CO₂ ở khâu vận hành (Well-to-Wheel) khi sử dụng hydro xanh, đáp ứng các quy định khí thải ngày càng nghiêm ngặt. Tuy nhiên, H2-ICE không phải là xe không phát thải (ZEV) ở khâu vận hành do phát thải NOx, trong khi FCEV là ZEV.

Công nghệ phun HPDI (High Pressure Direct Injection) có khả năng tuân thủ các quy định phát thải tương lai, mặc dù vẫn có phát thải NOx do đặc trưng cháy khuếch tán.

 

IV. Kết luận và Triển vọng

Công nghệ bơm/phun hydro, đặc biệt là phun trực tiếp, đã đạt được các thông số hiệu suất ấn tượng, với hiệu suất nhiệt chỉ thị có thể đạt 47.8% và khả năng vận hành ở chế độ siêu nghèo giúp kiểm soát NOx ở mức gần như bằng không . Về mặt kinh tế, H2-ICE có lợi thế chi phí hệ thống thấp hơn đáng kể so với FCEV và khả năng tận dụng cơ sở hạ tầng và chuỗi cung ứng sẵn có, khiến nó trở thành một giải pháp chuyển tiếp hấp dẫn, đặc biệt cho xe tải hạng nặng, máy móc công nghiệp và các ứng dụng tải nặng khác.

 

Tuy nhiên, thách thức kiểm soát NOx trong điều kiện tải cao và sự phụ thuộc vào công nghệ phun áp suất cao vẫn còn đó. Các nghiên cứu toàn cầu đang tập trung giải quyết hai vấn đề này thông qua tối ưu hóa đa tham số (λ, SOI, áp suất phun) và phát triển các chiến lược phun tiên tiến như phun hai lần và phun nước . Xu hướng phát triển hiện nay đang chuyển từ chứng minh công nghệ sang chứng minh giá trị thương mại, với các dự án trình diễn và thương mại hóa bước đầu tại nhiều quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản, và các nước châu Âu.

 

Danh mục Nhà sản xuất và Công nghệ HOD

Tên Công ty / Nhà sản xuất	Quốc gia	Công nghệ / Sản phẩm chính	Hiệu quả đã công bố	Thông tin thêm
dynaCERT Inc.	Canada	HydraGEN™: Tạo H2 và O2 từ nước qua điện phân, đưa vào đường ống nạp động cơ diesel.	Giảm nhiên liệu ~8-20%; Giảm NOx tới 88.7%; Giảm CO₂ tới 9.6%; Giảm PM tới 55.3%.	Thường lắp trên xe tải hạng nặng, thiết bị khai thác mỏ. Chi phí thiết bị khoảng $8,000 - $10,000 USD.
Greentek Australia	Australia	Hệ thống phun H2: Sản xuất hydro 99.9% và phun vào đường ống nạp, điều khiển bởi ECU chuyên dụng.	Thử nghiệm tại Việt Nam: Tiết kiệm 15-30% nhiên liệu diesel; Giảm 25-35% CO₂; Giảm 18-45% khói bụi.	Hướng đến xây dựng nhà máy tại Việt Nam. Tăng công suất động cơ và giữ sạch buồng đốt.
HYDI Hydrogen	Australia	Thiết bị HYDI: Tạo hydro từ nước cất và điện xe, không lưu trữ, kết nối Bluetooth.	Thử nghiệm trên xe tải Scania: Tiết kiệm nhiên liệu lên tới 15%; Giảm CO₂, NOx và PM.	Không yêu cầu sửa đổi động cơ, không ảnh hưởng bảo hành OEM.
HHO Plus	Bồ Đào Nha	Bộ tạo khí HHO: Tạo hỗn hợp Hydro và Oxy, thường được bán dưới dạng DIY (tự lắp ráp).	Tuyên bố cải thiện hiệu suất đốt cháy và tiết kiệm nhiên liệu.	Có uy tín trái chiều; nhiều đánh giá tiêu cực về chất lượng và hỗ trợ khách hàng.
PUREST FUELS LLC	Hoa Kỳ	Giải pháp HHO: Phun hydro theo yêu cầu, hệ thống giám sát thời gian thực.	Hỗ trợ cải thiện hiệu quả đốt cháy, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải.	Hỗ trợ báo cáo ESG và không yêu cầu sửa đổi động cơ lớn.
eHydrogen Solutions	Hoa Kỳ	Hydrogen-on-Demand: Điện phân nước cất để tạo hydro, phun vào quá trình đốt cháy.	Giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải.	Công nghệ có thể thích ứng cho nhiều loại động cơ đốt trong và ứng dụng cố định.
Alpha H2	Hoa Kỳ (Thử nghiệm tại Mexico)	Bộ chuyển đổi nước thành hydro: Trộn hydro với nhiên liệu truyền thống.	Thử nghiệm cho thấy giảm 20% nhiên liệu, 13% CO₂ và 16% hydrocarbon.	Đang trong giai đoạn thử nghiệm thực tế.

 

Lưu ý: Các thông số hiệu quả trong bảng trên là số liệu do các hãng công bố, có thể khác biệt tùy thuộc vào điều kiện vận hành, loại động cơ và tình trạng bảo dưỡng. 

 

Tài liệu tham khảo

1. ScienceDirect. (2025). Single-factor analysis and multi-objective optimization of hydrogen injection strategies and stoichiometric control for a PFI hydrogen ICE. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652625024837

2. ScienceDirect. (2026). Cost drivers and decarbonization trade-offs of transitioning refuse trucks to hydrogen - A total cost of ownership comparison of diesel, hydrogen ICE, and hydrogen fuel cell trucks. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S036031992602776X

3. Matilda. (2024). A Review of Hydrogen Storage System (HSS) and Hydrogen Internal Combustion Engine (H2-ICE) for the Potential H2-ICE Vehicle. https://matilda.science/work/a9406ef8-91f8-4924-81ff-eec71d7c7b40

4. ScienceDirect. (2026). Coupling effects of excess air ratio and injection timing on performance and NOx emissions of a direct-injection hydrogen engine. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319926003113

5. ScienceDirect. (2026). Comparative evaluation of hydrogen-based powertrains in medium- and heavy-duty trucks as transitional solutions for electrification. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319926020185

6. ScienceDirect. (2026). Performance analysis of a large-displacement hydrogen direct injection engine designed for zero-carbon heavy-duty truck. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959652626004671

7. Sage Journals. (2025). Hydrogen internal combustion engines: Bridging the gap to zero-emission transportation. https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/0958305x251375934

8. SAE International. (2024). Erik Doosje - Profile. https://profiles.sae.org/erik_doosje/

9. ScienceDirect. (2025). Experimental and numerical investigation of a low-pressure direct-injection hydrogen engine focusing on high thermal efficiency with near-zero emissions. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319925054217

10. Renewable Watch. (2026). Green Mobility: Assessing the commercial viability of hydrogen in transportation. https://renewablewatch.in/2026/06/07/green-mobility-assessing-the-commercial-viability-of-hydrogen-in-transportation/

11. Towards Automotive. (2025). H2-ICE Market Emerging Trends, Opportunities and Competitive Benchmarking. https://www.towardsautomotive.com/report-toc.php?slug=h2-ice-market-sizing

12. ScienceDirect. (2025). Spray-to-combustion interaction in hydrogen direct injection engines: Effects of injector structure and injection pressure. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544225031561

13. DOAJ. (2025). Experimental study on the effects of injection pressure and injection timing on combustion and emissions in a direct-injection hydrogen engine. https://doaj.org/article/c764cfcff4cc403da563e2b937221e69

14. UC Davis. (2024). A Comparative Review of Hydrogen Engines and Fuel Cells for Trucks. https://itspubs.ucdavis.edu/publication_detail.php?id=4492

15. Semantic Scholar. (2024). A Review of Hydrogen Storage System (HSS) and Hydrogen Internal Combustion Engine (H2-ICE) for the Potential H2-ICE Vehicle. https://www.semanticscholar.org/paper/A-Review-of-Hydrogen-Storage-System-(HSS)-and-for-Biswas-Naik/0050f21a6142379f3d39f44e61fd733c38554586