Đột phá KHCN - Đổi mới sáng tạo.

Chịu trách nhiệm nội dung: Bảo Hiền 

Nghiên cứu tại Đức cho thấy phát thải từ lốp xe phụ thuộc không chỉ vào ma sát mà còn chịu tác động của tải trọng bánh, nhiệt độ lốp và bụi đường tái phát tán.

Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Ilmenau (Đức), phối hợp với Audi, đã phát triển hệ thống đo trực tiếp hạt mài mòn từ lốp xe và mặt đường khi ôtô đang vận hành.

Kết quả thử nghiệm cho thấy động lực học của xe, như tốc độ, gia tốc và thao tác vào cua, có liên hệ với lượng hạt phát thải. Tuy nhiên, khi chuyển từ đường thử sang đường giao thông thực tế, mối quan hệ này yếu đi đáng kể do sự xuất hiện của nhiều yếu tố nhiễu, đặc biệt là bụi đường tích tụ và tái phát tán.

Nguồn phát thải ngoài ống xả

Một chiếc xe hạng nhẹ thường sử dụng lốp trong khoảng 40.000-50.000 km. Trong thời gian này, tới 30% khối lượng bề mặt lốp có thể bị mài mòn và phát tán ra môi trường dưới dạng các hạt nhỏ.

Mức độ mài mòn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, từ loại lốp, cấu hình xe đến cách điều khiển, trong đó có tốc độ, gia tốc dọc và gia tốc ngang.

Các hạt hình thành từ quá trình mài mòn lốp và mặt đường, thường được gọi là TRWP (tire and road wear particles), cùng với bụi đường tái phát tán và bụi phanh là những nguồn chính của phát thải không qua ống xả.

Theo nghiên cứu, phát thải không qua ống xả hiện đóng góp lượng PM10 liên quan đến giao thông ở mức tương đương phát thải qua ống xả. Riêng TRWP được ước tính chiếm khoảng 5-30% lượng này, với hệ số phát thải PM10 khoảng 3,5-9,0 mg/km.

Sự chuyển dịch sang xe điện khiến vấn đề trở nên đáng chú ý hơn. Xe điện không có khí thải từ ống xả và có thể giảm mài mòn phanh nhờ hệ thống phanh tái sinh, nhưng thường nặng hơn xe động cơ đốt trong. Khối lượng lớn có thể làm tăng tải lên lốp và qua đó ảnh hưởng đến lượng hạt mài mòn.

TRWP cũng được xem là một nguồn vi nhựa đáng kể do hoạt động của con người tạo ra. Tuy nhiên, hiện chưa có quy định pháp lý giới hạn cụ thể mức độ mài mòn của lốp.

Hệ thống đo ngay phía sau bánh xe

Để tìm hiểu cơ chế hình thành các hạt này, nhóm nghiên cứu sử dụng một xe dẫn động cầu trước, khối lượng 2.119 kg và công suất 75 kW, lắp lốp mùa hè.

Một hệ thống lấy mẫu thể tích không đổi được bố trí phía sau bánh trước bên phải để thu các hạt phát sinh từ khu vực tiếp xúc giữa lốp và mặt đường. Hệ thống phanh được bọc kín, giúp hạn chế bụi phanh lọt vào vùng đo.

Phễu lấy mẫu được thiết kế bằng mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) nhằm tăng hiệu quả thu hạt. Thiết bị được gắn với trục bánh và có thể xoay theo phương ngang khi xe vào cua, giúp duy trì hướng đo phù hợp với bề mặt lốp.

Nghiên cứu tập trung vào các hạt có đường kính dưới 10 micromet, được đo bằng thiết bị DustTrak II với tần suất một lần mỗi giây.

Xe đồng thời được trang bị hệ thống định vị và đo quán tính để ghi nhận tốc độ, gia tốc dọc, gia tốc ngang, cùng cảm biến nhiệt độ lốp và hành trình hệ thống treo.

Khi ma sát giải thích được lượng phát thải

Nhóm thực hiện hai loại thử nghiệm.

Một chu trình được tiến hành trên đường công cộng dài 87 km, bao gồm các đoạn đô thị, ngoại ô và cao tốc. Chu trình còn lại được mô phỏng trên đường thử kín nhằm hạn chế ảnh hưởng của bụi đường và những thay đổi khó kiểm soát của mặt đường thực tế.

Trên đường thử kín, các lần tăng tốc mạnh, chủ yếu ở tốc độ dưới 60 km/h, đi kèm nồng độ hạt cao. Lượng hạt cũng có xu hướng tăng khi tốc độ xe tăng, ngay cả khi gia tốc thấp hơn.
Để giải thích hiện tượng này, nhóm nghiên cứu sử dụng khái niệm công suất ma sát - năng lượng được truyền tại vùng tiếp xúc giữa lốp và mặt đường.

Một phần năng lượng ma sát chuyển thành nhiệt, làm tăng nhiệt độ lốp; phần khác liên quan đến quá trình mài mòn vật liệu. Dựa trên vận tốc trượt giữa lốp và mặt đường cùng các lực cản và gia tốc của xe, nhóm tính toán công suất ma sát rồi đối chiếu với nồng độ hạt đo được.

Trên đường thử, mô hình này mô tả khá tốt diễn biến phát thải. Công suất ma sát tăng rõ khi phanh và cũng tăng ở các khúc cua, ngay cả khi gia tốc dọc thấp.

Tuy nhiên, một hiện tượng bất thường xuất hiện khi so sánh cua trái và cua phải.

Khi xe vào cua phải, bánh trước bên phải chịu tải thấp hơn và xảy ra trượt nhiều hơn, khiến công suất ma sát tăng. Nhưng lượng hạt đo được lại cao hơn ở chiều ngược lại.

Kết quả này cho thấy ma sát không phải yếu tố duy nhất quyết định lượng hạt phát thải. Tải trọng tác dụng lên bánh xe cũng có thể ảnh hưởng độc lập đến quá trình hình thành các hạt PM dưới 10 micromet.

Ra đường thực tế, bài toán phức tạp hơn

Khi áp dụng phương pháp trên đường giao thông công cộng, mối quan hệ giữa công suất ma sát và lượng hạt phát thải trở nên yếu hơn đáng kể.

Có những thời điểm công suất ma sát tăng nhưng nồng độ hạt không tăng tương ứng. Ngược lại, một số đỉnh phát thải lớn xuất hiện khi công suất ma sát ở mức thấp.

Theo nhóm nghiên cứu, một nguyên nhân có thể là bụi đường đã tích tụ từ trước và bị lốp xe cuốn lên, thay vì hoàn toàn được tạo ra bởi quá trình mài mòn tại thời điểm đo.

Điều này cho thấy việc đo phát thải TRWP trên đường thực tế khó hơn nhiều so với đường thử kín, bởi lượng hạt thu được có thể là kết quả của nhiều quá trình xảy ra đồng thời.

Các đoạn đường đô thị ghi nhận lượng PM dưới 10 micromet đáng kể dù tốc độ xe thấp hơn. Nguyên nhân được cho là mật độ thao tác lái cao, với nhiều lần tăng tốc, giảm tốc và thay đổi hướng.

Ở khu vực ngoại ô, mức phát thải thấp hơn rõ rệt. Trong khi đó, trên cao tốc, các đoạn đường thẳng dài chỉ xuất hiện một số đỉnh phát thải, chủ yếu khi xe tăng hoặc giảm tốc.

Tốc độ cao cũng làm khó việc lấy mẫu

Một hạn chế khác được phát hiện nằm ở chính hệ thống đo.

Hiệu suất thu mẫu giảm mạnh khi tốc độ xe tăng. Hệ thống thu được khoảng 40% lượng hạt ở tốc độ dưới 30 km/h nhưng giảm xuống dưới 10% khi xe chạy trên 60 km/h.

Điều này đặt ra thách thức khi đánh giá phát thải trong điều kiện giao thông thực tế, đặc biệt trên đường cao tốc.

Phân tích kích thước hạt cũng cho thấy phần lớn khối lượng PM10 được quyết định bởi các hạt có kích thước trên 1 micromet. Các hạt nhỏ hơn 1 micromet có thể xuất hiện với số lượng lớn nhưng đóng góp không đáng kể vào tổng khối lượng.

Đáng chú ý, nhóm hạt dưới 1 micromet cũng khó được quy trực tiếp cho TRWP vì chúng có thể lẫn với các hạt bụi tồn tại sẵn trong không khí.

Hướng tới mô hình dự báo phát thải

Từ kết quả thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đề xuất xem phát thải liên quan đến lốp xe gồm ít nhất hai thành phần.

Một là bụi đường tái phát tán, phụ thuộc nhiều vào tốc độ xe và lượng bụi tích tụ trên mặt đường.

Hai là hạt phát sinh từ ma sát trực tiếp giữa lốp và mặt đường, chịu ảnh hưởng của công suất ma sát, tải trọng bánh xe và nhiệt độ bề mặt lốp.

Cách phân tách này có thể giúp xây dựng các mô hình dự báo phát thải sát hơn với điều kiện giao thông thực tế.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho rằng việc dự đoán lượng TRWP trong điều kiện lái xe thực tế vẫn còn khó do số lượng biến ảnh hưởng lớn. Loại mặt đường và tải trọng tác dụng lên lốp là hai yếu tố cần được nghiên cứu thêm.

Các thử nghiệm trong môi trường được kiểm soát tốt hơn, chẳng hạn trên băng thử khung gầm, có thể giúp giảm nhiễu và sai số lấy mẫu, từ đó cung cấp dữ liệu để hoàn thiện mô hình.
Nghiên cứu cho thấy việc đánh giá phát thải từ lốp xe không thể chỉ dựa vào một biến như ma sát. Khi xe bước ra đường thực tế, lốp, mặt đường, tải trọng, nhiệt độ, bụi tích tụ và cách lái cùng tham gia tạo nên “dấu vết” phát thải. Đây cũng là thách thức lớn đối với việc xây dựng các tiêu chuẩn kiểm soát nguồn ô nhiễm không qua ống xả trong tương lai.

Nguồn: Feißel, T., Kunze, M., Hesse, D., Ivanov, V., Augsburg, K. & Gramstat, S. On-Road Vehicle Measurement of Tire Wear Particle Emissions and Approach for Emission Prediction. Tire Science and Technology, 52(1), 2-14 (2024).