Khi bạn lái xe vào trạm xăng và dễ dàng cầm vòi bơm nhiên liệu, lắng nghe âm thanh ọc ọc của xăng đổ đầy bình, bạn đang chứng kiến một kỳ quan công nghệ mà hầu hết các tài xế đều coi là điều hiển nhiên. Vòi bơm nhiên liệu khiêm tốn, một thiết bị được hoàn thiện trong hơn một thế kỷ đổi mới, chứa đựng sự tinh vi về kỹ thuật hơn những gì bạn thấy.
Vòi bơm nhiên liệu có từ trước cả ô tô. Năm 1885, nhà phát minh người Mỹ Sylvanus Bowser đến từ Indiana đã tạo ra máy bơm nhiên liệu đầu tiên – mặc dù nó không được thiết kế cho ô tô. Máy bơm "xăng" ban đầu của ông cung cấp dầu hỏa cho đèn và bếp. Những cải tiến sau đó của Bowser, bao gồm các tính năng an toàn và ống, cuối cùng đã làm cho phát minh của ông phù hợp với ô tô. Di sản của ông vẫn còn rất mạnh mẽ đến mức một số quốc gia vẫn gọi vòi bơm nhiên liệu là "bowsers."
Nhà phát minh người Na Uy John J. Tokheim đã độc lập cấp bằng sáng chế cho một thiết kế máy bơm nhiên liệu khác vào năm 1901, thành lập một thương hiệu sẽ đồng nghĩa với công nghệ phân phối nhiên liệu. Công ty Tokheim đã được tập đoàn bán lẻ nhiên liệu khổng lồ OPW mua lại vào năm 2016, củng cố vị thế của mình trong ngành.
Trước khi có máy bơm đo lường hiện đại, vòi bơm nhiên liệu ban đầu có các xi lanh thủy tinh chia độ trong suốt. Nhân viên sẽ bơm nhiên liệu vào các buồng có thể nhìn thấy này trước, cho phép khách hàng xác minh số lượng trước khi trọng lực đưa nó vào bình xe. Hệ thống kính và trọng lực này đảm bảo tính minh bạch trong giao dịch trong một kỷ nguyên trước các phép đo tiêu chuẩn.
Khi công nghệ phát triển, các xi lanh thủy tinh nhường chỗ cho các quả cầu thủy tinh nhỏ chứa tuabin. Tuabin quay cung cấp xác nhận trực quan rằng nhiên liệu đang chảy. Gilbarco đã giới thiệu máy bơm nhiên liệu đo lường thương mại đầu tiên vào năm 1911 mà không có chỉ báo trực quan này, yêu cầu khách hàng tin tưởng vào hiệu chuẩn của chủ trạm – một minh chứng cho sự thay đổi về đạo đức kinh doanh.
Vòi bơm nhiên liệu ngày nay kết hợp các thiết bị điện tử tinh vi với cơ khí chính xác. "Đầu" điện tử hoạt động như bộ não, chứa một máy tính nhúng điều khiển các hoạt động bơm, điều khiển màn hình và giao tiếp với hệ thống điểm bán hàng của trạm. Phần cơ khí xử lý việc cung cấp nhiên liệu thực tế thông qua một hệ thống tích hợp gồm động cơ điện, bộ bơm, đồng hồ đo, bộ xung và van.
Ở những vùng khí hậu ấm hơn, đặc biệt là trên khắp châu Âu, nhiều trạm sử dụng máy bơm chìm được lắp đặt trực tiếp bên trong các bể chứa nhiên liệu. Những máy bơm chìm này loại bỏ các vấn đề về khóa hơi trong thời tiết nóng và xử lý hiệu quả các khoảng cách xa hơn giữa bể và bộ phân phối.
Vòi phun hiện đại đã phát triển vượt ra ngoài việc cung cấp nhiên liệu đơn giản, hiện kết hợp các tính năng như lựa chọn nhiên liệu đa cấp, xử lý thanh toán tự phục vụ và hệ thống nhận dạng người phục vụ.
Tốc độ tiếp nhiên liệu khác nhau đáng kể theo loại xe. Các xe chở khách nhẹ thường đổ đầy khoảng 13 gallon (50 lít) mỗi phút ở Mỹ, nơi các quy định giới hạn tốc độ ở mức 10 gallon (38 lít) mỗi phút. Xe tải thương mại tiếp nhiên liệu nhanh hơn nhiều – lên đến 40 gallon (150 lít) mỗi phút ở Mỹ và 34 gallon (130 lít) mỗi phút ở Anh.
Những hạn chế này tồn tại vì lý do chính đáng. Tốc độ dòng chảy quá mức có thể làm quá tải hệ thống thu hồi hơi của xe, có khả năng gây ra sự cố tràn nhiên liệu, gây ra các mối nguy hiểm về môi trường và rủi ro về an toàn. Đường kính của cổ nạp nhiên liệu của xe cuối cùng sẽ xác định tốc độ dòng chảy an toàn tối đa của nó.
Các tay cầm được mã hóa màu trên vòi bơm nhiên liệu có một mục đích quan trọng, mặc dù các sơ đồ màu cụ thể khác nhau trên toàn thế giới. Các trạm châu Âu thường sử dụng màu đen cho dầu diesel và màu xanh lá cây cho xăng không chì, trong khi các trạm của Mỹ thường chỉ định màu xanh lá cây cho dầu diesel, màu vàng cho ethanol E85 và các màu khác (đen, đỏ, trắng hoặc xanh lam) cho các loại xăng khác nhau.
Để ngăn chặn việc tiếp nhiên liệu sai, thiết kế vòi phun kết hợp các khác biệt về thể chất. Vòi phun dầu diesel có đường kính lớn hơn sẽ không phù hợp với cổ nạp xăng, trong khi vòi phun xăng có chì (nếu vẫn được sử dụng) rộng hơn so với các loại không chì. Những biện pháp bảo vệ cơ học này bổ sung cho mã màu trực quan.
Một số vòi bơm nhiên liệu tiên tiến có thể trộn hai loại nhiên liệu khác nhau, tạo ra các hỗn hợp tùy chỉnh cho các nhu cầu cụ thể. Công nghệ này phục vụ nhiều mục đích: trộn dầu với xăng cho động cơ hai thì, kết hợp nhiên liệu có chỉ số octan cao và thấp để tạo ra các loại trung gian hoặc trộn hydro với khí tự nhiên nén (HCNG).
Đối với các nhà bán lẻ, công nghệ pha trộn mang lại những lợi thế về hàng tồn kho. Bằng cách chỉ dự trữ hai loại nhiên liệu cơ bản, các trạm có thể cung cấp ba loại khác biệt, cải thiện hiệu quả vốn, sử dụng kho và doanh thu sản phẩm.
Đo lường nhiên liệu chính xác vẫn là chức năng quan trọng nhất của vòi phun. Các hệ thống hiện đại thường sử dụng đồng hồ đo piston bốn thì với bộ mã hóa điện tử chuyển đổi chuyển động cơ học thành xung điện. Trong khi các vòi phun cũ hơn kết nối đồng hồ đo trực tiếp với màn hình cơ học, các phiên bản hiện đại chuyển đổi các xung này thành số đọc kỹ thuật số.
Đo xăng đặt ra những thách thức độc đáo vì chất lỏng nở ra và co lại theo sự thay đổi nhiệt độ – gấp khoảng 4,5 lần so với nước ở 68°F (20°C). Để đảm bảo sự công bằng, chính phủ thiết lập các tiêu chuẩn đo lường nghiêm ngặt.
Ở Mỹ, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) quy định trong Sổ tay 44 rằng các phép đo nhiên liệu không được vượt quá sai số 0,3%. Đối với giao dịch mua 10 gallon (37,9 lít), thể tích thực tế được giao phải nằm trong khoảng từ 9,97 đến 10,03 gallon (37,7-38,0 lít).
Nhiệt độ tham chiếu để đo thể tích xăng là 60°F (15°C). Ở tiêu chuẩn này, 10 gallon xăng sẽ nở ra khoảng 10,15 gallon (38,4 lít) ở 85°F (29°C), nhưng co lại còn khoảng 9,83 gallon (37,2 lít) ở 30°F (-1°C). Mặc dù thể tích khác nhau, nhưng hàm lượng năng lượng vẫn không đổi. Điều thú vị là, xăng được mua ở 30°F chứa khoảng 3,2% năng lượng tiềm năng hơn so với cùng một thể tích danh nghĩa được mua ở 85°F.
Các bể chứa ngầm hiện đại, thường được xây dựng từ các vật liệu không kim loại kín (đôi khi có lớp cách nhiệt hai vách), giúp ổn định nhiệt độ nhiên liệu bất chấp sự thay đổi của khí quyển. Trong khi nhiệt độ không khí có thể dao động từ 30°F đến 85°F hàng năm, nhiệt độ bể ngầm vẫn tương đối không đổi do các đặc tính cách nhiệt của đất xung quanh.
Hiện tại, chỉ có Canada thực hiện bù nhiệt độ tự động tại các trạm xăng bán lẻ, trong khi Vương quốc Anh đang chuyển đổi sang hệ thống này. Mỹ chưa áp dụng công nghệ này, gây ra khoảng 0,1% độ không đảm bảo đo lường bổ sung.
Chính phủ trên toàn thế giới duy trì sự giám sát nghiêm ngặt đối với thiết bị phân phối nhiên liệu. Ở Mỹ, các sở đo lường của tiểu bang kiểm tra và chứng nhận vòi phun, áp đặt tiền phạt đối với việc không tuân thủ. Cơ quan Đo lường Canada của liên bang thực hiện các chức năng tương tự. Tất cả các vòi phun được chứng nhận phải hiển thị ngày và kết quả kiểm tra để minh bạch cho người tiêu dùng.
Một số quốc gia, như Mexico, tiến hành kiểm tra bất ngờ để ngăn chặn các phép đo gian lận. Các khuôn khổ pháp lý này giúp duy trì niềm tin của công chúng vào các giao dịch nhiên liệu.
Khi nhiên liệu thay thế ngày càng được ưa chuộng, công nghệ vòi phun tiếp tục phát triển. Các trạm tiếp nhiên liệu hydro đang nổi lên, với các phép đo dựa trên trọng lượng (kilogram) thay vì thể tích. Tiêu chuẩn của Mỹ cho phép sai số không quá 2,0% trong việc phân phối hydro.
Vòi phun thông minh đang kết hợp nhiều cảm biến và hệ thống điều khiển hơn để tăng cường độ chính xác, an toàn và tiện lợi. Các phiên bản trong tương lai có thể có tính năng thu hồi hơi tiên tiến, tích hợp thanh toán tự động và giám sát chất lượng theo thời gian thực.
Lần tới khi bạn cầm một vòi bơm nhiên liệu, hãy xem xét một thế kỷ đổi mới trong tay bạn – một sự kết hợp hoàn hảo giữa kỹ thuật cơ khí và điều khiển điện tử, mang lại một lượng năng lượng chính xác được đo lường cẩn thận để giữ cho thế giới của chúng ta chuyển động.
Khi bạn lái xe vào trạm xăng và dễ dàng cầm vòi bơm nhiên liệu, lắng nghe âm thanh ọc ọc của xăng đổ đầy bình, bạn đang chứng kiến một kỳ quan công nghệ mà hầu hết các tài xế đều coi là điều hiển nhiên. Vòi bơm nhiên liệu khiêm tốn, một thiết bị được hoàn thiện trong hơn một thế kỷ đổi mới, chứa đựng sự tinh vi về kỹ thuật hơn những gì bạn thấy.
Vòi bơm nhiên liệu có từ trước cả ô tô. Năm 1885, nhà phát minh người Mỹ Sylvanus Bowser đến từ Indiana đã tạo ra máy bơm nhiên liệu đầu tiên – mặc dù nó không được thiết kế cho ô tô. Máy bơm "xăng" ban đầu của ông cung cấp dầu hỏa cho đèn và bếp. Những cải tiến sau đó của Bowser, bao gồm các tính năng an toàn và ống, cuối cùng đã làm cho phát minh của ông phù hợp với ô tô. Di sản của ông vẫn còn rất mạnh mẽ đến mức một số quốc gia vẫn gọi vòi bơm nhiên liệu là "bowsers."
Nhà phát minh người Na Uy John J. Tokheim đã độc lập cấp bằng sáng chế cho một thiết kế máy bơm nhiên liệu khác vào năm 1901, thành lập một thương hiệu sẽ đồng nghĩa với công nghệ phân phối nhiên liệu. Công ty Tokheim đã được tập đoàn bán lẻ nhiên liệu khổng lồ OPW mua lại vào năm 2016, củng cố vị thế của mình trong ngành.
Trước khi có máy bơm đo lường hiện đại, vòi bơm nhiên liệu ban đầu có các xi lanh thủy tinh chia độ trong suốt. Nhân viên sẽ bơm nhiên liệu vào các buồng có thể nhìn thấy này trước, cho phép khách hàng xác minh số lượng trước khi trọng lực đưa nó vào bình xe. Hệ thống kính và trọng lực này đảm bảo tính minh bạch trong giao dịch trong một kỷ nguyên trước các phép đo tiêu chuẩn.
Khi công nghệ phát triển, các xi lanh thủy tinh nhường chỗ cho các quả cầu thủy tinh nhỏ chứa tuabin. Tuabin quay cung cấp xác nhận trực quan rằng nhiên liệu đang chảy. Gilbarco đã giới thiệu máy bơm nhiên liệu đo lường thương mại đầu tiên vào năm 1911 mà không có chỉ báo trực quan này, yêu cầu khách hàng tin tưởng vào hiệu chuẩn của chủ trạm – một minh chứng cho sự thay đổi về đạo đức kinh doanh.
Vòi bơm nhiên liệu ngày nay kết hợp các thiết bị điện tử tinh vi với cơ khí chính xác. "Đầu" điện tử hoạt động như bộ não, chứa một máy tính nhúng điều khiển các hoạt động bơm, điều khiển màn hình và giao tiếp với hệ thống điểm bán hàng của trạm. Phần cơ khí xử lý việc cung cấp nhiên liệu thực tế thông qua một hệ thống tích hợp gồm động cơ điện, bộ bơm, đồng hồ đo, bộ xung và van.
Ở những vùng khí hậu ấm hơn, đặc biệt là trên khắp châu Âu, nhiều trạm sử dụng máy bơm chìm được lắp đặt trực tiếp bên trong các bể chứa nhiên liệu. Những máy bơm chìm này loại bỏ các vấn đề về khóa hơi trong thời tiết nóng và xử lý hiệu quả các khoảng cách xa hơn giữa bể và bộ phân phối.
Vòi phun hiện đại đã phát triển vượt ra ngoài việc cung cấp nhiên liệu đơn giản, hiện kết hợp các tính năng như lựa chọn nhiên liệu đa cấp, xử lý thanh toán tự phục vụ và hệ thống nhận dạng người phục vụ.
Tốc độ tiếp nhiên liệu khác nhau đáng kể theo loại xe. Các xe chở khách nhẹ thường đổ đầy khoảng 13 gallon (50 lít) mỗi phút ở Mỹ, nơi các quy định giới hạn tốc độ ở mức 10 gallon (38 lít) mỗi phút. Xe tải thương mại tiếp nhiên liệu nhanh hơn nhiều – lên đến 40 gallon (150 lít) mỗi phút ở Mỹ và 34 gallon (130 lít) mỗi phút ở Anh.
Những hạn chế này tồn tại vì lý do chính đáng. Tốc độ dòng chảy quá mức có thể làm quá tải hệ thống thu hồi hơi của xe, có khả năng gây ra sự cố tràn nhiên liệu, gây ra các mối nguy hiểm về môi trường và rủi ro về an toàn. Đường kính của cổ nạp nhiên liệu của xe cuối cùng sẽ xác định tốc độ dòng chảy an toàn tối đa của nó.
Các tay cầm được mã hóa màu trên vòi bơm nhiên liệu có một mục đích quan trọng, mặc dù các sơ đồ màu cụ thể khác nhau trên toàn thế giới. Các trạm châu Âu thường sử dụng màu đen cho dầu diesel và màu xanh lá cây cho xăng không chì, trong khi các trạm của Mỹ thường chỉ định màu xanh lá cây cho dầu diesel, màu vàng cho ethanol E85 và các màu khác (đen, đỏ, trắng hoặc xanh lam) cho các loại xăng khác nhau.
Để ngăn chặn việc tiếp nhiên liệu sai, thiết kế vòi phun kết hợp các khác biệt về thể chất. Vòi phun dầu diesel có đường kính lớn hơn sẽ không phù hợp với cổ nạp xăng, trong khi vòi phun xăng có chì (nếu vẫn được sử dụng) rộng hơn so với các loại không chì. Những biện pháp bảo vệ cơ học này bổ sung cho mã màu trực quan.
Một số vòi bơm nhiên liệu tiên tiến có thể trộn hai loại nhiên liệu khác nhau, tạo ra các hỗn hợp tùy chỉnh cho các nhu cầu cụ thể. Công nghệ này phục vụ nhiều mục đích: trộn dầu với xăng cho động cơ hai thì, kết hợp nhiên liệu có chỉ số octan cao và thấp để tạo ra các loại trung gian hoặc trộn hydro với khí tự nhiên nén (HCNG).
Đối với các nhà bán lẻ, công nghệ pha trộn mang lại những lợi thế về hàng tồn kho. Bằng cách chỉ dự trữ hai loại nhiên liệu cơ bản, các trạm có thể cung cấp ba loại khác biệt, cải thiện hiệu quả vốn, sử dụng kho và doanh thu sản phẩm.
Đo lường nhiên liệu chính xác vẫn là chức năng quan trọng nhất của vòi phun. Các hệ thống hiện đại thường sử dụng đồng hồ đo piston bốn thì với bộ mã hóa điện tử chuyển đổi chuyển động cơ học thành xung điện. Trong khi các vòi phun cũ hơn kết nối đồng hồ đo trực tiếp với màn hình cơ học, các phiên bản hiện đại chuyển đổi các xung này thành số đọc kỹ thuật số.
Đo xăng đặt ra những thách thức độc đáo vì chất lỏng nở ra và co lại theo sự thay đổi nhiệt độ – gấp khoảng 4,5 lần so với nước ở 68°F (20°C). Để đảm bảo sự công bằng, chính phủ thiết lập các tiêu chuẩn đo lường nghiêm ngặt.
Ở Mỹ, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) quy định trong Sổ tay 44 rằng các phép đo nhiên liệu không được vượt quá sai số 0,3%. Đối với giao dịch mua 10 gallon (37,9 lít), thể tích thực tế được giao phải nằm trong khoảng từ 9,97 đến 10,03 gallon (37,7-38,0 lít).
Nhiệt độ tham chiếu để đo thể tích xăng là 60°F (15°C). Ở tiêu chuẩn này, 10 gallon xăng sẽ nở ra khoảng 10,15 gallon (38,4 lít) ở 85°F (29°C), nhưng co lại còn khoảng 9,83 gallon (37,2 lít) ở 30°F (-1°C). Mặc dù thể tích khác nhau, nhưng hàm lượng năng lượng vẫn không đổi. Điều thú vị là, xăng được mua ở 30°F chứa khoảng 3,2% năng lượng tiềm năng hơn so với cùng một thể tích danh nghĩa được mua ở 85°F.
Các bể chứa ngầm hiện đại, thường được xây dựng từ các vật liệu không kim loại kín (đôi khi có lớp cách nhiệt hai vách), giúp ổn định nhiệt độ nhiên liệu bất chấp sự thay đổi của khí quyển. Trong khi nhiệt độ không khí có thể dao động từ 30°F đến 85°F hàng năm, nhiệt độ bể ngầm vẫn tương đối không đổi do các đặc tính cách nhiệt của đất xung quanh.
Hiện tại, chỉ có Canada thực hiện bù nhiệt độ tự động tại các trạm xăng bán lẻ, trong khi Vương quốc Anh đang chuyển đổi sang hệ thống này. Mỹ chưa áp dụng công nghệ này, gây ra khoảng 0,1% độ không đảm bảo đo lường bổ sung.
Chính phủ trên toàn thế giới duy trì sự giám sát nghiêm ngặt đối với thiết bị phân phối nhiên liệu. Ở Mỹ, các sở đo lường của tiểu bang kiểm tra và chứng nhận vòi phun, áp đặt tiền phạt đối với việc không tuân thủ. Cơ quan Đo lường Canada của liên bang thực hiện các chức năng tương tự. Tất cả các vòi phun được chứng nhận phải hiển thị ngày và kết quả kiểm tra để minh bạch cho người tiêu dùng.
Một số quốc gia, như Mexico, tiến hành kiểm tra bất ngờ để ngăn chặn các phép đo gian lận. Các khuôn khổ pháp lý này giúp duy trì niềm tin của công chúng vào các giao dịch nhiên liệu.
Khi nhiên liệu thay thế ngày càng được ưa chuộng, công nghệ vòi phun tiếp tục phát triển. Các trạm tiếp nhiên liệu hydro đang nổi lên, với các phép đo dựa trên trọng lượng (kilogram) thay vì thể tích. Tiêu chuẩn của Mỹ cho phép sai số không quá 2,0% trong việc phân phối hydro.
Vòi phun thông minh đang kết hợp nhiều cảm biến và hệ thống điều khiển hơn để tăng cường độ chính xác, an toàn và tiện lợi. Các phiên bản trong tương lai có thể có tính năng thu hồi hơi tiên tiến, tích hợp thanh toán tự động và giám sát chất lượng theo thời gian thực.
Lần tới khi bạn cầm một vòi bơm nhiên liệu, hãy xem xét một thế kỷ đổi mới trong tay bạn – một sự kết hợp hoàn hảo giữa kỹ thuật cơ khí và điều khiển điện tử, mang lại một lượng năng lượng chính xác được đo lường cẩn thận để giữ cho thế giới của chúng ta chuyển động.
