Động cơ dual fuel là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan
Động cơ dual fuel là loại động cơ đốt trong sử dụng đồng thời hai loại nhiên liệu, thường là khí tự nhiên kết hợp với một lượng nhỏ diesel để đánh lửa. Cơ chế này cho phép tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải và duy trì hiệu suất cao nhờ khả năng linh hoạt trong vận hành và phối trộn nhiên liệu.
Định nghĩa động cơ Dual Fuel
Động cơ dual fuel là một dạng động cơ đốt trong có khả năng hoạt động đồng thời với hai loại nhiên liệu khác nhau – thường là nhiên liệu khí (như khí tự nhiên, CNG, LNG, biogas) kết hợp với một lượng nhỏ nhiên liệu lỏng (thường là diesel). Loại động cơ này được thiết kế nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai nguồn nhiên liệu: tính sạch và rẻ của khí cùng tính năng đánh lửa ổn định của diesel.
Cơ chế hoạt động cơ bản của động cơ dual fuel dựa trên nguyên tắc “đánh lửa kép”: khí nhiên liệu được trộn đều với không khí trong quá trình nạp, sau đó được nén đến áp suất cao. Ở cuối kỳ nén, một lượng nhỏ diesel được phun vào buồng đốt – khi tiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao, nó tự bốc cháy và kích hoạt quá trình cháy của hỗn hợp khí-nhiên liệu. Diesel trong trường hợp này hoạt động như “mồi lửa”, còn khí mới là nguồn năng lượng chính.
Với thiết kế linh hoạt, động cơ dual fuel có thể chuyển đổi giữa chế độ song song (cả khí và diesel) và chế độ đơn nhiên liệu (chỉ diesel) tùy theo điều kiện vận hành. Điều này giúp động cơ thích nghi tốt trong các khu vực có nguồn cung nhiên liệu khác nhau, đồng thời đảm bảo khả năng vận hành ổn định ngay cả khi mất nguồn khí.
Cơ chế hoạt động của động cơ Dual Fuel
Quá trình hoạt động của động cơ dual fuel gồm bốn giai đoạn chính tương tự động cơ diesel truyền thống: nạp, nén, cháy và xả. Tuy nhiên, sự khác biệt nằm ở cách cấp nhiên liệu. Trong kỳ nạp, hỗn hợp khí và không khí được đưa vào xy lanh thông qua van nạp. Ở cuối kỳ nén, kim phun phun một lượng nhỏ diesel (thường chiếm 5–25% tổng năng lượng) để khởi động quá trình cháy.
Sự cháy của nhiên liệu diesel tạo ra vùng nhiệt độ và áp suất cục bộ rất cao, đủ để kích thích cháy tự phát của hỗn hợp khí-nhiên liệu. Quá trình cháy này diễn ra theo cơ chế lan truyền ngọn lửa và khuếch tán, khác với cháy cục bộ trong động cơ diesel thuần túy. Tốc độ cháy và áp suất sinh ra có thể được điều chỉnh thông qua tỷ lệ phối trộn khí/diesel và thời điểm phun.
Trình tự hoạt động được mô tả tóm tắt như sau:
- Kỳ nạp: Hỗn hợp khí – không khí được hút vào xy lanh.
- Kỳ nén: Piston nén hỗn hợp đến áp suất cao, nhiệt độ tăng lên.
- Kỳ cháy: Diesel được phun vào, bốc cháy và kích hoạt hỗn hợp khí cháy lan.
- Kỳ xả: Khí thải được đẩy ra khỏi buồng đốt.
Việc điều chỉnh thời điểm phun và tỷ lệ phối trộn quyết định hiệu suất và mức phát thải của động cơ.
Các động cơ dual fuel hiện đại sử dụng hệ thống điều khiển điện tử (ECU) để giám sát quá trình đốt cháy, điều chỉnh áp suất nạp, góc phun và tỷ lệ nhiên liệu theo thời gian thực. Điều này giúp đảm bảo hoạt động ổn định, tiết kiệm và giảm thiểu phát thải NOx cũng như CO2.
Các loại nhiên liệu thường dùng
Các loại nhiên liệu được sử dụng trong động cơ dual fuel có thể chia thành hai nhóm chính: nhiên liệu khí và nhiên liệu lỏng. Nhiên liệu khí đóng vai trò là nguồn năng lượng chính, trong khi nhiên liệu lỏng (diesel) đóng vai trò đánh lửa và bổ trợ ở tải cao. Mỗi loại nhiên liệu mang đặc tính riêng, ảnh hưởng đến quá trình cháy, hiệu suất và lượng khí thải.
Nhiên liệu khí phổ biến:
- Khí tự nhiên nén (CNG): Thành phần chính là methane (CH4), giá rẻ, sạch và dễ nén.
- Khí tự nhiên hóa lỏng (LNG): Dạng lỏng ở -162°C, mật độ năng lượng cao hơn CNG, thích hợp cho tàu biển và xe tải đường dài.
- Khí sinh học (biogas): Nguồn tái tạo từ quá trình phân hủy hữu cơ, thân thiện môi trường.
- Khí tổng hợp (syngas): Gồm CO và H2, sản phẩm của khí hóa than hoặc sinh khối.
Nhiên liệu lỏng thường là dầu diesel tiêu chuẩn, biodiesel hoặc dầu FO nhẹ. Diesel cung cấp khả năng tự cháy ổn định và giúp duy trì hiệu suất động cơ ở các điều kiện khởi động lạnh.
Tỷ lệ phối trộn giữa khí và diesel phụ thuộc vào ứng dụng và tải động cơ. Bảng dưới đây minh họa tỷ lệ phổ biến:
| Ứng dụng | Tỷ lệ khí (năng lượng) | Tỷ lệ diesel (năng lượng) |
|---|---|---|
| Máy phát điện cố định | 80–90% | 10–20% |
| Động cơ tàu thủy | 85–95% | 5–15% |
| Xe tải hạng nặng | 75–85% | 15–25% |
Việc chọn nhiên liệu và tỷ lệ thích hợp không chỉ tối ưu hiệu suất mà còn giảm thiểu phát thải và hao mòn thiết bị.
Ưu điểm và hạn chế của động cơ Dual Fuel
Hệ thống dual fuel mang lại nhiều lợi ích cả về môi trường, kinh tế và kỹ thuật. Lợi ích nổi bật nhất là khả năng giảm đáng kể chi phí vận hành nhờ sử dụng khí tự nhiên – nguồn nhiên liệu có giá thành thấp hơn nhiều so với diesel. Ngoài ra, quá trình cháy của khí tự nhiên tạo ra ít muội than và oxit lưu huỳnh, giúp kéo dài tuổi thọ động cơ.
Ưu điểm chính:
- Giảm chi phí nhiên liệu từ 20–50% tùy theo giá khí và diesel.
- Giảm phát thải CO2 trung bình 20–25% so với diesel thuần túy.
- Giảm phát thải NOx và hạt bụi mịn (PM) nhờ quá trình cháy sạch hơn.
- Khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ (dual fuel hoặc chỉ diesel).
Hạn chế:
- Hiệu suất giảm ở tải thấp do khó đạt tỷ lệ hòa khí tối ưu.
- Hệ thống điều khiển phức tạp và cần hiệu chuẩn chính xác.
- Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn khoảng 10–20% so với động cơ diesel thông thường.
- Đòi hỏi hạ tầng cung cấp và lưu trữ khí nhiên liệu an toàn.
Dù tồn tại một số hạn chế, xu hướng phát triển công nghệ điều khiển và nhiên liệu sạch đang dần khắc phục những yếu điểm này, giúp động cơ dual fuel trở thành lựa chọn tiềm năng trong giao thông và năng lượng.
Ứng dụng thực tiễn của động cơ Dual Fuel
Động cơ dual fuel hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực yêu cầu hiệu suất cao và khả năng vận hành liên tục như công nghiệp hàng hải, phát điện, vận tải hạng nặng và sản xuất công nghiệp. Với khả năng tiết kiệm chi phí nhiên liệu và giảm phát thải, dual fuel là lựa chọn ưu tiên cho các tổ chức muốn đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường mà vẫn đảm bảo hiệu quả kinh tế.
Một số lĩnh vực ứng dụng điển hình:
- Hàng hải: Tàu chở hàng, tàu chở LNG, tàu du lịch sử dụng LNG kết hợp diesel để vừa đảm bảo tầm hoạt động dài vừa đáp ứng quy chuẩn khí thải IMO Tier III.
- Phát điện: Nhà máy điện khí kết hợp, sử dụng khí thiên nhiên khi có sẵn và chuyển sang diesel khi thiếu nguồn cung.
- Xe tải hạng nặng: Các xe đầu kéo đường dài tại Mỹ, châu Âu và Trung Quốc áp dụng công nghệ dual fuel để giảm chi phí vận hành và mức tiêu thụ dầu diesel.
- Công nghiệp dầu khí: Thiết bị như máy nén, máy khoan hoặc động cơ bơm dầu tại giàn khoan tận dụng khí đồng hành tại chỗ kết hợp với dầu.
Các hãng nổi bật trong lĩnh vực này bao gồm Wärtsilä, MAN Energy Solutions, Cummins, Volvo Trucks và Caterpillar.
Hiệu suất nhiệt và tỷ lệ phối trộn nhiên liệu
Hiệu suất nhiệt của động cơ dual fuel thường dao động trong khoảng 38–45%, phụ thuộc vào thiết kế động cơ, loại nhiên liệu sử dụng và chiến lược điều khiển phối trộn. Trong điều kiện tải ổn định, tỷ lệ thay thế diesel có thể đạt tới 90%, tức là chỉ cần 10% năng lượng đầu vào đến từ diesel để duy trì quá trình cháy.
Yếu tố quan trọng trong tối ưu hóa hiệu suất là tỷ lệ khí/nhiên liệu lỏng. Nếu tỷ lệ khí quá cao, nguy cơ cháy sớm (knock) và phát thải NOx sẽ tăng. Nếu quá thấp, động cơ sẽ không tận dụng hết ưu thế kinh tế của nhiên liệu khí.
Dữ liệu điển hình về hiệu suất và tỷ lệ phối trộn:
| Thông số | Giá trị |
|---|---|
| Hiệu suất nhiệt (η) | 38–45% |
| Phạm vi tỷ lệ thay thế diesel | 70–90% |
| Giảm phát thải CO2 | 15–25% |
| Giảm chi phí nhiên liệu | 20–50% |
Các hệ thống điều khiển hiện đại có khả năng tự động điều chỉnh phối trộn theo thời gian thực để duy trì mức hiệu suất tối ưu.
Hệ thống điều khiển và an toàn
Động cơ dual fuel yêu cầu hệ thống điều khiển điện tử thông minh để giám sát và điều phối quá trình phun nhiên liệu, áp suất khí, tốc độ động cơ và tải trọng. Các tham số như thời điểm phun diesel, áp suất khí nạp, tỷ lệ nhiên liệu và phản hồi từ cảm biến phải được xử lý đồng bộ để đảm bảo cháy ổn định và an toàn.
Ngoài điều khiển hiệu suất, vấn đề an toàn trong vận hành khí cũng đặc biệt quan trọng. Hệ thống cần trang bị:
- Van ngắt khẩn cấp (ESD) trong trường hợp rò rỉ khí hoặc cháy nổ
- Van giảm áp để tránh quá áp trong đường ống dẫn khí
- Cảm biến phát hiện rò rỉ methane, hydrocarbon hoặc CO
- Kiểm soát vùng cháy chậm (knock detection) bằng cảm biến áp suất
Các hệ thống SCADA hoặc PLC được tích hợp để giám sát và vận hành đồng bộ toàn hệ thống trong các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn.
Chuyển đổi từ động cơ diesel sang dual fuel
Việc chuyển đổi động cơ diesel truyền thống thành động cơ dual fuel là giải pháp tiết kiệm cho các doanh nghiệp đang vận hành hệ thống diesel nhưng muốn tận dụng nguồn khí có sẵn. Quy trình chuyển đổi bao gồm cải tạo hệ thống nhiên liệu, cài đặt điều khiển ECU, bổ sung cảm biến và thiết bị an toàn.
Tổng chi phí chuyển đổi dao động từ 5.000 đến 50.000 USD tùy theo quy mô, công suất và mức độ tự động hóa. Lợi nhuận hoàn vốn thường đạt được trong vòng 1–2 năm nhờ tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí bảo trì. Các nhà cung cấp thiết bị chuyển đổi như Dual Fuel Tech hay DieselGasTech cung cấp bộ kit trọn gói cho xe tải, máy phát điện và động cơ hàng hải.
Động cơ dual fuel và xu hướng phát triển bền vững
Trong bối cảnh thế giới hướng đến trung hòa carbon và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, động cơ dual fuel được xem là bước đệm quan trọng. Việc sử dụng khí tự nhiên, khí sinh học, hoặc thậm chí là hydrogen trong tương lai sẽ giúp giảm lượng phát thải nhà kính đáng kể mà vẫn giữ lại tính ổn định, hiệu suất cao của động cơ diesel.
Xu hướng phát triển mới trong lĩnh vực này bao gồm:
- Hybrid hóa: kết hợp dual fuel với hệ thống điện lai để tăng hiệu suất toàn hệ thống
- Phát triển hệ thống phun hydrogen kết hợp diesel ở điều kiện siêu nạp
- Tối ưu hóa ECU bằng trí tuệ nhân tạo để điều chỉnh thời gian thực theo môi trường vận hành
Các chương trình như Methane Tracker của IEA và NGV Global đang hỗ trợ chính sách và tài chính để mở rộng áp dụng công nghệ này toàn cầu.
Tài liệu tham khảo
- Heywood, J. B. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill.
- Wärtsilä. Dual Fuel Marine Engines
- MAN Energy Solutions. MAN Dual Fuel Engines
- IEA. Natural Gas Report
- NGV Global. Natural Gas Vehicles Association
- Caterpillar. Dual Fuel Solutions
- Dual Fuel Tech – Retrofit Solutions
Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề động cơ dual fuel:
- 1
- 2