211service.com
Ny dieselmotor avger renare ångor
En ny motor designad i Tyskland minskar föroreningarna i dieselavgasutsläppen till knappt mätbara nivåer. Motorn är beroende av extremt höga bränsleinsprutnings- och förbränningstryck för att förbränna bränslet mer fullständigt – vilket drastiskt minskar både sot- och kväveoxidutsläpp.
Rengör maskin: Forskare vid det tekniska universitetet i München har använt denna testmotor för att demonstrera samtidig reduktion av kväveoxider och sot, utan en katalysator.
Dieselmotorer använder bränsle mer effektivt än bensinmotorer och släpper ut mindre koldioxid, men avvägningen är att de vanligtvis är mer förorenande. De högre förbränningstemperaturerna som krävs för att bränna diesel leder till ökade kväveoxidutsläpp. Och eftersom diesel är tung och mindre flyktig än bensin, förbränns inte allt bränsle under förbränning, vilket resulterar i att sotpartiklar bildas. De värsta brottslingarna är bussar och tunga lastbilar.
Ingenjörer vid Tekniska universitet-München (TUM) designade den nya motorn i ett treårigt projekt som heter Dieselmotor för lastbil med lägsta utsläpp (NEMo), vilket översätts till diesellastbilsmotor med lägsta utsläpp. Georg Wachtmeister, ordförande för förbränningsmotorer vid universitetets institution för maskinteknik, ledde arbetet. Med hjälp av en encylindrig forskningsmotor fann Wachtmeisters team en balans mellan avgasåtercirkulation, turboboosttryck och konfiguration av bränsleinsprutningsmunstyckena som gjorde att de kunde minimera både sot- och kväveoxidbildning.
Moderna dieselmotorer minskar kväveoxidbildningen genom att kyla ned en del av deras avgaser och recirkulera det tillbaka in i förbränningskammaren (tillsammans med den friska luften som används för att bränna bränslet). I denna blandning dämpar koldioxid och vatten från avgaserna förbränningsprocessen och håller temperaturen i schack. Som ett resultat bildas färre kväveoxider – men sotproduktionen ökar, eftersom andelen syre i luft-avgasblandningen är lägre och bränslet förbränns mindre helt.
TUM-forskarna designade sin testmotor så att turboladdaren komprimerar luft-avgasblandningen till 10 bar – ungefär 10 gånger atmosfärstrycket vid havsnivån – innan den förs in i förbränningskammaren. Däremot kan massproduktionsmotorer komprimera blandningen till maximalt cirka 3,5 bar. När den väl har komprimerats på detta sätt innehåller luft-avgasblandningen i den nya motorn tillräckligt med syre för att dieselbränslet ska brinna mer fullständigt. Det maximala lufttrycket inuti förbränningskammaren är 300 bar, dubbelt så mycket som används i de flesta produktionsmotorer.
För att kompensera för den ökade sotproduktionen som orsakas av att avgasåtercirkulationshastigheten ändrades, modifierade NEMo-teamet bränsleinsprutningsmunstycket så att det finfördelar dieselbränsle vid ett tryck på över 3 000 bar, vilket genererar en bränsledimma av mikroskopiska partiklar som brinner mycket snabbt och praktiskt taget sotfri. De mest avancerade produktionsmotorerna använder idag ett insprutningstryck på cirka 1 800 bar.
Med den modifierade avgasåtercirkulationen, laddtrycket och munstyckskonfigurationen uppfyller TUM-motorn nästan europeiska utsläppsnormer som planeras träda i kraft 2014. Dessa standarder föreskriver att en dieselmotor för tunga lastbilar endast kan släppa ut fem milligram sotpartiklar och 80 milligram kväveoxider per kilometer. Wachtmeister säger att TUM-testmotorn klarade kväveoxidgränserna utan problem och ligger mycket nära sotgränserna.
George Anitescu, en forskare vid Syracuse University, är skeptisk till projektets praktiska funktion. Forskningen kan till viss del lösa avvägningen mellan partiklar och kväveoxidbildning som är inneboende i dieselförbränning, säger han. Men han tror att energin som behövs för att uppnå de höga trycken som används kommer att minska motorns effektivitet. Ett annat problem, säger han, är att hitta material – särskilt prisvärda – som tål de extrema påfrestningarna.
För närvarande är det inte praktiskt att förvandla denna design till en produktionsmotor, medger Wachtmeister. TUM Internal Combustion Engines Workshop var tvungen att specialtillverka 95 av komponenterna till testmotorn. Men med hjälp av dessa specialkomponenter kunde teamet framgångsrikt tillämpa ändringarna på en produktionslastbilsmotor.
Wachtmeister räknar med att det kommer att ta mellan fem och 10 år att komma fram till lösningar som gör att produktionen av motorer som är tillräckligt pålitliga för att kunna köras hundratusentals kilometer utan att misslyckas. Turboladdaren och bränsleinsprutningssystemet kommer att vara särskilt utmanande att anpassa för antingen tunga lastbilar eller bilmotorer.
Under tiden, säger han, skulle designen lätt kunna implementeras idag i vissa industrimotorer som dieselgeneratorer, den vanligaste typen som används i standby- och nödkraftsystem. Och, säger Wachtmeister, bilföretag i både Tyskland och Japan har uttryckt intresse för tekniken.