Silniki Diesla mogą być znacznie czystsze. DFI eliminuje problem sadzy i tlenków azotu

| Technologia
Sandia National Laboratories

Silniki Diesla bardzo zanieczyszczają powietrze. Emitują olbrzymie ilości szkodliwych substancji, takich jak tlenki azotu czy sadza. Afera z fałszowaniem przez Volkswagena danych dotyczących emisji pokazała, że niektóre modele takich silników nawet 40-krotnie przekraczają dopuszczalne normy emisji. Coraz częściej pojawiały się twierdzenia, że ten typ silnika jest zbyt szkodliwy dla ludzkiego zdrowia i dla środowiska, by nadal go stosować.

Nie jesteśmy jednak w stanie zrezygnować z diesli w najbliższym czasie. Są one mocne, trwałe, energooszczędne, a przede wszystkim mają wysoką wartość momentu obrotowego, co ma olbrzymie znaczenie przy transporcie dużych ciężarów. To dlatego diesle spotykamy w milionach ciężarówek, pociągów, statków czy maszynach budowlanych i generatorach prądu.

Charles Mueller, specjalizujący się w procesach spalania naukowiec z Sandia National Laboratories, uważa, że znalazł sposób na spowodowanie, by silniki Diesla były znacznie bardziej czyste niż obecnie. Swoją technologię nazwał ducted fuel injection (DFI) i przyznaje, że zainspirowały go szkolne palniki Bunsena, gdzie do reakcji dochodzi w dyszy, do której zasysane jest powietrze.

Sandia National Laboratories

W silnikach benzynowych zapłon paliwa powodowany jest przez iskrę. Jednak w silnikach Diesla do zapłonu dochodzi nie z powodu iskry, a wysokiego ciśnienia wytwarzanego w cylindrze. Najpierw miniaturowe krople paliwa wpadają do cylindra z olbrzymią prędkością, mieszają się tam z powietrzem, cylinder wytwarza wysokie ciśnienie i temperaturę, przez co dochodzi do samozapłonu. To proces bardziej wydajny niż w silnikach benzynowych, ale wiąże się on m.in. z emisją toksycznych tlenków azotu. W typowych scenariuszach można minimalizować tę emisję ponownie kierując do silnika gazy ze spalania z poprzedniego cyklu pracy. Metoda ta obniża temperaturę i koncentrację tlenu w mieszaninie paliwowo-powietrznej, co prowadzi do redukcji emisji tlenków azotu. Jednak nie ma róży bez kolców. Niższa temperatura spalania oznacza mniej dokładne spalanie i produkcję większej ilości szkodliwej sadzy.

Jeśli z palnika Bunsena odkręcisz dyszę i zapalisz gaz, otrzymasz dymiący pomarańczowy płomień. Zgaś gaz, przykręć dyszę i ponownie zapal gaz. Teraz masz ładny niebieski płomień. Ma on taki kolor, gdyż nie zawiera sadzy, mówi Mueller. Uczony zaczął się zastanawiać, czy takiego rozwiązania nie można zastosować w silnikach i wraz z Christopherem Nilsenem, Drummondem Bilesem oraz Nathanem Harry rozpoczęli eksperymenty z umieszczaniem 4–6 dysz w silniku. Miałyby one działać jako wtryskiwacze paliwa.

Uczony zauważa, że obecnie stosowane wtryskiwacze dostarczają do silnika 2–10 razy więcej paliwa niż jest potrzebne do jego całkowitego spalenia. Gdy przy wysokiej temperaturze masz taki nadmiar paliwa, powstaje dużo sadzy. Nasze dysze pozwalają na dwukrotne zmniejszenie ilości sadzy, a nawet na jej całkowite wyeliminowanie, gdyż dostarczana przez nie mieszanka zawiera znacznie mniej paliwa, mówi Mueller.

Uczonym z Sandii udało się w ten sposób rozwiązać jednocześnie dwa problemy – eliminują sadzę i pozwalają na stosowanie technik redukcji tlenków azotu bez ryzyka pojawienia się większej ilości sadzy. Teraz, gdy usunęliśmy sadzę, zlikwidowaliśmy problem bilansu sadzy i tlenków azotu. Możemy więc pozbyć się tlenków azotu bez powodowania, że sadza stanie się problemem, cieszy się naukowiec.

Mueller mówi, że podczas eksperymentów jego zespół zaobserwował jednoczesną redukcję emisji sadzy i tlenków azotu o wiele rzędów wielkości. To jeszcze nie koniec korzyści. DFI świetnie działa z konwencjonalnym paliwem dla silników Diesla, ale działa jeszcze lepiej z paliwami zawierającymi dodatkowe atomy tlenu. Wiele paliw odnawialnych to paliwa dodatkowo utlenione. Wykorzystanie takich paliw z technologią DFI zmniejszy emisję na tyle, że możliwe będzie zastosowanie tańszych silników, gdyż wymagało to będzie mniej intensywnego oczyszczania spalin. W nowoczesnych ciężarówkach koszt systemu oczyszczania spalin, liczony łącznie jako koszt jego zakupu oraz eksploatacji, to około 12 000 dolarów w czasie całego życia pojazdu. Jeśli obniżymy ten koszt tylko o jakąś część, to – biorąc pod uwagę olbrzymią liczbę ciężarówek i ich znaczenie dla gospodarki – zyskamy olbrzymie oszczędności, wyjaśnia Mueller.

Nową technologią już zainteresował się przemysł motoryzacyjny. Jest ona bowiem tania, prosta, a jej zastosowanie nie wymaga wprowadzania znaczących zmian w obecnie stosowanych silnikach.

Autor:

Źródło: Sandia National Laboratories

silnik Diesla spalanie sadza tlenki azotu DFI ducted fuel injection