De meeste inspanningen om de nadelige luchtvervuiling en klimaateffecten van hedendaagse voertuigen te verminderen, zijn gericht op auto's en lichte vrachtwagens die doorgaans op benzine rijden, met strategieën die variëren van elektrificatie en carpoolen tot autonome voertuigen.

"Deze strategieën kunnen een belangrijk onderdeel zijn van de totale oplossing, " zegt Daniël Cohn, onderzoekswetenschapper bij het MIT Energy Initiative. "Maar het wordt ook steeds belangrijker om na te denken over zware en middelzware vrachtwagens. Het vinden van een manier om ze schoon te maken, zou de komende decennia zelfs een grotere verbetering van de wereldwijde luchtkwaliteit kunnen opleveren."

Grotendeels aangedreven door dieselmotoren, die vrachtwagens zijn nu de grootste producent van stikstofoxide (NOx)-emissies in de transportsector, bijdragen aan ozon op leefniveau, ademhalingsproblemen, en vroegtijdige sterfgevallen in stedelijke gebieden. Volgens sommige schattingen zal diesel - gebruikt voor zowel vrachtwagens als auto's - binnen het komende decennium wereldwijd beter verkopen dan benzine, die de toch al ernstige luchtvervuiling in steden en de concentraties van broeikasgassen (BKG) nog verder zullen doen toenemen.

De heavy-duty dieselmotoren van tegenwoordig zorgen voor een laag brandstofverbruik en een hoog vermogen, waardoor ze ideaal zijn voor lange afstanden, bedrijfswagens met een hoge kilometerstand. Maar het vinden van een andere optie is van cruciaal belang, zegt Cohn. "We moeten dieselmotoren vervangen door andere verbrandingsmotoren die veel schoner zijn en minder broeikasgassen produceren."

Met behulp van computersimulatieanalyse, Cohn en zijn collega Leslie Bromberg, hoofdonderzoeksingenieur bij het Plasma Science and Fusion Center en het Sloan Automotive Laboratory, hebben een vervangende halfgrote benzine-alcoholmotor ontworpen die niet alleen schoner moet zijn, maar ook goedkoper en beter moet presteren - en die binnenkort in het wagenpark op de weg kan worden geïntroduceerd.

De zware diesel vervangen

Binnen de Verenigde Staten, de druk op de vrachtwagenindustrie om de dieselemissies aan te pakken neemt toe. Inderdaad, verwachte regelgeving in Californië zou vereisen dat de NOx-emissies van middelzware en zware vrachtwagens met ongeveer 90 procent worden verminderd in vergelijking met de schoonste dieselmotoren van vandaag, die complexe en dure uitlaatgasbehandelingssystemen gebruiken om aan de huidige regelgeving te voldoen. In sommige delen van de wereld, zoals India en China, die opruimsystemen worden over het algemeen niet gebruikt. Als resultaat, NOx-emissies zijn ongeveer 10 keer hoger, en om ze op het niveau van toekomstige Californische regelgeving te krijgen, zou een reductie van ongeveer 98 procent nodig zijn.

In de Verenigde Staten, sommige vrachtwagens beginnen te voldoen aan de verwachte strikte NOx-limieten met behulp van grote vonkontstekingsmotoren (SI) op aardgas. Maar grootschalige adoptie van die motoren zou problematisch zijn. Het opslaan en distribueren van een gasvormige brandstof verhoogt de voertuigkosten en stelt infrastructuuruitdagingen, en het gebruik van aardgas kan leiden tot een verhoogde klimaatimpact door de lekkage van methaan, een broeikasgas met een hoog aardopwarmingsvermogen.

Om de uitdagingen van de omgang met aardgas te vermijden, Cohn en Bromberg besloten een andere aanpak te volgen:een zware SI-motor die in plaats daarvan op benzine werd aangedreven. In het algemeen, benzine SI-motoren produceren een lage NOx-emissie. Geleid door hun computermodellen, Cohn en Bromberg hebben een reeks stappen ondernomen om het vermogen en de efficiëntie van dat ontwerp te vergroten zonder de emissievoordelen op te offeren.

Tijdens de normale werking van de SI-benzinemotor, het proces van het omzetten van de verbranding van gassen in koppel (rotatiekracht) aan de wielen verloopt soepel - totdat er behoefte is aan een werking met hoog koppel, bijvoorbeeld, om een ​​zware last met hoge snelheid of een heuvel op te trekken. Vervolgens, de drukken en temperaturen in de cilinder kunnen zo hoog oplopen dat de onverbrande verbrandingsgassen spontaan ontbranden. Het resultaat is kloppen, die een metaalachtig rinkelend geluid veroorzaakt en de motor kan beschadigen. De noodzaak om kloppen te voorkomen heeft tot nu toe de verbeteringen in efficiëntie en prestaties beperkt die nodig zouden zijn om benzinemotoren te laten concurreren met diesels.

Cohn en Bromberg losten dat probleem op met alcohol. Wanneer de SI-motor hard aan het werk is en er anders een klop zou optreden, een kleine hoeveelheid ethanol of methanol wordt in de hete verbrandingskamer geïnjecteerd, waar het snel verdampt, het koelen van de brandstof en de lucht en het veel minder waarschijnlijk maken van zelfontbranding. In aanvulling, vanwege de chemische samenstelling van alcohol, zijn inherente klopvastheid is hoger dan die van benzine. De alcohol kan worden bewaard in een kleine, aparte brandstoftank - omdat vloeistof voor het opruimen van uitlaatgassen wordt opgeslagen in een voertuig met dieselmotor. Alternatief, het zou kunnen worden geleverd door alcohol aan boord te scheiden van benzine in de reguliere brandstoftank. (Bijna alle benzine die in de Verenigde Staten wordt verkocht, is nu een mix van 90 procent benzine en 10 procent ethanol.)

Met bezorgdheid over klop verwijderd, de onderzoekers konden optimaal profiteren van twee technieken die in de huidige personenauto's worden gebruikt. Eerst, ze gebruikten turbolader, maar op hogere niveaus. Turbochargen houdt in dat de binnenkomende lucht wordt gecomprimeerd, zodat er meer lucht- en brandstofmoleculen in de cilinder passen. Het resultaat is dat een bepaald vermogen kan worden bereikt met een kleiner totaal cilindervolume. En ten tweede, ze gebruikten een hoge compressieverhouding, dat is de verhouding van het volume van de verbrandingskamer vóór compressie tot het volume erna. Bij een hogere compressieverhouding, de brandende gassen zetten meer uit in elke cyclus, dus meer energie wordt geleverd voor een bepaalde hoeveelheid brandstof.

De onderzoekers maakten ook gebruik van een belangrijk kenmerk van de low-NOx heavy-duty SI-motor aangedreven door aardgas:ze gingen ervan uit dat het mengsel van lucht en brandstof in hun motor net genoeg lucht bevatte om alle brandstof te verbranden - niet meer, niet minder. Die stoichiometrische operatie maakte belangrijke veranderingen mogelijk die niet mogelijk waren in de diesel, die met veel extra lucht moet werken om de uitstoot te beheersen. Met stoichiometrische operatie, ze zouden een driewegkatalysator kunnen gebruiken om de uitlaatgassen van de motor op te ruimen. Een relatief goedkoop systeem, de driewegkatalysator verwijdert NOx, koolmonoxide, en onverbrande koolwaterstoffen uit motoruitlaatgassen en is de sleutel tot de lage NOx die wordt bereikt in de huidige SI-motoren.

Vervolgens, gegeven stoichiometrische werking in combinatie met een hoger turbodrukniveau en een hoge compressieverhouding, de onderzoekers waren in staat om hun hele motor te verkleinen. De SI-motor bevat niet alle overtollige lucht die in een diesel zit, dus het totale volume van zijn cilinders kan kleiner zijn.

“Vanwege dat verschil je kunt een dieselmotor vervangen door een SI-motor die ongeveer half zo groot is, ’ zegt Bromberg.

Met die reductie in grootte komt een toename van het brandstofverbruik. In elke motor, het proces van het pompen van lucht in de cilinders en verschillende bronnen van wrijving verminderen onvermijdelijk het brandstofverbruik. Die pompverliezen zijn afhankelijk van de grootte van de motor. Maak een motor kleiner, en er is minder wrijving en minder verspilde brandstof.

Bij elkaar genomen, de goedkope driewegkatalysator en het kleinere formaat zorgen ervoor dat de benzine-alcoholmotor goedkoper is dan de schoonste dieselmotor met een ultramodern uitlaatreinigingssysteem. Inderdaad, volgens de schattingen van de onderzoekers, de kosten van de benzine-alcoholmotor plus het uitlaatgasbehandelingssysteem zouden ongeveer de helft zijn van die van de schoonste dieselmotor.

Stroom, efficiëntie, en alcoholgebruik

Hoe verhoudt de half-sized benzine-alcohol SI-motor zich tot de schoonste full-sized diesel van vandaag op het gebied van efficiëntie en vermogen? Om die vraag te beantwoorden, de onderzoekers gebruikten een reeks geavanceerde motor- en voertuigsimulaties en chemische kinetische modellen ontwikkeld door Bromberg.

Voor de vergelijking, ze gebruikten een illustratieve versie van hun motor op basis van een 6,7-liter motor die nu wordt gefabriceerd en - met relatief kleine aanpassingen - kan worden omgezet in de benzine-alcoholconfiguratie. Hun analyse ging ervan uit dat de compressieverhouding en het motorkoppel ongeveer hetzelfde waren in de 6,7 benzine-alcohol SI-motor als in een 12-liter dieselmotor. Maar de SI-motor kan veel sneller lopen dan de diesel. (De verbranding is sneller met vonkontsteking dan met de compressieontsteking die wordt gebruikt in dieselmotoren.) Vanwege de snellere werking en het ongeveer equivalente koppel, de kleine motor kan bijna 50 procent meer vermogen produceren dan de diesel. En hoewel de benzine-alcoholmotor iets efficiënter is dan de diesel bij een hoog koppel en minder efficiënt bij een laag koppel, over het algemeen is de kleine SI-motor ongeveer net zo efficiënt als de diesel.

Echter, naarmate er meer koppel nodig is, kloppen wordt waarschijnlijker, dus er is meer ethanol nodig. Bij het hoogste koppel ongeveer 80 procent van de totale brandstof moet ethanol zijn om kloppen te voorkomen. Die schatting baart zorgen:in de Verenigde Staten ethanol wordt veel gebruikt in een mengsel van lage concentraties met benzine, maar pure ethanol of een hooggeconcentreerd ethanol-benzinemengsel is mogelijk niet beschikbaar of kan te duur zijn. Dus hoeveel ethanol is er waarschijnlijk nodig voor een bepaalde reis?

Als voorbeeld, de onderzoekers beschouwden een verre reis, zwaar voertuig dat meestal een hoog koppel vereist. Afhankelijk van de compressieverhouding, ethanol zou 20 tot 40 procent van het totale brandstofverbruik kunnen uitmaken. In tegenstelling tot, een bestelwagen kan het grootste deel van de tijd met een laag koppel werken en het prima doen met ethanol als 10 procent van de totale brandstof gedurende een rijperiode.

"Zulke niveaus van ethanolconsumptie zijn haalbaar, " merkt Cohn op. "Maar het systeem zou aantrekkelijker zijn voor mensen als je een geval had waarin je minder ethanol zou kunnen gebruiken."

Een manier om het gebruik van ethanol te verminderen, is door de ethanol te verdunnen met water. Met behulp van het klopmodel Cohn en Bromberg stelden vast dat de klopvastheid eigenlijk hoger is wanneer water maar liefst een derde van de secundaire brandstof uitmaakt. "En in sommige gevallen waar je geen ethanol nodig hebt voor antivries, je kunt misschien alleen rennen met water als secundaire vloeistof, " zegt Cohn.

Een andere benadering om het alcoholgebruik te verminderen, upspeeding genoemd, houdt in dat de motor op een hoger toerental draait. Door de motor sneller te laten draaien en de tandwieloverbrenging in de transmissie aan te passen om de verhouding tussen motortoerental en wieltoerental te vergroten, is het mogelijk om minder motorkoppel in de benzinemotor te gebruiken om hetzelfde koppel aan het stuur te bereiken als in de diesel. Volgens de berekeningen van de onderzoekers dat een vermindering van het motorkoppel het ethanolgebruik tijdens een rijperiode zou kunnen verminderen tot minder dan 10 procent van de totale verbruikte brandstof, een hoeveelheid die zou kunnen worden geleverd door brandstofafscheiding aan boord.

Klimaateffecten verminderen

Cohn wijst op nog een voordeel van de benzine-alcohol SI-motor:een manier om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen.

"Een enigszins onderkend aspect bij het evalueren van de milieueffecten van transportvoertuigen is dat de BKG-emissies van vrachtwagens wereldwijd ergens tussen 2020 en 2030 de BKG-emissies van auto's zullen inhalen. " merkt hij op.

De benzine-alcohol SI-motor kan worden gebruikt in een flexibele brandstofmodus, waarbij desgewenst alleen pure alcohol wordt gebruikt. Direct, kijkend naar de levenscyclus van de brandstoffen en uitgaande van een vergelijkbaar motorrendement, het gebruik van ethanol geproduceerd uit maïs volgens de modernste methoden genereert ongeveer 20 procent minder broeikasgasemissies dan het gebruik van benzine of diesel. Een nog grotere vermindering van de uitstoot van broeikasgassen zou kunnen komen wanneer ethanol- en methanolbrandstoffen worden geproduceerd uit landbouw-, bosbouw, en gemeentelijk afval of speciale biomassa.

"BKG-emissies van vrachtwagens verminderen door een alternatieve energiebron te vinden, bijvoorbeeld door elektrificatie - kan lang duren, ", zegt Cohn. "Maar als je je motor gedeeltelijk met ethanol of volledig met ethanol kunt laten draaien, dat is een goede manier om meteen aan de slag te gaan."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.