Een motorinnovatie die voor het eerst is bedacht en getest door Sandia National Laboratories, heeft de aandacht getrokken van grote bedrijven vanwege het potentieel om op kosteneffectieve wijze de uitstoot van roet en stikstofoxiden te verminderen, het gebruik van hernieuwbare brandstoffen aanmoedigen, en de motorprestaties te behouden of te verbeteren.

Geleide brandstofinjectie, ontwikkeld door Charles Mueller bij Sandia's Combustion Research Facility, is in staat om het brandstof-luchtmengsel in een motor zodanig af te stemmen dat tussen de 50 en 100 procent van het roet wordt geëlimineerd, afhankelijk van het momentane toerental en vermogen van de motor.

Mueller zei dat motorfabrikanten "opwinding beginnen te tonen" over geleide brandstofinjectie. Het werkt niet alleen goed met conventionele dieselbrandstof, het is conceptueel eenvoudig en kan worden opgebouwd uit goedkope materialen.

"Gegoten brandstofinjectie is ook mogelijk achteraf in te bouwen op bestaande motoren, "Zei Mueller. "Dit is vooral belangrijk voor grote motoren, zoals die in schepen of locomotieven, waar de motoren een miljoen dollar of meer kunnen kosten, en volledige elektrificatie is onbetaalbaar. Een retrofit kan relatief goedkoop zijn en kan meteen aanzienlijke emissievoordelen opleveren."

Idee voor geleide brandstofinjectie kwam van bunsenbrander

Brandstofinjectie met kanalen werd voor het eerst bedacht door Mueller uit - van alle dingen - een bunsenbrander, die te vinden is in bijna elk wetenschapslokaal op de middelbare school in het land.

"Als je de buis van een bunsenbrander losschroeft en je steekt de gasstraal aan, je wordt lang, roet oranje vlam, "Zei Mueller. "Doe het gas dicht, schroef de buis weer vast en steek de brander weer aan. Nu krijg je een mooie korte blauwe vlam aan het einde van de buis. De vlam is blauw omdat er geen roet is."

Mueller dacht dat het concept zou kunnen worden aangepast aan verbrandingsmotoren, dus hij en zijn team - stagiair Christopher Nilsen, postdoctoraal aangestelde Drummond Biles en technoloog Nathan Harry - begonnen experimenten die nu hebben geresulteerd in een assemblage van vier tot zes kleine buizen - of kanalen - die het brandstofmengsel van de injector naar de ontstekingspunten leiden.

Mueller zegt dat injectoren in een traditionele dieselmotor lokale ontstekingsmengsels creëren die twee tot tien keer meer brandstof bevatten dan nodig is voor volledige verbranding.

"Als je zoveel overtollige brandstof bij hoge temperatuur hebt, je hebt de neiging om veel roet te produceren, " zei hij. "Door de kanalen te installeren, kunnen we een dieselverbranding bereiken die weinig tot geen roet vormt, omdat de lokale ontstekingsmengsels minder overtollige brandstof bevatten."

Beperking van de vorming van een universele motorverontreinigende stof

Generaties van motorontwerpen zijn er niet in geslaagd roet uit de uitstoot te halen omdat er een fysieke limiet was aan de chemie van brandstofverbranding.

"Roet is de tweede alleen voor koolstofdioxide als een chemische stof die klimaatverandering afdwingt, en het is giftig, dus de uitstoot ervan moet worden geminimaliseerd, " legde Mueller uit. "In het verleden, er is altijd een probleem geweest dat de wisselwerking tussen roet en NOx wordt genoemd. Dat wil zeggen:als je iets doet om roet te verminderen, de uitstoot van stikstofoxiden — of NOx — stijgt, en vice versa."

Stikstofoxiden zijn ook luchtverontreinigende stoffen, en de wisselwerking betekende dat de vrachtwagen, auto- en uitrustingsfabrikanten konden de huidige wettelijke limieten niet halen zonder uitlaatgasnabehandelingssystemen toe te voegen. Deze systemen zijn analoog aan katalysatoren op motoren met vonkontsteking, hoewel aanzienlijk groter en duurder. Maar verwijder een van die verontreinigende stoffen bijna volledig - zoals brandstofinjectie met leidingen doet met roet - en Mueller zei dat je het spel hebt veranderd.

"Nu we het roet uit de weg hebben, er is geen wisselwerking meer tussen roet en NOx, "zei hij. "Dus, we kunnen verdunning toevoegen - een deel van de uitlaatgassen van de motor wegnemen en terugleiden naar de inlaat - om NOx kwijt te raken zonder dat roetuitstoot een probleem wordt. Het is als een twee-op-een deal over het verminderen van verontreinigende stoffen."

Mueller zei dat in motorexperimenten, zijn team heeft gelijktijdig waargenomen, ordes van grootte reducties in roet en stikstofoxiden.

"Dit geeft ons een pad naar veel lagere emissies voor dieselmotoren, het oplossen van een al lang bestaand probleem voor deze zeer efficiënte technologie, " hij zei.

Verlaging van de transportkosten met brandstofinjectie via kanalen, hernieuwbare brandstoffen

De bijna-eliminatie van roet en stikstofoxiden kan ook de markt voor hernieuwbare brandstoffen openen.

"Gekanaalde brandstofinjectie werkt uitstekend met conventionele dieselbrandstof, maar het werkt nog beter met zuurstofrijke brandstoffen, die een of meer zuurstofatomen hebben die in sommige of al hun moleculen zijn gebonden. Veel hernieuwbare, duurzame brandstoffen zijn geoxygeneerd, ' zei Muller.

"Het gebruik van zuurstofrijke brandstoffen met geleide brandstofinjectie verlaagt de uitstoot, misschien genoeg om een ​​goedkoper motorsysteem mogelijk te maken omdat er minder uitlaatgasnabehandeling nodig zou zijn, " zei hij. "Op een moderne vrachtwagen op de snelweg, nabehandeling bedraagt ​​ongeveer $ 12,- 000 aan initiële en bedrijfskosten gedurende de levensduur van het voertuig. Zelfs een fractie van die kosten verminderen is een groot probleem, gezien het grote aantal van deze voertuigen en hun belang voor de economie."

Technologie belooft voertuig, kansen op de alternatieve brandstofmarkt

Paul Miles, manager van het motoronderzoeksprogramma, zei dat de potentiële impact van geleide brandstofinjectie niet kan worden overschat.

"Het doorbreken van de wisselwerking tussen roet en stikstofoxiden is een onderzoeksgebied met de hoogste prioriteit voor de ontwikkeling van dieselmotoren, " Miles zei. "Dit is een voorbeeld van de sleutelrol van door de overheid ondersteund onderzoek:het identificeren en demonstreren van het potentieel van innovatieve, risicovolle technologieën om het landschap voor een industrie te hervormen, onze transportinfrastructuur en onze samenleving, en vervolgens samen te werken met commerciële partners om de technologie op de markt te brengen."

Ford en een fabrikant van offroad-apparatuur hebben onlangs een samenwerkingsovereenkomst voor onderzoek en ontwikkeling getekend met Sandia om de technologie vooruit te helpen.

Mueller is enthousiast over de samenwerking met industriële partners om deze doorbraak van het laboratorium naar productiemotoren te verplaatsen.

"Gekanaalde brandstofinjectie belooft ons duidelijk superieure motoren voor de toekomst, "zei hij. "Het moet alle wenselijke eigenschappen van een conventionele dieselmotor behouden, maar ook de uitstoot aanzienlijk verlagen, wat de kosten van het motorsysteem verlaagt omdat u minder nabehandeling hoeft te gebruiken. En, het werkt nog beter met huidige en opkomende hernieuwbare brandstoffen."