Als het gaat om auto- en vrachtwagenmotoren, er is niet veel veranderd sinds Nikolaus Otto de moderne verbrandingsmotor uitvond in 1876. Maar de verbrandingsmotor kon, althans theoretisch in voor een grote verandering.

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een patent ontvangen van het US Patent and Trademark Office voor een nieuw ontwerp dat de efficiëntie zou kunnen verhogen en de giftige emissies van op benzine gestookte interne verbrandingsmotoren die miljoenen auto's en vrachtwagens over de hele wereld. Het theoretische ontwerp beschrijft methoden voor het snel ronddraaien van het gas in interne verbrandingscilinders die motoren gebruiken om voertuigen aan te drijven.

Giftige stikstofoxiden

"Het idee is om nettovermogen te halen uit motoren die werken bij een lagere temperatuur dan anders voor mogelijk werd gehouden en daardoor de uitstoot van giftige stikstofoxiden te verminderen, " zei PPPL-natuurkundige Nat Fisch, Princeton hoogleraar astrofysische wetenschappen, mede-ontwikkelaar van de gepatenteerde methode. Hoofdontwikkelaar is natuurkundige Vasily Geyko, die aan het project werkte als een afgestudeerde student in het Princeton Program in Plasma Physics bij PPPL, die Fisch regisseert.

Het octrooi, waar Fisch en Geyko in 2014 voor het eerst om vroegen, is voortgekomen uit onderzoek dat de natuurkundigen uitvoerden op het snel ronddraaien en comprimeren van plasma - het hete, geladen soep van elektronen en atoomkernen - in plaats van benzine. Tijdens de studie, ondersteund door de DOE's National Nuclear Security Administration (NNSA) en het Amerikaanse Defense Threat Reduction Agency, de onderzoekers ontdekten dat het snel ronddraaien van een neutraal gas omstandigheden kan creëren die gunstig zijn voor benzinemotoren.

Grotere warmtecapaciteit

Echter, Geyko en Fisch ontdekten dat de warmtecapaciteit van een ideaal spingas, het vermogen om energie te absorberen terwijl het wordt verwarmd, groter is dan die van een stilstaande. De wetenschappers realiseerden zich toen dat een gas dat ongeveer met de snelheid van het geluid roteert, wanneer gebruikt in een thermodynamische cyclus, waardoor motoren efficiënter bij lagere temperaturen kunnen werken dan conventionele verbrandingsmotoren.

Zoals Geyko aangeeft, "gebruikt voor Otto- of Dieselcycli, " die benzine- of dieselmotoren aandrijven, het warmtecapaciteitseffect verhoogt de thermodynamische efficiëntie voor vaste maximale en minimale bedrijfstemperaturen. Bovendien, de relatieve efficiëntiewinst is groter naarmate de maximale bedrijfstemperaturen kleiner worden. Dit maakt de uitvinding bijzonder gunstig voor gebruik in motoren met een zeer lage temperatuur."

Het spingas wijzigt ook het standaardontwerp van de verbrandingsmotor. "De uitvinding heeft een achttaktmotor, in plaats van een viertaktmotor, om het gas op de juiste punten in de cyclus te laten draaien, "zei Fisch. "Dat bemoeilijkt de motor natuurlijk. En een conventionele motor zal efficiënter zijn bij conventionele temperaturen.

Hogere efficiëntie

"Maar bij zeer lage temperaturen, waar conventionele motoren werken met een zeer slechte efficiëntie, de uitstoot van giftige stikstofoxiden door brandende benzine zal aanzienlijk minder zijn. Bij die temperaturen zou onze uitvinding met voordeel in de praktijk kunnen worden gebracht, met een hoger rendement en een lager brandstofverbruik, met overeenkomstige voordelen voor de volksgezondheid door een verbeterde luchtkwaliteit door de vermindering van de uitstoot van stikstofoxiden."

Voor nu, de gepatenteerde bevindingen blijven theoretisch. Maar, bijvoorbeeld, als het Congres een landelijke vermindering van stikstofoxide zou goedkeuren, de theoretische mogelijkheden zouden de verdere ontwikkeling zeer waard kunnen worden, zei Fisch. "In principe, " voegde Geyko eraan toe, "zelfs een matige verlaging van de toegestane verbrandingstemperaturen, rond zeg 1, 300-1, 800 graden Celsius vanaf ongeveer 2, 500 graden Celsius, zou voldoende zijn om een ​​relatief efficiëntievoordeel te behalen voor een draaiende gasmotor van 5 tot 10 procent in vergelijking met een conventionele Otto-cyclusmotor."