Un'innovazione del motore ideata e testata per la prima volta dai Laboratori Nazionali Sandia ha attirato l'attenzione delle grandi imprese per il suo potenziale di ridurre in modo conveniente le emissioni di fuliggine e ossidi di azoto, incoraggiare l'uso di combustibili rinnovabili, e mantenere o migliorare le prestazioni del motore.

Iniezione di carburante canalizzata, sviluppato da Charles Mueller presso il Combustion Research Facility di Sandia, è in grado di mettere a punto la miscela aria-carburante in un motore al punto da eliminare tra il 50 e il 100% della fuliggine a seconda della velocità istantanea e del livello di potenza del motore.

Mueller ha affermato che i produttori di motori "stanno iniziando a mostrare entusiasmo" per l'iniezione di carburante canalizzata. Non solo funziona bene con il carburante diesel convenzionale, è concettualmente semplice e può essere costruito con materiali a basso costo.

"L'iniezione di carburante in canalina è anche plausibilmente adattabile ai motori esistenti, " ha detto Mueller. "Questo è particolarmente importante per i motori di grandi dimensioni, come quelli delle navi o delle locomotive, dove i motori possono costare un milione di dollari o più, e l'elettrificazione completa è proibitiva in termini di costi. Un retrofit potrebbe essere relativamente poco costoso e fornire vantaggi sostanziali in termini di emissioni fin da subito".

L'idea per l'iniezione di carburante canalizzata è venuta dal bruciatore Bunsen

L'iniezione di carburante canalizzata è stata concepita per la prima volta da Mueller da, tra tutte le cose, un becco Bunsen, che può essere trovato in quasi tutte le aule di scienze delle scuole superiori della nazione.

"Se sviti il ​​tubo di un becco Bunsen e accendi il getto del gas, diventi alto, fiamma arancione fuligginosa, " ha detto Mueller. "Spegni il gas, riavvitare il tubo e riaccendere il bruciatore. Ora hai un bel, fiamma blu corta proprio all'estremità del tubo. La fiamma è blu perché non c'è fuliggine".

Mueller pensava che il concetto potesse essere adattabile ai motori a combustione, così lui e il suo team, lo stagista Christopher Nilsen, l'incaricato post-dottorato Drummond Biles e il tecnologo Nathan Harry - hanno iniziato esperimenti che ora hanno portato a un assemblaggio di quattro o sei piccoli tubi - o condotti - che dirigono la miscela di carburante dall'iniettore ai punti di accensione.

Mueller afferma che gli iniettori in un motore diesel tradizionale creano miscele di accensione locali che contengono da due a 10 volte più carburante di quello necessario per la combustione completa.

"Quando hai così tanto carburante in eccesso ad alta temperatura, tendi a produrre molta fuliggine, " ha detto. "L'installazione dei condotti ci consente di ottenere una combustione diesel che forma poca o nessuna fuliggine, perché le miscele di accensione locali contengono meno carburante in eccesso."

Limitare la formazione di un inquinante universale del motore

Generazioni di motori non sono riusciti a eliminare la fuliggine dalle emissioni perché c'era un limite fisico alla chimica della combustione del carburante.

"La fuliggine è seconda solo all'anidride carbonica come sostanza chimica che forza il cambiamento climatico, ed è tossico, quindi le sue emissioni dovrebbero essere ridotte al minimo, " ha spiegato Mueller. "In passato, c'è sempre stato questo problema chiamato trade-off fuliggine-NOx. Cioè:quando fai qualcosa per abbassare la fuliggine, le emissioni di ossidi di azoto, o NOx, aumentano, e viceversa."

Gli ossidi di azoto sono anche inquinanti atmosferici, e il compromesso significava che il camion, i produttori di automobili e attrezzature non potrebbero soddisfare gli attuali limiti legislativi senza l'aggiunta di sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Questi sistemi sono analoghi ai convertitori catalitici sui motori ad accensione comandata, anche se notevolmente più grande e più costoso. Ma rimuovi quasi del tutto uno di quegli inquinanti, come fa l'iniezione di carburante canalizzata con la fuliggine, e Mueller ha detto che hai cambiato il gioco.

"Ora che abbiamo tolto la fuliggine, non c'è più nessun compromesso tra fuliggine e NOx, " disse. "Allora, possiamo aggiungere la diluizione, prendendo parte dello scarico del motore e riportandolo all'aspirazione, per eliminare gli NOx senza che le emissioni di fuliggine diventino un problema. È come un accordo due a uno sulla riduzione degli inquinanti".

Mueller ha detto che negli esperimenti sui motori, la sua squadra ha osservato simultaneamente, riduzioni di ordini di grandezza della fuliggine e degli ossidi di azoto.

"Questo ci consente di ottenere emissioni molto più basse per i motori diesel, risolvere un problema di lunga data per questa tecnologia altamente efficiente, " Egli ha detto.

Riduzione dei costi di trasporto con l'iniezione di carburante canalizzata, combustibili rinnovabili

La quasi eliminazione della fuliggine e degli ossidi di azoto potrebbe anche aprire il mercato dei combustibili rinnovabili.

"L'iniezione di carburante in canalina funziona alla grande con il carburante diesel convenzionale, ma funziona ancora meglio con carburanti ossigenati, che hanno uno o più atomi di ossigeno legati in alcune o tutte le loro molecole. Molte rinnovabili, i combustibili sostenibili sono ossigenati, " ha detto Mueller.

"L'utilizzo di combustibili ossigenati con iniezione di carburante canalizzata riduce le emissioni, forse abbastanza per consentire un sistema motore meno costoso perché sarebbe richiesto meno post-trattamento dei gas di scarico, " ha detto. "Su un moderno camion in autostrada, il post-trattamento ammonta a circa $ 12, 000 in costi iniziali e di esercizio per tutta la vita del veicolo. Ridurre anche solo una frazione di questi costi è un grosso problema, visto il gran numero di questi veicoli e la loro importanza per l'economia".

La tecnologia promette veicolo, opportunità di mercato dei combustibili alternativi

Paolo Miglia, responsabile del programma di ricerca sui motori, ha detto che il potenziale impatto dell'iniezione di carburante canalizzata non può essere sopravvalutato.

"Rompere il compromesso tra fuliggine e ossidi di azoto è un'area di ricerca di massima priorità per lo sviluppo dei motori diesel, " ha detto Miles. "Questo è un esempio del ruolo chiave della ricerca supportata dal governo:identificare e dimostrare il potenziale di soluzioni innovative, tecnologie ad alto rischio per rimodellare il panorama di un'industria, la nostra infrastruttura di trasporto e la nostra società, e poi lavorare insieme ai partner commerciali per portare la tecnologia sul mercato."

Ford e un produttore di attrezzature fuoristrada hanno recentemente firmato un accordo di ricerca e sviluppo cooperativo con Sandia per aiutare a far progredire la tecnologia.

Mueller è entusiasta di collaborare con i partner del settore per spostare questa svolta dal laboratorio ai motori di produzione.

"L'iniezione di carburante in canalina promette di darci motori chiaramente superiori per il futuro, " ha detto. "Dovrebbe preservare tutti gli attributi desiderabili di un motore diesel convenzionale ma anche ridurre significativamente le emissioni, che riduce il costo del sistema motore perché non è necessario utilizzare tanto post-trattamento. E, funziona ancora meglio con i combustibili rinnovabili attuali ed emergenti".