Канальный впрыск топлива для дизельных двигателей, разработанный Чарльзом Мюллером в исследовательской лаборатории Sandia National Lab, позволяет точно настроить топливовоздушную смесь в двигателе до степени удаления от 50% до 100% сажи, обычно выделяемой дизелями. «И производители двигателей начинают демонстрировать интерес по этому поводу», — говорит он. Производителям двигателей внутреннего сгорания этот подход нравится, потому что он уменьшает выбросы, хорошо работает с обычным дизельным топливом, концептуально прост и может быть выполнен из недорогих материалов.
«Канальный впрыск топлива также может быть установлен на существующие двигатели», — говорит Мюллер. «Это особенно важно для мощных двигателей, которые используются на судах и в локомотивах, где двигатели могут стоить 1 миллион долларов или более, а переход на полностью электрическую энергию является чрезмерно дорогостоящим. Модернизация была бы относительно недорогой и могла бы обеспечить существенные выгоды от уменьшения выбросов».
Мюллеру пришла в голову идея впрыска топлива из горелки Бунзена, которую можно найти почти в каждом лабораторном классе университета.
«Если вы откручиваете трубку на горелке Бунзена и зажигаете газовую струю, вы получаете оранжевое пламя», — говорит Мюллер. «Но выключите газ, привинтите трубку и снова зажгите горелку. Теперь вы получите голубое пламя прямо в конце трубки. Пламя голубое, потому что там нет сажи».
Мюллер подумал, что концепцию можно адаптировать к двигателям внутреннего сгорания, поэтому он собрал команду в Сандии и начал экспериментировать. Теперь у исследователей есть прототип, состоящий из четырех-шести небольших трубок (или воздуховодов), которые направляют топливовоздушную смесь из инжектора в точки воспламенения.
Мюллер отмечает, что инжекторы в традиционных дизельных двигателях создают воспламеняющиеся смеси воздуха и топлива, содержащие в 2-10 раз больше топлива, чем необходимо для полного сгорания.
«Когда у вас слишком много топлива (смесь перенасыщена) при высокой температуре, оно не сгорает полностью и превращается в сажу», — говорит он. «Установка воздуховодов дает нам практически идеальное сгорание дизельного топлива, которое практически не образует сажи, потому что смеси содержат меньше топлива».
Целые поколения конструкций дизельных двигателей не смогли устранить сажу из выбросов, потому что был физический предел химии сгорания топлива. «Сажа занимает второе место после углекислого газа как химического вещества, вызывающего изменение климата, и она токсична, поэтому ее выбросы должны быть сведены к минимуму», — объясняет Мюллер. «В прошлом всегда существовала эта проблема, называемая обменом сажи на NOx. Поэтому, когда мы сделали что-то для снижения концентрации сажи, выбросы оксидов азота — или NOx — увеличились, и наоборот».
Оксиды азота также являются загрязняющими веществами в атмосфере, и компромисс означал, что производители грузовых автомобилей, легковых автомобилей и другого оборудования использующего двигатели внутреннего сгорания не могли соответствовать действующим законодательным ограничениям без добавления устройств для дополнительной обработки выхлопных газов. Эти устройства очень похожи на каталитические нейтрализаторы на двигателях с электрическим зажиганием, но значительно больше и дороже. Но с канальным впрыском, удаляющим почти всю сажу, игра компромиссов окончена.
«Таким образом, мы можем добавить «разжижение», направив часть выхлопа двигателя обратно на впуск, чтобы избавиться от NOx без выбросов сажи, которые становятся проблемой», — говорит Мюллер. «Это похоже на соглашение «два к одному»по сокращению выбросов загрязняющих веществ».
Мюллер сказал, что в экспериментах с реальным дизельным двигателем его команда наблюдала одновременное уменьшение количества оксидов сажи и азота на несколько порядков.
«Это открывает нам дорогу к гораздо более низким выбросам для дизельных двигателей, решая давнюю проблему для этой высокоэффективной технологии», — говорит он.
Почти полное уничтожение сажи и оксидов азота может также открыть рынок для возобновляемых видов топлива. «Канальный впрыск прекрасно работает с обычным дизельным топливом, но еще лучше работает с кислородсодержащим топливом, в котором один или несколько атомов кислорода связаны с некоторыми или всеми их молекулами», — отмечает Мюллер. «Многие возобновляемые, поддерживаемые виды топлива являются насыщенными кислородом».
«Использование кислородсодержащего топлива с направленным впрыском топлива снижает выбросы, возможно, этого будет достаточно, чтобы снизить затраты на двигатели для легковых и грузовых автомобилей, потому что потребуется меньше дополнительной обработки выхлопных газов», — добавляет он. «На современных грузовиках стоимость дополнительной обработки выхлопных газов составляет около 12 000 долларов США при первоначальных и эксплуатационных затратах в течение срока службы автомобиля. Сокращение хотя бы части этих затрат является большой проблемой, учитывая большое количество этих транспортных средств и их важность для экономики».
Пол Майлз, менеджер исследовательской программы Sandia, сказал, что потенциальное влияние впрыска топлива невозможно переоценить.
«Преодоление компромисса между сажей и оксидами азота является областью исследований, имеющих первостепенное значение для разработки дизельных двигателей», — говорит Майлз. «Это пример ключевой роли исследований, поддерживаемых правительством, — выявления и демонстрации потенциала инновационных технологий с высокой степенью риска для изменения ландшафта отрасли, нашей транспортной инфраструктуры и нашего общества, а затем совместной работы с коммерческими партнерами для вывода технологии на рынок».
Ford и производитель внедорожников недавно подписали Соглашение о совместных исследованиях и разработках с Sandia, чтобы помочь продвинуть данную технологию.
Оставьте комментарий