Nowy silnik wysokoprężny emituje czystsze opary

Nowy silnik zaprojektowany w Niemczech redukuje zanieczyszczenia w spalinach z silników Diesla do ledwo mierzalnych poziomów. Silnik opiera się na ekstremalnie wysokich ciśnieniach wtrysku paliwa i spalania, aby spalać paliwo w pełniejszy sposób – radykalnie redukując zarówno emisję sadzy, jak i tlenków azotu.

Czysta maszyna: Naukowcy z Politechniki w Monachium wykorzystali ten silnik testowy do zademonstrowania jednoczesnej redukcji tlenków azotu i sadzy bez użycia katalizatora.

Silniki Diesla zużywają paliwo wydajniej niż silniki benzynowe i emitują mniej dwutlenku węgla, ale kompromis polega na tym, że zwykle powodują większe zanieczyszczenie. Wyższe temperatury spalania wymagane do spalania oleju napędowego prowadzą do zwiększonej emisji tlenków azotu. A ponieważ olej napędowy jest ciężki i mniej lotny niż benzyna, nie całe paliwo jest spalane podczas spalania, co powoduje powstawanie cząstek sadzy. Najgorszymi sprawcami są autobusy i ciężkie ciężarówki.

Inżynierowie z Politechnika-Monachium (TUM) zaprojektował nowy silnik w trzyletnim projekcie o nazwie Silnik wysokoprężny do samochodów ciężarowych o najniższej emisji (NEMo), co przekłada się na niskoemisyjny silnik diesla do samochodów ciężarowych. Kierował nimi Georg Wachtmeister, kierownik ds. silników spalinowych na uniwersyteckim Wydziale Inżynierii Mechanicznej. Korzystając z jednocylindrowego silnika badawczego, zespół Wachtmeistera znalazł równowagę między recyrkulacją spalin, ciśnieniem turbodoładowania i konfiguracją dyszy wtryskiwacza paliwa, która pozwoliła zminimalizować tworzenie się sadzy i tlenku azotu.

Nowoczesne silniki wysokoprężne zmniejszają powstawanie tlenków azotu poprzez schładzanie części spalin i zawracanie ich z powrotem do komory spalania (wraz ze świeżym powietrzem używanym do spalania paliwa). W tej mieszaninie dwutlenek węgla i woda ze spalin łagodzą proces spalania, utrzymując temperaturę pod kontrolą. W rezultacie powstaje mniej tlenków azotu, ale wzrasta produkcja sadzy, ponieważ zawartość tlenu w mieszance powietrzno-wylotowej jest mniejsza, a paliwo spala się mniej całkowicie.

Naukowcy z TUM zaprojektowali silnik testowy w taki sposób, aby turbosprężarka sprężała mieszankę powietrzno-wylotową do 10 barów – około 10 razy więcej niż ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza – przed wprowadzeniem jej do komory spalania. W przeciwieństwie do tego, silniki produkowane masowo mogą sprężyć mieszankę maksymalnie do około 3,5 bara. Po sprężeniu w ten sposób mieszanka powietrzno-spalinowa w nowym silniku zawiera wystarczającą ilość tlenu, aby olej napędowy mógł się lepiej spalić. Maksymalne ciśnienie powietrza wewnątrz komory spalania wynosi 300 barów, czyli dwa razy więcej niż w większości silników seryjnych.

Aby zrównoważyć zwiększoną produkcję sadzy spowodowaną zmianą szybkości recyrkulacji spalin, zespół NEMo zmodyfikował dyszę wtryskiwacza paliwa tak, aby rozpylała olej napędowy pod ciśnieniem ponad 3000 barów, generując mgiełkę paliwową z mikroskopijnych cząstek, która bardzo szybko spala się i praktycznie pozbawiony sadzy. Najbardziej zaawansowane obecnie produkowane silniki wykorzystują ciśnienie wtrysku około 1800 barów.

Dzięki zmodyfikowanej recyrkulacji spalin, ciśnieniu doładowania i konfiguracji dysz silnik TUM prawie spełnia europejskie normy emisji, które mają wejść w życie do 2014 r. Normy te stanowią, że silnik wysokoprężny do samochodów ciężarowych może emitować tylko pięć miligramów cząstek sadzy i 80 miligramy tlenków azotu na kilometr. Wachtmeister mówi, że silnik testowy TUM bez problemu spełnił limity tlenków azotu i jest bardzo zbliżony do limitów emisji sadzy.

George Anitescu, badacz z Syracuse University, sceptycznie odnosi się do praktyczności projektu. Badania mogą w pewnym stopniu rozwiązać problem kompromisu między cząstkami stałymi a tworzeniem się tlenku azotu, nieodłącznie związanym ze spalaniem oleju napędowego, mówi. Uważa jednak, że energia potrzebna do osiągnięcia zastosowanych wysokich ciśnień zmniejszy wydajność silnika. Innym problemem, jak mówi, jest znalezienie materiałów – szczególnie przystępnych cenowo – które wytrzymają ekstremalne naciski.

Na razie przekształcenie tego projektu w silnik produkcyjny nie jest praktyczne, przyznaje Wachtmeister. Warsztat silników spalinowych TUM musiał specjalnie wyprodukować 95 elementów do silnika testowego. Jednak dzięki zastosowaniu tych specjalnych komponentów zespół był w stanie z powodzeniem zastosować modyfikacje w silniku produkcyjnej ciężarówki.

Wachtmeister spodziewa się, że opracowanie rozwiązań, które pozwolą na produkcję silników na tyle niezawodnych, by bezawaryjnie przejechać setki tysięcy kilometrów, zajmie od pięciu do dziesięciu lat. Turbosprężarka i układ wtrysku paliwa będą szczególnie trudne do zaadaptowania w ciężkich samochodach ciężarowych lub silnikach samochodowych.

W międzyczasie, mówi, projekt mógłby być dziś łatwo zaimplementowany w niektórych silnikach przemysłowych, takich jak generatory diesla, najczęściej używane w systemach zasilania rezerwowego i awaryjnego. Jak mówi Wachtmeister, firmy motoryzacyjne zarówno w Niemczech, jak iw Japonii wyraziły zainteresowanie tą technologią.

ukryć