Zaawansowana pomoc techniczna dla brudnych diesli

Jazda za autobusem lub ciężarówką buchająca śmierdzącymi spalinami wystarczy, aby przekonać każdego, że emisje z silników Diesla powinny zostać oczyszczone. Ale podczas gdy producenci silników benzynowych zmniejszyli szkodliwe emisje w swoich nowych pojazdach o około 90 procent w ciągu ostatnich 25 lat, producenci silników wysokoprężnych do tej pory zdołali zredukować szkodliwe spaliny tylko o około połowę tego procenta.

Teraz jednak naukowcy z University of Southern California opracowują urządzenie, które wykorzystuje elektrony o wysokiej energii do niszczenia szkodliwych spalin z silnika Diesla, redukując je do pary wodnej, dwutlenku węgla i powietrza. W ciągu kilku lat technika ta może okazać się opłacalnym sposobem dostosowania silników wysokoprężnych do coraz bardziej rygorystycznych norm emisji.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 1997 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Według Agencji Ochrony Środowiska (EPA) wysokoobciążone silniki wysokoprężne wytwarzają 25% wszystkich tlenków azotu (NOx) wytwarzanych przez pojazdy – źródło kwasu azotowego (HNO3), głównego składnika kwaśnych deszczów i głównego źródła miejskich smog. Chociaż pierwsze kompleksowe przepisy federalne kontrolujące emisje z pojazdów silnikowych zostały wprowadzone na mocy ustawy o czystym powietrzu z 1970 r., pierwsze normy NOx dotyczące emisji z silników Diesla weszły w życie dopiero w 1984 r. Następnie, gdy jakość powietrza nadal pogarszała się w wyniku wzmożonego ruchu, Kongres uchwalił ustawę o czystym powietrzu z 1990 roku, która zmusiła producentów ciężarówek i autobusów do zmniejszenia emisji NOx o 50 procent w stosunku do normy z 1984 roku. Wreszcie, w 1995 r. EPA, we współpracy z Kalifornijską Radą ds. Zasobów Powietrza i producentami silników do dużych obciążeń, opracowała zestawienie zasad, które skłoniły EPA do ustanowienia najnowszych standardów mających na celu zmniejszenie emisji NOx z silników Diesla o kolejne 50 procent do 2004 r.

Inżynierowie silników Diesla do tej pory ograniczyli emisje w dużej mierze dzięki zastąpieniu mechanicznych elementów sterujących wlotem powietrza i podawaniem paliwa bardziej efektywnymi systemami elektronicznymi. Teraz naukowcy, w tym Martin Gundersen i Victor Puchkarev, para inżynierów elektryków z Uniwersytetu Południowej Kalifornii, badają systemy oczyszczania spalin. Oparte na impulsowym obwodzie elektronicznym, który powstał w latach 50. XX wieku i został udoskonalony podczas prac nad Inicjatywą Obrony Strategicznej w latach 80., ich urządzenie wykorzystuje krótkie impulsy wysokoenergetycznych elektronów do rozkładania NOx i innych cząstek sadzy w spalinach z silnika Diesla, zanim zostaną one zniszczone. przedostają się do atmosfery.

Grupa USC opracowała komorę, którą można włączyć do układu wydechowego oleju napędowego, podobnie jak katalizator stosowany w pojazdach napędzanych benzyną. Wewnątrz komory specjalny przełącznik elektroniczny wytwarza krótki impuls elektryczny, taki jak impuls z elektronicznej lampy błyskowej aparatu, z szybkością tysięcy wyładowań elektrycznych na sekundę. Kiedy energiczne elektrony z tych szybkich iskier wysokiego napięcia są wtryskiwane do strumienia spalin, podobnie jak wiązka elektronów jest wystrzeliwana do świetlówki, uderzają one w cząsteczki powietrza i pary wodnej obecne w spalinach. Zderzenia tworzą plazmę jonową — zbiór elektronów i naładowanych cząstek azotu, tlenu i wodorotlenku — która z kolei reaguje z NOx i cząstkami węglowodorów, tworząc dwutlenek węgla, powietrze i parę wodną.

Wczesne prototypy potwierdziły tę koncepcję, ale były nieefektywne, wymagając do działania nawet 50 procent mocy silnika. Jednak Gundersen twierdzi, że zespół ostatnio poprawił wydajność urządzenia o rząd wielkości, wprowadzając go do zakresu, który producenci pojazdów z silnikami wysokoprężnymi uznaliby za atrakcyjny.

Aby osiągnąć dramatyczną poprawę, Gundersen twierdzi, że jego zespół zmodyfikował urządzenie, aby skrócić czas trwania każdego impulsu z około 200 nanosekund (miliardowych części sekundy) do około 50 nanosekund. Ponieważ przyspieszenie elektronów występuje tylko w początkowych stadiach impulsu, skrócenie impulsów podniosło energię elektronów w plazmie, zużywając jednocześnie znacznie mniej energii.

Według Bernarda M. Penetrante, fizyka kierującego grupą Environmental Plasma Technologies w Lawrence Livermore National Laboratory, kilkanaście grup na całym świecie jest obecnie zaangażowanych w podobne prace badawczo-rozwojowe, które mogą ostatecznie konkurować o udział w ogromnym potencjalnym rynku. Rzeczywiście, EPA szacuje, że po amerykańskich drogach jeździ obecnie około 5 milionów ciężkich i 2 miliony lekkich pojazdów z silnikami wysokoprężnymi, a każdego roku w kraju sprzedaje się kilkaset tysięcy nowych pojazdów z silnikami wysokoprężnymi.

Gundersen szacuje, że pulsacyjne urządzenie do oczyszczania spalin kosztowałoby około 1000 dolarów. Jeśli tak się stanie, rynek może z łatwością być wart kilka miliardów dolarów. A rynek może nie ograniczać się do silników wysokoprężnych. Penetrante zauważa, że ​​każde urządzenie, które może zredukować NOx do łagodnych produktów w rurze wydechowej diesla, może być również zastosowane w silnikach benzynowych. Wyjaśnia, że ​​podobne warunki istnieją w nowych silnikach benzynowych o spalaniu ubogim (wysokim stosunku powietrza do paliwa) i że nowe technologie, takie jak moc impulsowa, będą miały kluczowe znaczenie dla umożliwienia pojazdom nowej generacji spełniania coraz bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących emisji.

ukryć