Новые топливные форсунки устраняют сажу без дорогостоящих устройств очистки выхлопных газов.
Топливные форсунки, разработанные Чарльзом Мюллером в лаборатории Sandia National Lab (Альбукерке, штат Нью-Мексико, США) по исследованию сжигания топлива для дизельных двигателей, обеспечивают впрыск топлива по воздуховоду, который позволяет точно настроить топливно-воздушную смесь двигателя таким образом, чтобы удалить от 50% до 100% сажи, образующейся обычно при работе дизельного двигателя.
«Производители двигателей начинают проявлять волнение по этому поводу», - говорит он.
Производителям они нравится, потому что очищают окружающую среду, хорошо работают с обычным дизельным топливом, концептуально просты и могут быть изготовлены из недорогих материалов.
«Впрыск топлива по воздуховоду также может быть переоборудован на существующие двигатели. Это особенно важно для больших двигателей, таких как те, которые используются на судах и локомотивах, где стоимость двигателей может достигать 1 млн. долл. и более, а переход на полностью электрическую энергию является экономически нецелесообразным. Модернизация была бы относительно недорогой и сразу же дала бы существенную выгоду с точки зрения выбросов».
Мюллеру пришла в голову идея впрыска топлива из горелки Бунзена, которую можно найти почти в каждом классе естественных наук средней школы в США.
«Если вы открутите трубку на горелке Бунзена и зажжете газовую струю, получится высокое, сияющее оранжевое пламя», - говорит Мюллер. «Но стоит выключить газ, снова зажечь трубку и горелку, вы сразу получите красивое, небольшое голубое пламя прямо в конце трубки. Пламя голубое, потому что в нем нет сажи».
Мюллер думал, что эту 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 каналов), которые направляют воздушно-топливную смесь из инжектора в точки воспламенения.
Мюллер отмечает, что инжекторы в традиционных дизельных двигателях создают воспламеняющиеся газовоздушные смеси, содержащие в 2-10 раз больше топлива, чем необходимо для полного сгорания.
«Когда у вас слишком много избыточного топлива при высокой температуре, оно создает много сажи», - говорит он. «Установка воздуховодов дает нам дизельное топливо, которое практически не образует сажи, потому что смесь содержит меньше лишнего топлива».
Поколения дизельных двигателей не могли устранять сажу из-за физического ограничения химических процессов сгорания топлива.
«Сажа уступает только диоксиду углерода в качестве химического вещества, вызывающего изменение температур, и является токсичной, поэтому ее выбросы должны быть сведены к минимуму», - объясняет Мюллер. «В прошлом всегда существовала проблема, называемая компромиссом между сажевым и окислительно-восстановительным эффектами. Поэтому, когда мы делали что-то для снижения количества сажи, выбросы оксидов азота росли, и наоборот».
Оксиды азота также являются загрязнителями атмосферы, и компромисс привел к тому, что производители грузовиков, легковых автомобилей и оборудования не смогли бы соблюсти установленные законодательством ограничения без добавления устройств очистки выхлопных газов. Эти устройства очень похожи на катализаторы на двигателях с искровым зажиганием, хотя и значительно больше и дороже. Но с проточным впрыском, удаляющим почти всю сажу, игра в обмен на компромисс окончена.
«Таким образом, мы можем добавить разведение, направив часть выхлопных газов двигателя обратно во впускное отверстие, чтобы избавиться от оксидов азота не создавая проблем с выбросами сажи», - говорит Мюллер. «Это как сделка «два к одному» по сокращению выбросов загрязняющих веществ».
Мюллер сказал, что в экспериментах с двигателем его команда наблюдала одновременное уменьшение на порядок величины сажи и оксидов азота.
«Это дает нам путь к значительному снижению выбросов для дизельных двигателей, решая давнюю проблему этой высокоэффективной технологии», - говорит он.
Практическое исчезновение сажи и оксидов азота может также открыть рынок для возобновляемых видов топлива.
«Впрыск топлива по воздуховоду прекрасно работает с обычным дизельным топливом, но еще лучше работает с оксигенированным топливом, в котором один или несколько атомов кислорода связаны с некоторыми или всеми их молекулами», - отмечает Мюллер. «Многие возобновляемые, экологически чистые виды топлива насыщены кислородом».
Использование оксигенизированного топлива с впрыском топлива в воздуховоды снижает выбросы, возможно, достаточно для снижения стоимости двигателей легковых и грузовых автомобилей, потому что требуется меньшее количество очистки выхлопных газов. На современных грузовых автомобилях расходы на последующую обработку выхлопных газов составляют около 12 000 долларов США. Снижение даже части этих расходов имеет большое значение, учитывая большое количество этих транспортных средств и их важность для экономики.
Пол Майлз, руководитель программы исследований двигателей Sandia, сказал, что невозможно переоценить потенциальное воздействие впрыска топлива в воздуховодах.
«Преодоление компромисса между сажей и оксидами азота является приоритетной областью исследований для развития дизельных двигателей», - говорит Майлз. «Это пример ключевой роли исследований, проводимых при поддержке государства с целью выявления и демонстрации потенциала инновационных технологий с высокой степенью риска для изменения ландшафта отрасли, транспортной инфраструктуры и общества, а затем для совместной работы с коммерческими партнерами по выводу технологий на рынок».
Компания Ford и производитель внедорожной техники недавно подписали с Сандией соглашение о совместных исследованиях и разработках с целью содействия развитию этой технологии.