Benzin-alkoholmotorer til tunge lastbiler kan give en meningsfuld forbedring af den globale luftkvalitet

De fleste bestræbelser på at reducere den negative luftforurening og klimapåvirkning fra nutidens køretøjer fokuserer på biler og lette lastbiler, der typisk drives af benzin, med strategier, der spænder fra elektrificering og samkørsel til autonome køretøjer.

"Disse strategier kan være en vigtig del af den samlede løsning, " siger Daniel Cohn, forsker ved MIT Energy Initiative. "Men det er også mere og mere vigtigt at tænke på tunge og mellemstore lastbiler. At finde en måde at rense dem på kan faktisk medføre en større forbedring af verdensomspændende luftkvalitet i løbet af de næste par årtier."

Drevet hovedsageligt af dieselmotorer, disse lastbiler er nu den største producent af nitrogenoxid (NOx)-emissioner i transportsektoren, bidrager til jordnær ozon, luftvejsproblemer, og for tidlige dødsfald i byområder. Nogle estimater anslår, at dieselbrændstof - der bruges til både lastbiler og biler - vil sælge mere end benzin på verdensplan inden for det næste årti, truer med yderligere at øge den allerede alvorlige byluftforurening såvel som drivhusgaskoncentrationer (GHG).

Dagens kraftige dieselmotorer giver brændstofeffektivitet og høj effekt, gør dem ideelle til langdistanceflyvninger, erhvervskøretøjer med store kilometertal. Men at finde en anden mulighed er afgørende, siger Cohn. "Vi er nødt til at erstatte dieselmotorer med andre forbrændingsmotorer, der er meget renere og producerer mindre drivhusgas."

Ved hjælp af computersimuleringsanalyse, Cohn og hans kollega Leslie Bromberg, ledende forskningsingeniør ved Plasma Science and Fusion Center og Sloan Automotive Laboratory, har designet en halvstor benzin-alkoholmotor, der ikke kun skal være renere, men også billigere og mere ydende - og som snart kan introduceres i flåden af ​​køretøjer på vejen.

Udskiftning af den kraftige diesel

Inden for USA, presset på lastbilindustrien for at håndtere dieselemissioner har været stigende. Ja, forventede regler i Californien ville kræve, at NOx-emissioner fra mellem- og tunge lastbiler reduceres med omkring 90 procent i forhold til nutidens reneste dieselmotorer, som bruger komplekse og dyre udstødningsbehandlingssystemer blot for at opfylde gældende regler. I nogle dele af verden, som Indien og Kina, disse oprydningssystemer bruges generelt ikke. Som resultat, NOx-emissioner er omkring 10 gange højere, og at få dem ned på niveauet for fremtidige californiske regler ville kræve en reduktion på omkring 98 procent.

I USA, nogle lastbiler er begyndt at overholde de forventede strenge NOx-grænser ved brug af store gnisttændingsmotorer (SI) drevet af naturgas. Men storstilet anvendelse af disse motorer ville være problematisk. Opbevaring og distribution af gasformigt brændstof øger køretøjsomkostningerne og udgør infrastrukturudfordringer, og brugen af ​​naturgas kan føre til en øget klimapåvirkning på grund af lækage af metan, et drivhusgas med højt globalt opvarmningspotentiale.

For at undgå udfordringerne ved at håndtere naturgas, Cohn og Bromberg besluttede at forfølge en anden tilgang:en kraftig SI-motor, der i stedet blev drevet af benzin. Generelt, benzin SI-motorer producerer lave NOx-emissioner. Vejledt af deres computermodeller, Cohn og Bromberg tog en række skridt for at øge kraften og effektiviteten af ​​dette design uden at ofre dets emissionsfordele.

Under normal benzin SI-motordrift, processen med at omsætte forbrændingen af ​​gasser til drejningsmoment (rotationskraft) ved hjulene forløber jævnt – indtil der er behov for drift med højt drejningsmoment, for eksempel, at trække et tungt læs i høj fart eller op ad en bakke. Derefter, tryk og temperaturer inde i cylinderen kan stige så meget, at de uforbrændte forbrændingsgasser spontant antændes. Resultatet er bank, som forårsager en metallisk klingende lyd og kan beskadige motoren. Behovet for at forhindre banker har indtil nu begrænset forbedringer i effektivitet og ydeevne, som ville være nødvendige for, at benzinmotorer kan konkurrere med dieselmotorer.

Cohn og Bromberg håndterede det problem ved at bruge alkohol. Når SI-motoren arbejder hårdt, og der ellers ville opstå banke, en lille mængde ethanol eller methanol sprøjtes ind i det varme forbrændingskammer, hvor det hurtigt fordamper, afkøling af brændstof og luft og gør selvantændelse meget mindre sandsynlig. Ud over, på grund af alkohols kemiske sammensætning, dens iboende bankemodstand er højere end benzins. Alkoholen kan opbevares i en lille, separat brændstoftank – da udstødningsrensningsvæske opbevares i et dieselmotorkøretøj. Alternativt det kunne tilvejebringes ved ombord adskillelse af alkohol fra benzin i den almindelige brændstoftank. (Næsten al benzin, der sælges i USA, er nu en blanding af 90 procent benzin og 10 procent ethanol.)

Med bekymring over, at banken er fjernet, forskerne var i stand til at drage fuld fordel af to teknikker, der bruges i nutidens personbiler. Først, de brugte turbolader, men på højere niveauer. Turboladning involverer at komprimere den indkommende luft, så flere molekyler af luft og brændstof passer inde i cylinderen. Resultatet er, at en given effekt kan opnås ved at bruge et mindre samlet cylindervolumen. Og for det andet, de brugte et højt kompressionsforhold, som er forholdet mellem forbrændingskammerets volumen før kompression og volumen efter. Ved et højere kompressionsforhold, de brændende gasser udvider sig mere i hver cyklus, så der leveres mere energi for en given mængde brændstof.

Forskerne gjorde også brug af et vigtigt træk ved den tunge SI-motor med lavt NOx-niveau, der blev drevet af naturgas:De antog, at blandingen af ​​luft og brændstof inde i deres motor indeholdt lige nok luft til at brænde alt brændstoffet op - ikke mere, intet mindre. Denne støkiometriske operation tillod vigtige ændringer, der ikke var mulige i dieselen, som skal køre med masser af ekstra luft for at kontrollere emissionerne. Med støkiometrisk operation, de kunne bruge en tre-vejs katalysator til at rense motorens udstødning. Et relativt billigt system, trevejskatalysatoren fjerner NOx, carbonmonoxid, og uforbrændte kulbrinter fra motorens udstødning og er nøglen til det lave NOx, der opnås i nutidens SI-motorer.

Derefter, givet støkiometrisk drift kombineret med et højere niveau af turboopladning og et højt kompressionsforhold, forskerne var i stand til at krympe hele deres motor. SI-motoren indeholder ikke al den overskydende luft, der er i en diesel, så det samlede volumen af ​​dens cylindre kan være mindre.

"På grund af den forskel, du kan erstatte en dieselmotor med en SI-motor, der er cirka halvt så stor, siger Bromberg.

Med denne reduktion i størrelse følger en stigning i brændstofeffektiviteten. I enhver motor, processen med at pumpe luft ind i cylindrene og forskellige friktionskilder reducerer uundgåeligt brændstofeffektiviteten. Disse pumpetab afhænger af motorstørrelsen. Gør en motor mindre, og der er mindre friktion og mindre spildt brændstof.

Taget sammen, den billige trevejskatalysator og den mindre samlede størrelse er med til at gøre benzin-alkoholmotoren billigere end den reneste dieselmotor med et avanceret udstødningsrensningssystem. Ja, ifølge forskernes skøn, prisen på benzin-alkoholmotoren plus dens udstødningsbehandlingssystem ville være omtrent det halve af den reneste dieselmotor.

Strøm, effektivitet, og alkoholforbrug

Hvordan er den halvstore benzin-alkohol SI-motor sammenlignet med nutidens reneste diesel i fuld størrelse på effektivitet og kraft? For at besvare det spørgsmål, forskerne brugte en række sofistikerede motor- og køretøjssimuleringer og kemiske kinetiske modeller udviklet af Bromberg.

Til sammenligning, de brugte en illustrativ version af deres motor baseret på en 6,7-liters motor, der nu er fremstillet og kunne - med relativt små ændringer - konverteres til benzin-alkohol-konfigurationen. Deres analyse antog, at kompressionsforholdet og motorens drejningsmoment var omtrent det samme i 6,7 benzin-alkohol SI-motoren som i en 12-liters dieselmotor. Men SI-motoren kan køre langt hurtigere, end dieselen kan. (Forbrændingen er hurtigere med gnisttænding end med den kompressionstænding, der bruges i dieselmotorer.) På grund af den hurtigere drift og det nogenlunde tilsvarende drejningsmoment, den lille motor kan producere næsten 50 procent mere effekt, end dieselen kan. Og mens benzin-alkoholmotoren er noget mere effektiv end diesel ved højt drejningsmoment og mindre effektiv ved lavt drejningsmoment, generelt er den lille SI-motor omtrent lige så effektiv som diesel.

Imidlertid, da der kræves mere drejningsmoment, bank bliver mere sandsynligt, så der skal mere ethanol til. Ved det højeste drejningsmoment, omkring 80 procent af det samlede brændstof skal være ethanol for at forhindre banke. Det skøn vækker bekymring:I USA, ethanol er meget udbredt i en lavkoncentrationsblanding med benzin, men ren ethanol eller en højkoncentreret ethanol-benzinblanding er muligvis ikke tilgængelig eller kan være for dyr. Så hvor meget ethanol kræves der sandsynligvis til en given tur?

Som et eksempel, forskerne overvejede en tur taget på langdistance, tungt køretøj, der kræver højt drejningsmoment det meste af tiden. Afhængigt af kompressionsforholdet, ethanol kan udgøre 20 til 40 procent af dets samlede brændstofforbrug. I modsætning, en lastbil kører måske med lavt drejningsmoment det meste af tiden og klarer sig fint med ethanol som 10 procent af dets samlede brændstof over en køreperiode.

"Sådanne niveauer af ethanolforbrug kan lade sig gøre, " bemærker Cohn. "Men systemet ville være mere attraktivt for folk, hvis du havde en sag, hvor du kunne bruge mindre ethanol."

En måde at reducere ethanolforbruget ville være at fortynde ethanolen med vand. Ved at bruge bankemodellen, Cohn og Bromberg fastslog, at slagmodstanden faktisk er højere, når vand udgør så meget som en tredjedel af det sekundære brændstof. "Og i nogle tilfælde, hvor du ikke har brug for ethanol til frostvæske, du kan måske løbe med vand alene som sekundær væske, " siger Cohn.

En anden tilgang til at reducere alkoholforbrug - kaldet ophastighed - involverer at køre motoren ved en højere hastighed. At køre motoren hurtigere og justere gearingen i transmissionen for at øge forholdet mellem motoromdrejninger og hjulomdrejninger gør det muligt at bruge mindre motormoment i benzinmotoren for at opnå samme moment ved hjulet som i diesel. Ifølge forskernes beregninger at reduktion i motorens drejningsmoment kunne reducere ethanolforbruget over en køreperiode til mindre end 10 procent af det samlede brændstofforbrug, en mængde, der kunne tilføres ved brændselsseparering ombord.

Reduktion af klimapåvirkninger

Cohn påpeger endnu en fordel ved benzin-alkohol SI-motoren:en vej til at reducere drivhusgasemissioner.

"Et noget underkendt aspekt ved vurderingen af ​​miljøpåvirkningerne af transportkøretøjer er, at drivhusgasemissioner fra lastbiler verden over vil overhale drivhusgasemissionerne fra biler engang mellem 2020 og 2030, " konstaterer han.

Benzin-alkohol SI-motoren kan betjenes i en fleksibel brændstoftilstand, hvor den kun bruger ren alkohol, hvis det ønskes. Lige nu, ser på brændstoffernes livscyklus og antager sammenlignelig motoreffektivitet, Brug af ethanol fremstillet af majs ved hjælp af avancerede metoder genererer omkring 20 procent lavere drivhusgasemissioner end ved brug af benzin eller diesel. Endnu større reduktioner i drivhusgasemissioner kan komme, når ethanol- og methanolbrændstoffer produceres fra landbrugs-, skovbrug, og kommunalt affald eller specialbiomasse.

"Reduktion af drivhusgasemissioner fra lastbiler ved at finde en alternativ strømkilde - f.eks. gennem elektrificering - kunne tage lang tid, " siger Cohn. "Men hvis du kan betjene din motor delvist med ethanol eller helt med ethanol, det er en god måde at komme i gang med det samme."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.