De flesta ansträngningar för att minska den negativa luftföroreningar och klimatpåverkan från dagens fordon fokuserar på bilar och lätta lastbilar som vanligtvis drivs av bensin, med strategier som sträcker sig från elektrifiering och samåkning till autonoma fordon.

"Dessa strategier kan vara en viktig del av den övergripande lösningen, "säger Daniel Cohn, forskare vid MIT Energy Initiative. "Men det blir också allt viktigare att tänka på tunga och medeltunga lastbilar. Att hitta ett sätt att städa upp dem kan faktiskt ge en större förbättring av luftkvaliteten i världen under de närmaste decennierna."

Drivs till stor del av dieselmotorer, dessa lastbilar är nu den största producenten av utsläpp av kväveoxid (NOx) inom transportsektorn, bidrar till marknära ozon, andningsproblem, och för tidiga dödsfall i stadsområden. Vissa uppskattningar visar att dieselbränsle-som används för både lastbilar och bilar-kommer att sälja bensin över hela världen under det kommande decenniet, hotar att ytterligare öka redan allvarliga luftföroreningar i städerna samt växthusgaser (GHG).

Dagens tunga dieselmotorer ger bränsleeffektivitet och hög effekt, vilket gör dem idealiska för långa sträckor, kommersiella fordon med hög körsträcka. Men att hitta ett annat alternativ är avgörande, säger Cohn. "Vi måste ersätta dieselmotorer med andra förbränningsmotorer som är mycket renare och producerar mindre växthusgas."

Med hjälp av datasimuleringsanalys, Cohn och hans kollega Leslie Bromberg, huvudingenjör vid Plasma Science and Fusion Center och Sloan Automotive Laboratory, har konstruerat en ersättande halvstor bensinalkoholmotor som inte bara ska vara renare utan också billigare och högre prestanda-och som snart kan införas i fordonsparken.

Byte av den kraftiga dieseln

Inom USA, trycket på lastbilsindustrin för att hantera dieselutsläpp har ökat. Verkligen, förväntade regler i Kalifornien skulle kräva att NOx-utsläppen från medelstora och tunga lastbilar minskas med cirka 90 procent i förhållande till dagens renaste dieslar, som använder komplexa och dyra avgasreningssystem bara för att uppfylla gällande regler. I vissa delar av världen, som Indien och Kina, dessa rengöringssystem används vanligtvis inte. Som ett resultat, NOx -utsläppen är cirka 10 gånger högre, och att få dem ner till nivån på framtida Kalifornienregler skulle kräva en minskning med cirka 98 procent.

I USA, vissa lastbilar har börjat uppfylla de förväntade strikta NOx-gränserna med stora gnisttändningsmotorer (SI) som drivs av naturgas. Men storskalig användning av dessa motorer skulle vara problematisk. Att lagra och distribuera ett gasformigt bränsle höjer fordonskostnaderna och ställer infrastrukturutmaningar, och användningen av naturgas kan leda till en ökad klimatpåverkan på grund av läckage av metan, en växthusgas med hög global uppvärmningspotential.

För att undvika utmaningarna med att hantera naturgas, Cohn och Bromberg bestämde sig för ett annat tillvägagångssätt:en kraftig SI-motor som istället drivs av bensin. I allmänhet, bensin SI -motorer ger låga NOx -utsläpp. Guidad av deras datormodeller, Cohn och Bromberg tog en rad steg för att öka designens effekt och effektivitet utan att offra dess utsläppsfördelar.

Under normal bensin -SI -motor, processen med att översätta förbränningen av gaser till vridmoment (rotationskraft) på hjulen fortskrider smidigt-tills det behövs ett högt vridmoment, till exempel, att dra en tung last i hög hastighet eller uppför en kulle. Sedan, tryck och temperaturer inuti cylindern kan stiga så mycket att de oförbrända förbränningsgaserna spontant antänds. Resultatet är knackning, som orsakar ett metalliskt klingande ljud och kan skada motorn. Behovet av att förhindra knock har hittills begränsat förbättringar av effektivitet och prestanda som skulle behövas för att bensinmotorer ska konkurrera med dieslar.

Cohn och Bromberg hanterade det problemet med alkohol. När SI -motorn arbetar hårt och det annars skulle knacka, en liten mängd etanol eller metanol injiceras i den heta förbränningskammaren, där det snabbt förångas, kyla bränsle och luft och göra spontan förbränning mycket mindre sannolikt. Dessutom, på grund av alkoholens kemiska sammansättning, dess inneboende slagmotstånd är högre än bensin. Alkoholen kan förvaras i en liten, separat bränsletank-eftersom avgasreningsvätska lagras i ett dieselmotorfordon. Alternativt, den kan tillhandahållas genom separering ombord av alkohol från bensin i den vanliga bränsletanken. (Nästan all bensin som säljs i USA är nu en blandning av 90 procent bensin och 10 procent etanol.)

Med oro för knackning bort, forskarna kunde dra full nytta av två tekniker som används i dagens personbilar. Först, de använde turboladdning, men på högre nivåer. Turboladdning innebär att den inkommande luften komprimeras så att fler molekyler luft och bränsle får plats inuti cylindern. Resultatet är att en given effekt kan uppnås med en mindre total cylindervolym. Och för det andra, de använde ett högt kompressionsförhållande, vilket är förhållandet mellan förbränningskammarens volym före kompression och volymen efter. Vid ett högre kompressionsförhållande, de brinnande gaserna expanderar mer i varje cykel, så mer energi levereras för en given mängd bränsle.

Forskarna använde också en viktig egenskap hos den låg-NOx tunga SI-motorn som drivs av naturgas:De antog att blandningen av luft och bränsle inuti deras motor innehöll precis tillräckligt med luft för att bränna upp allt bränsle-inte mer, inget mindre. Att stökiometrisk drift tillät viktiga förändringar som inte är möjliga i dieseln, som måste köras med mycket extra luft för att kontrollera utsläppen. Med stökiometrisk operation, de kan använda en trevägskatalysator för att städa upp motorns avgaser. Ett relativt billigt system, trevägskatalysatorn tar bort NOx, kolmonoxid, och oförbrända kolväten från motorns avgaser och är nyckeln till det låga NOx som uppnås i dagens SI -motorer.

Sedan, givet stökiometrisk drift i kombination med en högre nivå av turboladdning och ett högt kompressionsförhållande, forskarna kunde krympa hela sin motor. SI -motorn innehåller inte all överflödig luft som finns i en diesel, så den totala volymen på dess cylindrar kan vara mindre.

"På grund av den skillnaden, du kan ersätta en dieselmotor med en SI -motor som är ungefär hälften så stor, säger Bromberg.

Med den minskningen i storlek kommer en ökning av bränsleeffektiviteten. I vilken motor som helst, processen att pumpa luft i cylindrarna och olika friktionskällor minskar oundvikligen bränsleeffektiviteten. Dessa pumpförluster beror på motorstorlek. Gör en motor mindre, och det är mindre friktion och mindre slösat bränsle.

Tagen tillsammans, lågpris-trevägskatalysatorn och den mindre övergripande storleken hjälper till att göra bensin-alkoholmotorn billigare än den renaste dieselmotorn med ett toppmodernt avgasreningssystem. Verkligen, enligt forskarnas uppskattningar, kostnaden för bensin-alkoholmotorn plus dess avgasbehandlingssystem skulle vara ungefär hälften av den renaste dieselmotorn.

Kraft, effektivitet, och alkoholanvändning

Hur jämför den halvstora bensin-alkohol SI-motorn med dagens renaste fullstora diesel på effektivitet och effekt? För att svara på den frågan, forskarna använde en rad sofistikerade motor- och fordonssimuleringar och kemiska kinetiska modeller som utvecklats av Bromberg.

För jämförelsen, de använde en illustrativ version av sin motor baserad på en 6,7-litersmotor som nu är tillverkad och som kunde-med relativt små ändringar-konverteras till bensin-alkoholkonfiguration. Deras analys antog att kompressionsförhållandet och motorns vridmoment var ungefär detsamma i 6,7 bensin-alkohol SI-motorn som i en 12-liters dieselmotor. Men SI -motorn kan köra mycket snabbare än dieselburk. (Förbränningen är snabbare med gnisttändning än med kompressionständningen som används i dieselmotorer.) På grund av den snabbare driften och det ungefär ekvivalenta vridmomentet, den lilla motorn kan producera nästan 50 procent mer effekt än dieseldosan. Och medan bensin-alkoholmotorn är något mer effektiv än dieseln vid högt vridmoment och mindre effektiv vid lågt vridmoment, i allmänhet är den lilla SI -motorn ungefär lika effektiv som dieseln.

Dock, eftersom mer vridmoment krävs, knackning blir mer sannolikt, så det behövs mer etanol. Vid högsta vridmoment, cirka 80 procent av det totala bränslet måste vara etanol för att förhindra knackning. Den uppskattningen väcker oro:I USA etanol används ofta i en lågkoncentrationsblandning med bensin, men ren etanol eller en blandning med hög koncentration av etanol och bensin kanske inte är tillgänglig eller kan vara för dyr. Så hur mycket etanol kommer sannolikt att krävas för en given resa?

Som ett exempel, forskarna ansåg en resa som gjorts av en långdistansflyg, tunga fordon som kräver högt vridmoment för det mesta. Beroende på kompressionsförhållandet, etanol kan utgöra 20 till 40 procent av sin totala bränsleförbrukning. I kontrast, en lastbil kan fungera med lågt vridmoment för det mesta och klara sig bra med etanol som 10 procent av dess totala bränsle under en körperiod.

"Sådana etanolförbrukningar är genomförbara, "konstaterar Cohn." Men systemet skulle vara mer attraktivt för människor om du hade ett fall där du kunde använda mindre etanol. "

Ett sätt att minska användningen av etanol skulle vara att späda ut etanolen med vatten. Med hjälp av knock -modellen, Cohn och Bromberg bestämde att slagmotståndet faktiskt är högre när vatten utgör så mycket som en tredjedel av det sekundära bränslet. "Och i vissa fall där du inte behöver någon etanol för frostskyddsmedel, du kanske kan springa med vatten ensam som sekundärvätska, "säger Cohn.

Ett annat tillvägagångssätt för att minska alkoholanvändningen - kallad hastighet - innebär att man kör motorn med högre hastighet. Att köra motorn snabbare och justera växeln i växellådan för att öka förhållandet mellan motorvarvtal och hjulvarv gör det möjligt att använda mindre motormoment i bensinmotorn för att uppnå samma vridmoment vid ratten som i dieseln. Enligt forskarnas beräkningar, att minskning av motorns vridmoment kan minska etanolanvändningen under en körperiod till mindre än 10 procent av det totala bränsleförbrukningen, en mängd som kan levereras genom bränsleseparation ombord.

Minska klimatpåverkan

Cohn påpekar ytterligare en fördel med bensin-alkohol-SI-motorn:en väg att minska utsläppen av växthusgaser.

"En något underkänd aspekt vid utvärderingen av transportfordonens miljöpåverkan är att växthusgasutsläpp från lastbilar över hela världen kommer att köra växthusgasutsläpp från bilar någon gång mellan 2020 och 2030, "konstaterar han.

Bensin-alkohol SI-motorn kan drivas i ett flexibelt bränsle-läge där den endast använder ren alkohol om så önskas. Just nu, tittar på bränslenas livscykel och antar jämförbar motoreffektivitet, att använda etanol som framställs av majs med toppmoderna metoder ger cirka 20 procent lägre växthusgasutsläpp än att använda bensin eller diesel. Ännu större minskningar av växthusgasutsläppen kan komma när etanol- och metanolbränslen produceras från jordbruket, skogsbruk, och kommunalt avfall eller specialbiomassa.

"Minska växthusgasutsläppen från lastbilar genom att hitta en alternativ kraftkälla - till exempel genom elektrifiering - kan ta lång tid, "säger Cohn." Men om du kan driva din motor delvis med etanol eller helt med etanol, det är ett bra sätt att börja direkt. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.