En motorinnovation som först utformades och testades av Sandia National Laboratories har uppmärksammats av storföretagen på grund av dess potential att kostnadseffektivt minska utsläppen av sot och kväveoxider, uppmuntra användningen av förnybara bränslen, och bibehålla eller förbättra motorns prestanda.

Kanaliserad bränsleinsprutning, utvecklad av Charles Mueller vid Sandias Combustion Research Facility, kan finjustera bränsle-luftblandningen i en motor till att eliminera mellan 50-100 procent av sotet beroende på motorns momentana hastighet och effektnivå.

Mueller sa att motortillverkarna "börjar visa upphetsning" om kanalinsprutning. Det fungerar inte bara bra med konventionellt dieselbränsle, det är konceptuellt enkelt och kan tillverkas av billiga material.

"Ducted bränsleinsprutning kan också tänkas eftermonteras på befintliga motorer, ", sa Mueller. "Detta är särskilt viktigt för stora motorer, som de i fartyg eller lokomotiv, där motorerna kan kosta en miljon dollar eller mer, och full elektrifiering är oöverkomligt kostnadseffektivt. En eftermontering kan vara relativt billig och kan ge betydande utsläppsfördelar direkt."

Idén för kanalinsprutning kom från Bunsen-brännare

Ledad bränsleinsprutning skapades först av Mueller från – av allt – en bunsenbrännare, som kan hittas i nästan alla gymnasieklassrum i landet.

"Om du skruvar av röret på en bunsenbrännare och tänder gasstrålen, du blir lång, sotad orange låga, " sa Mueller. "Stäng av gasen, skruva på röret igen och tänd brännaren igen. Nu får du en fin, kort blå låga precis vid änden av röret. Lågan är blå eftersom det inte finns något sot."

Mueller trodde att konceptet skulle kunna anpassas till förbränningsmotorer, så han och hans team—praktikant Christopher Nilsen, postdoktorand Drummond Biles och teknologen Nathan Harry – började experiment som nu har resulterat i en sammansättning av fyra till sex små rör – eller kanaler – som leder bränsleblandningen från injektorn till antändningspunkterna.

Mueller säger att insprutare i en traditionell dieselmotor skapar lokala antändningsblandningar som innehåller två till 10 gånger mer bränsle än vad som behövs för fullständig förbränning.

"När du har så mycket överskott av bränsle vid hög temperatur, du tenderar att producera mycket sot, ", sa han. "Att installera kanalerna gör det möjligt för oss att uppnå dieselförbränning som bildar lite eller inget sot, eftersom de lokala antändningsblandningarna innehåller mindre överskott av bränsle."

Begränsa bildandet av en universell motorförorening

Generationer av motorkonstruktioner har misslyckats med att ta bort sot ur utsläppen eftersom det fanns en fysisk gräns för bränsleförbränningens kemi.

"Sot är näst efter koldioxid som en kemikalie som tvingar fram klimatförändringar, och det är giftigt, så dess utsläpp bör minimeras, " förklarade Mueller. "Tidigare, det har alltid funnits det här problemet som kallas sot-NOx-avvägningen. Det vill säga:när du gör något för att sänka sot, utsläppen av kväveoxider – eller NOx – ökar, och vice versa."

Kväveoxider är också luftföroreningar, och avvägningen innebar att lastbilen, bil- och utrustningstillverkare kunde inte uppfylla nuvarande lagstadgade gränser utan att lägga till system för efterbehandling av avgaser. Dessa system är analoga med katalysatorer på gnisttändningsmotorer, dock betydligt större och dyrare. Men ta bort en av dessa föroreningar nästan helt – som kanalinsprutning gör med sot – och Mueller sa att du har förändrat spelet.

"Nu när vi har fått sot ur vägen, det finns ingen mer avvägning mellan sot och NOx, " han sa så, vi kan lägga till utspädning – ta en del av motoravgaserna och leda tillbaka det till intaget – för att bli av med NOx utan att sotutsläppen blir ett problem. Det är som en två-mot-en-affär om att minska föroreningar."

Mueller sa att i motorexperiment, hans team har observerat samtidigt, minskningar av sot och kväveoxider i storleksordningar.

"Detta ger oss en väg till mycket lägre utsläpp för dieselmotorer, lösa ett långvarigt problem för denna mycket effektiva teknik, " han sa.

Minska lastbilskostnaderna med kanalinsprutning, förnybara bränslen

Den nära elimineringen av sot och kväveoxider kan också öppna upp marknaden för förnybara bränslen.

"Ducted bränsleinsprutning fungerar utmärkt med konventionellt dieselbränsle, men det fungerar ännu bättre med syresatta bränslen, som har en eller flera syreatomer bundna till några eller alla sina molekyler. Många förnybara, hållbara bränslen syresätts, " sa Mueller.

"Att använda syresatta bränslen med kanalinsprutning sänker utsläppen, kanske tillräckligt för att möjliggöra ett mindre dyrt motorsystem eftersom mindre avgasefterbehandling skulle krävas, " sa han. "På en modern lastbil på motorväg, efterbehandling uppgår till cirka $12, 000 i start- och driftskostnader under fordonets livslängd. Att minska till och med en bråkdel av dessa kostnader är en stor sak, med tanke på det stora antalet av dessa fordon och deras betydelse för ekonomin."

Tekniken lovar fordon, alternativa bränslemarknadsmöjligheter

Paul Miles, chef för motorforskningsprogrammet, sade att den potentiella effekten av kanalinsprutning inte kan överskattas.

"Att bryta avvägningen mellan sot och kväveoxider är ett forskningsområde med högsta prioritet för utveckling av dieselmotorer, ", sa Miles. "Detta är ett exempel på nyckelrollen för statligt stödd forskning - att identifiera och demonstrera potentialen hos innovativa, högriskteknologier för att omforma landskapet för en industri, vår transportinfrastruktur och vårt samhälle, och sedan att arbeta tillsammans med kommersiella partners för att få ut tekniken på marknaden."

Ford och en tillverkare av terrängutrustning undertecknade nyligen ett samarbetsavtal för forskning och utveckling med Sandia för att hjälpa till att utveckla tekniken.

Mueller är entusiastisk över att samarbeta med industripartners för att flytta detta genombrott från laboratoriet till produktionsmotorer.

"Ducted bränsleinsprutning visar löfte för att ge oss klart överlägsna motorer för framtiden, " sade han. "Den bör bevara alla de önskvärda egenskaperna hos en konventionell dieselmotor men också avsevärt sänka utsläppen, vilket sänker kostnaden för motorsystemet eftersom man inte behöver använda lika mycket efterbehandling. Och, det fungerar ännu bättre med nuvarande och framväxande förnybara bränslen."