När det gäller bil- och lastbilsmotorer, inte mycket har förändrats sedan Nikolaus Otto uppfann den moderna förbränningsmotorn 1876. Men förbränningsmotorn kunde, åtminstone teoretiskt, vänta på en stor förändring.

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fått patent från US Patent and Trademark Office för en ny design som kan öka effektiviteten och minska giftiga utsläpp från bensindrivna förbränningsmotorer som driver miljontals bilar och lastbilar runt om i världen. Den teoretiska designen beskriver metoder för att snabbt snurra gasen inuti förbränningscylindrar som motorer använder för att driva fordon.

Giftiga kväveoxider

"Tanken är att få ut nettokraften från motorer som arbetar vid lägre temperatur än vad man annars trodde var möjligt och därigenom minska utsläppet av giftiga kväveoxider, "sa PPPL -fysikern Nat Fisch, Princeton professor i astrofysiska vetenskaper, en medutvecklare av den patenterade metoden. Huvudutvecklare är fysikern Vasily Geyko, som arbetade på projektet som doktorand i Princeton -programmet i plasmafysik vid PPPL, som Fisch regisserar.

Patentet, som Fisch och Geyko ursprungligen ansökte om 2014, växte fram ur forskning som fysikerna utförde på snabb spinning och komprimering av plasma - den heta, laddad soppa av elektroner och atomkärnor - snarare än bensin. Under studien, stöds av DOE:s National Nuclear Security Administration (NNSA) och U.S. Defense Threat Reduction Agency, forskarna upptäckte att snabbt roterande av en neutral gas kan producera förhållanden som gynnar bensinmotorer.

Större värmekapacitet

Dock, Geyko och Fisch upptäckte att värmekapaciteten hos en ideal spinngas, dess förmåga att absorbera energi under uppvärmning, är större än för en stationär. Forskarna insåg sedan att en gas som roterar med ungefär ljudets hastighet, när den används i en termodynamisk cykel, kan låta motorer arbeta vid lägre temperatur mer effektivt än konventionella förbränningsmotorer.

Som Geyko påpekar, "används för Otto eller Diesel cykler, "som driver bensin- eller dieselmotorer, värmekapacitetseffekten ökar den termodynamiska verkningsgraden för fasta högsta och lägsta driftstemperaturer. Dessutom, den relativa effektivitetsvinsten är större när maximala driftstemperaturer blir mindre. Detta gör uppfinningen särskilt fördelaktig för användning i motorer med mycket låg temperatur. "

Den snurrande gasen modifierar också standardförbränningsmotorn. "Uppfinningen har en åttacykelmotor, snarare än en fyrcyklad motor, för att snurra gasen på rätt punkter i cykeln, "sa Fisch." Det komplicerar förstås motorn. Och en konventionell motor blir mer effektiv vid konventionella temperaturer.

Högre effektivitet

"Men vid mycket låga temperaturer, där konventionella motorer fungerar med mycket dålig effektivitet, utsläppen av giftiga kväveoxider från brinnande bensin blir betydligt mindre. Vid dessa temperaturer kan vår uppfinning med fördel praktiseras, med högre effektivitet och bränsleekonomi, med motsvarande folkhälsofördelar genom förbättrad luftkvalitet genom minskning av kväveoxidutsläppen. "

Tills vidare, de patenterade fynden förblir teoretiska. Men, till exempel, om kongressen skulle lagstifta om en rikstäckande minskning av kväveoxid, de teoretiska möjligheterna kan bli mycket värda ytterligare utveckling, Sa Fisch. "I princip, "tillade Geyko, "även en måttlig minskning av tillåtna förbränningstemperaturer, till omkring säga 1, 300-1, 800 grader Celsius från cirka 2, 500 grader Celsius, skulle räcka för att uppnå en relativ effektivitetsfördel för en spinnande gasbaserad motor på 5 till 10 procent jämfört med en konventionell Otto-cykelmotor. "