Faimosul scandal „Dieselgate” al companiei Volkswagen, cu privire la emisii, a contribuit mult la susținerea ideii că mașinile diesel „curate” pot fi doar o amăgire. Conducătorii uneia dintre cele mai importante companii producătoare de autoturisme din lume au fost acuzați că au înșelat testele de emisie la evacuare pentru a ascunde faptul că motoarele diesel ale unor modele erau de până la 40 de ori mai poluante decât le permit standardele Agenției pentru Protecția Mediului din SUA.
Gazele produse de motoarele diesel conțin mai mulți poluanți nocivi, cum ar fi oxizii de azot (NOx) și particulele de funingine. Dar, în ciuda acestui fapt, motorina nu va dispărea prea curând. Alternativele verzi, bazate pe baterii electrochimice și celule de combustibil cu hidrogen, de exemplu, nu au încă puterea de a înlocui motorina ca sursă critică de energie în economia globală. Motoarele diesel sunt robuste, fiabile, eficiente din punct de vedere al consumului și, în mod crucial, pot asigura cuplul mare necesar pentru a muta lucruri mari. Cea mai mare parte a sutelor de milioane de camioane medii și mari de pe autostrăzi circulă astăzi pe motorină (la fel ca majoritatea trenurilor, navelor, vehiculelor off-road și mașinilor de mare tonaj, fără să mai vorbim de multe generatoare de energie electrică, camionete și mașini europene).
Dar ce ar fi dacă motoarele diesel ar putea fi, în mod fundamental, mai curate, de la arderea combustibilului, fără costurile suplimentare cu privire la sistemele de retratare a eșapamentului care necesită realimentare regulată? Charles Mueller, un om de știință în domeniul combustiei de la Laboratoarele Naționale Sandia, consideră că a găsit o cale: plasarea a ceea ce reprezintă o versiune minusculă a unui arzător Bunsen (încălzitorul din laboratoarele sălilor de știință din licee, cunoscut de elevi) în camera de ardere a motorinei, pentru a putea promova o ardere mai bună.
Motoarele diesel actuale
Înțelegerea invenției lui Mueller necesită cunoștințe despre funcționarea motoarelor cu ardere internă. În motoarele pe benzină, o bujie electrică aprinde combustibil într-un cilindru pentru a împinge un piston. Însă motoarele diesel pot crea aprindere fără scânteie. În primul rând, injectoarele pulverizează combustibil diesel la presiuni de până la 200 MPa (aproximativ jumătate din presiunea produsă de un aparat de tăiat, cu jet de apă), într-un cilindru. Acolo, picăturile de combustibil emergente se descompun la dimensiuni comparabile cu cele ale bacteriilor, în timp ce se deplasează la 600 m/s (aproximativ viteza de croazieră a avioanelor supersonice Concorde) și se amestecă cu aerul pentru a forma un „amestec combustibil-aer”. Imediat după aceea, pistonul apasă amestecul pentru a genera presiune ridicată și, astfel, căldură, determinând combustibilul să se autoaprindă.
Procesul de ardere a motorinei oferă o eficiență energetică mai mare decât omologul său pe benzină, dar, de asemenea, produce emisii toxice de NOx. Într-un motor diesel tipic, aceste emisii sunt reduse la minim, printr-o tehnică numită diluție, în care gazele uzate cu combustie scăzută din ciclul anterior al motorului sunt redirecționate în admisia de aer. Această procedură reduce temperatura și concentrațiile de oxigen în amestecul combustibil-aer, care rezultă în reducerea producției oxizilor de azot. Totuși, la temperaturi mai scăzute care caracterizează această strategie comună de atenuare a NOx-ului, nu se consumă tot combustibilul. Ce a rămas produce invariabil mai multe particule de carbon parțial ars (cunoscute sub numele de funingine). Această problemă de lungă durată în ingineria diesel este denumită „compromisul de funingine-NOx”. „Îndepărtarea zonei dintre funingine și oxizi de azot este una de cercetare cu prioritate maximă pentru dezvoltarea motoarelor diesel”, a declarat Paul Miles, managerul programului de cercetare a motoarelor Sandia.
Diesel convențional vs diesel mai curat
Cercetătorii de la Laboratorul Național Sandia au demonstrat două procese de combustie diesel. Injecția standard cu ajutorul unei duze normale produce o flacără bogată în combustibil, dar și funingine. Plasarea unui mic tub în calea jetului de combustibil poate duce la aprinderea unei flăcări fără producerea de funingine.
Arderea albastră
Pentru a evita această dilemă, inginerii trebuie să găsească o modalitate de a arde complet combustibilul diesel, evitând astfel funinginea și păstrând temperaturile scăzute, pentru a evita excesul de oxid de azot. Cu câțiva ani în urmă, Mueller și-a dat seama că o preamestecare completă a combustibilului cu aer înainte de aprindere ar putea fi cheia pentru rezolvarea problemei, permițând, astfel, încărcăturii să ardă mai lin (adică folosind un amestec cu mai puțin combustibil), la o temperatură mai scăzută. Dar cum s-ar putea realiza acest amestec? Atunci a apărut ideea arzătorului Bunsen, cu tubul său vertical, care creează o flacără albastră.
„Dacă deșurubați tubul și aprindeți jetul de gaz, obțineți o flacără înaltă și portocalie care produce funingine”, a spus Mueller. „Dar dacă opriți gazul, înșurubați tubul din nou și reaprindeți arzătorul, veți obține o flacără frumoasă, mică și albastră.” El a explicat că flacăra portocalie este colorată de particulele de funingine încălzite până la incandescență. În schimb, flacăra albastră are mai puține particule, deoarece arzătorul consumă mai mult combustibil atunci când tubul său este în poziție.
Arzătorul Bunsen produce o combustie completă datorită sloturilor din apropierea părții terminale a tubului. Acestea conduc aer în fluxul de combustibil gazos, cu ajutorul efectului Venturi: un debit de fluid de mare viteză creează regiuni de presiune scăzută în jurul său, absorbind aerul din apropiere. În acest caz, efectul Venturi asigură faptul că un arzător Bunsen va trage mai mult oxigen în fluxul de combustibil atunci când tubul său este în poziție. Și cu mai mult amestec de oxigen în fluxul de gaz, mai mult combustibil se va arde complet.
Odată ce Mueller a făcut legătura între instrumentul de laborator științific și un motor diesel, restul a fost relativ simplu. El a văzut că, echipând injectoarele cu motorină cu niște arzătoare minuscule Bunsen, tuburile mici de metal instalate la o distanță mică de orificiul duzei injectorului și aliniate cu fluxul de combustibil vor conduce la o preamestecare mai bună a combustibilului cu aerul, pentru a permite producerea unei flăcări albastre, omogene și fără funingine. Acest lucru s-ar putea aplica la temperaturile mai scăzute, necesare pentru diluarea anti-NOx.
Injecția de combustibil ductat
Mueller și-a denumit tehnologia sa patentată ca fiind injecție de combustibil ductată sau DFI. În ultimii ani, cercetarea echipei sale cu privire la DFI a fost finanțată de Oficiul pentru Tehnologia Vehiculelor din Departamentul Energiei din SUA. Acum, Mueller și colegii săi speră să-și folosească conceptul pentru a încerca să creeze primele motoare diesel cu funingine și niveluri de NOx scăzute, care, spune el, ar putea avea nevoie de post-tratamente scăzute sau chiar deloc.
Industria auto a început să se conformeze. Ford și Caterpillar au reînnoit un acord de cooperare-cercetare-dezvoltare existent, prin care oferă sprijin pentru investigațiile din Sandia cu privire la invenția lui Mueller. Între timp, la o conferință ce a avut loc în Japonia, oamenii de știință pe combustie, de la compania Toyota, au prezentat o lucrare de cercetare care a confirmat că tehnologia DFI elimină funinginea. În prezent se pare că și alți constructori de motoare diesel experimentează această inovație, care pare a fi destul de simplă.
„Am fost plăcut surprinși să vedem cât de eficiente s-au dovedit conductele DFI în eliminarea funinginii”, își amintește Caroline Genzale, profesor asociat de inginerie mecanică la Institutul de Tehnologie din Georgia, care studiază combustia la motoare cu injecție directă și colaborează cu Mueller pentru dezvoltarea noii tehnologii. După ce au demonstrat efectul tuburilor minuscule în camera de ardere, în cadrul laboratorului său, Genzale și colegii ei intenționează să observe cum funcționează DFI la scara microscopică. Ei intenționează să observe, cu ajutorul unui pistol multispectral, trecerea ultrascurtă a picăturilor de combustibil pe un tub de cuarț, rezistent la căldură, transparent. Grupul Georgia Tech a folosit, de asemenea, calculatoare pentru a simula efectele de ardere ale altor dispozitive de modificare a pulverizării cu diferite geometrii.
„Tehnologia DFI de la Sandia este în vârful noilor idei”, a spus expertul principal în cazul motoarelor diesel Rolf Reitz, fost director al Centrului de Cercetări ale Motoarelor de la Universitatea din Wisconsin – Madison. „Reprezintă o alternativă la fenomenele de amestecare naturală în arderea motorinei.” Dar Reitz a avertizat, de asemenea, că majoritatea constructorilor de motoare diesel sunt, în mod excepțional, rezistenți la adoptarea de noi tehnologii din cauza provocărilor tehnice și a celor privind producția în masă inerentă, precum și a economiei strânse de piață. „Sunt multe de făcut pentru a schimba industria diesel”, a spus el. Dar chiar dacă DFI nu reușește să fie implementat în motoarele comerciale, Reitz a continuat, „este un adevărat pas, un instrument, către înțelegerea procesului fundamental de amestecare”.
Mueller este optimist cu privire la noua tehnologie, în special pentru că nu necesită instalarea de motoare complet noi. „DFI ar putea fi reamenajat pe motoarele existente”, a spus el. Una dintre aplicațiile inițiale ar putea fi „motoarele mari, de milioane de dolari, de pe nave și locomotive, unde convertirea la energie electrică este prohibitivă din punct de vedere al costurilor. O astfel de modificare ar fi accesibilă și ar oferi beneficii imediate”.