Une innovation de moteur conçue et testée pour la première fois par Sandia National Laboratories a attiré l'attention des grandes entreprises en raison de son potentiel de réduction rentable des émissions de suie et d'oxydes d'azote, encourager l'utilisation de carburants renouvelables, et maintenir ou améliorer les performances du moteur.

Injection de carburant canalisée, développé par Charles Mueller au centre de recherche sur la combustion de Sandia, est capable d'affiner le mélange air-carburant dans un moteur au point d'éliminer entre 50 et 100 pour cent de la suie en fonction de la vitesse instantanée et du niveau de puissance du moteur.

Mueller a déclaré que les fabricants de moteurs "commencent à montrer de l'enthousiasme" à propos de l'injection de carburant canalisée. Non seulement il fonctionne bien avec le carburant diesel conventionnel, il est conceptuellement simple et peut être construit à partir de matériaux peu coûteux.

« L'injection de carburant canalisée peut également être installée ultérieurement sur des moteurs existants, " a déclaré Mueller. "Ceci est particulièrement important pour les gros moteurs, comme ceux des bateaux ou des locomotives, où les moteurs peuvent coûter un million de dollars ou plus, et l'électrification complète est hors de prix. Une modernisation pourrait être relativement peu coûteuse et pourrait offrir immédiatement des avantages substantiels en matière d'émissions. »

L'idée pour l'injection de carburant canalisée est venue du bec Bunsen

L'injection de carburant canalisée a d'abord été conçue par Mueller à partir d'un bec Bunsen, que l'on trouve dans presque toutes les classes de sciences du secondaire du pays.

"Si vous dévissez le tube d'un bec Bunsen et que vous allumez le jet de gaz, tu prends de la hauteur, flamme orange fuligineuse, " Mueller a dit. " Coupez le gaz, revisser le tube et rallumer le brûleur. Maintenant, vous obtenez une belle, courte flamme bleue juste au bout du tube. La flamme est bleue car il n'y a pas de suie."

Mueller pensait que ce concept pourrait être adaptable aux moteurs à combustion, donc lui et son équipe, le stagiaire Christopher Nilsen, Le post-doctorant Drummond Biles et le technologue Nathan Harry ont commencé des expériences qui ont maintenant abouti à un assemblage de quatre à six petits tubes (ou conduits) dirigeant le mélange de carburant de l'injecteur aux points d'allumage.

Mueller dit que les injecteurs d'un moteur diesel traditionnel créent des mélanges d'allumage locaux qui contiennent deux à dix fois plus de carburant qu'il n'en faut pour une combustion complète.

« Quand vous avez autant de carburant en excès à haute température, vous avez tendance à produire beaucoup de suie, " a-t-il dit. " L'installation des conduits nous permet d'obtenir une combustion diesel qui forme peu ou pas de suie, car les mélanges d'allumage locaux contiennent moins de carburant en excès."

Limiter la formation d'un polluant moteur universel

Des générations de conceptions de moteurs n'ont pas réussi à éliminer la suie des émissions car il y avait une limite physique à la chimie de la combustion du carburant.

"La suie est juste derrière le dioxyde de carbone en tant que produit chimique qui force le changement climatique, et c'est toxique, ses émissions doivent donc être minimisées, " expliqua Mueller. " Dans le passé, il y a toujours eu ce problème appelé le compromis suie-NOx. C'est-à-dire :lorsque vous faites quelque chose pour réduire la suie, les émissions d'oxydes d'azote - ou NOx - augmentent, et vice versa."

Les oxydes d'azote sont également des polluants atmosphériques, et le compromis signifiait que le camion, les constructeurs automobiles et les équipementiers ne pouvaient pas respecter les limites légales actuelles sans ajouter des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement. Ces systèmes sont analogues aux pots catalytiques des moteurs à allumage commandé, bien que nettement plus grand et plus cher. Mais éliminez presque entièrement l'un de ces polluants, comme le fait l'injection de carburant canalisée avec la suie, et Mueller a déclaré que vous aviez changé la donne.

"Maintenant que nous n'avons plus de suie, il n'y a plus de compromis suie-NOx, " dit-il. " Alors, nous pouvons ajouter une dilution - en prenant une partie des gaz d'échappement du moteur et en les acheminant vers l'admission - pour éliminer les NOx sans que les émissions de suie ne deviennent un problème. C'est comme un accord deux pour un sur la réduction des polluants."

Mueller a dit que dans les expériences sur les moteurs, son équipe a observé simultanément, réductions de plusieurs ordres de grandeur des suies et des oxydes d'azote.

« Cela nous ouvre la voie à des émissions beaucoup plus faibles pour les moteurs diesel, résoudre un problème de longue date pour cette technologie très efficace, " il a dit.

Réduire les coûts de camionnage grâce à l'injection de carburant canalisée, carburants renouvelables

La quasi-élimination des suies et des oxydes d'azote pourrait également ouvrir le marché des carburants renouvelables.

"L'injection de carburant canalisée fonctionne très bien avec le carburant diesel conventionnel, mais ça marche encore mieux avec des carburants oxygénés, qui ont un ou plusieurs atomes d'oxygène liés à certaines ou à toutes leurs molécules. Beaucoup de renouvelables, les carburants durables sont oxygénés, ", a déclaré Mueller.

"L'utilisation de carburants oxygénés avec injection de carburant canalisée réduit les émissions, peut-être assez pour permettre un système de moteur moins coûteux car moins de post-traitement des gaz d'échappement serait nécessaire, " dit-il. " Sur un camion routier moderne, le post-traitement s'élève à environ 12 $, 000 en frais initiaux et d'exploitation sur la durée de vie du véhicule. Réduire ne serait-ce qu'une fraction de ces coûts est un gros problème, étant donné le grand nombre de ces véhicules et leur importance pour l'économie.

La technologie promet véhicule, opportunités de marché des carburants alternatifs

Paul Miles, responsable du programme de recherche moteur, a déclaré que l'impact potentiel de l'injection de carburant canalisée ne peut pas être surestimé.

"La rupture du compromis entre la suie et les oxydes d'azote est un domaine de recherche de la plus haute priorité pour le développement des moteurs diesel, " a déclaré Miles. " Ceci est un exemple du rôle clé de la recherche financée par le gouvernement - pour identifier et démontrer le potentiel de l'innovation, des technologies à haut risque pour remodeler le paysage d'une industrie, nos infrastructures de transport et notre société, puis de travailler aux côtés de partenaires commerciaux pour mettre la technologie sur le marché. »

Ford et un fabricant d'équipements tout-terrain ont récemment signé un accord de recherche et développement en coopération avec Sandia pour aider à faire progresser la technologie.

Mueller est ravi de collaborer avec des partenaires de l'industrie pour faire passer cette percée du laboratoire aux moteurs de production.

"L'injection de carburant canalisée est prometteuse pour nous donner des moteurs clairement supérieurs pour l'avenir, " Il a dit. " Il devrait préserver tous les attributs souhaitables d'un moteur diesel conventionnel mais également réduire considérablement les émissions, ce qui réduit le coût du système moteur car vous n'avez pas besoin d'utiliser autant de post-traitement. Et, cela fonctionne encore mieux avec les carburants renouvelables actuels et émergents."