In conditiile in care Departamentul pentru Energie al SUA, dar si Consortiul de cercetare a motoarelor diesel format din peste 20 de membri din industrie (Caterpillar, Cummins, Ford, GM, Navistar, PACCAR, Renault, TARDEC, Toyota, Volvo, s.a.) inca finanteaza progresul, o echipa apartinand Centrului de Cercetare al Universitatii Wisconsin-Madison a reusit sa demonstreze pe un motor Caterpillar 3401 E de 2,44 l, cu un singur cilindru, ca arderea a doi combustibili in locul unuia aduce cresteri semnificative ale eficientei motorului, atat din punct de vedere al consumului de carburant (de pana la 25%), cat si din punct de vedere al eficientei termice (de pana la 60%). In acelasi timp, motorul ramane perfect compatibil cu standardele impuse emisiilor de noxe, dar si cu cele impuse nivelului de emisie al particulelor in cilindri, fara post-tratare.
Cercetatorii au utilizat un propulsor destinat vehiculelor grele, initial injectandu-se, printr-un orificiu special, un amestec optim de benzina cu aer peste care se vor suprapune pulverizari multiple de motorina.
Prin comparatie, eficienta termica a grupurilor motopropulsoare pe diesel folosind alte strategii de combustie cu temperatura scazuta, cum ar fi aprinderea cu compresie omogena (HCCI) sau aprinderea cu compresie a unui pre-amestec (PCCI) si cinetici modulare, ajunge la circa 45%. „De cand aceste scheme generale au probleme in cazul incarcaturilor grele, neoferind un control direct al timpilor de combustie, inginerii au investigat, mai ales in ultimii ani, abordarile «hibride»”, a precizat Rolf Reitz, seful echipei de cercetatori, completand: „combustibilul suplimentar adauga un alt grad de libertate sistemului”. In esenta, acesta ofera o alta modalitate de control al procesului de combustie. Si, deoarece temperaturile de combustie sunt scazute, vor exista mai putine pierderi de transfer termic prin peretii cilindrului si prin sistemul de evacuare.
Combustia, tinuta strict sub control
Studiul are la baza amestecul de carburant din cilindru, folosind in prima faza injectarea benzinei, urmata imediat de ciclul de injectie directa a combustibilului diesel pentru controlul fazelor de combustie la o sarcina medie a motorului (9 bar IMEP). Prin variatia in timp real a reactivitatii combustibilului (si implicit a raportului de echivalare) la alimentarea prin camera, utilizand injectarea temporizata a combustibililor potriviti – incluzand aici amestecuri de benzina si motorina, etanol si motorina, dar si amestecuri de benzina cu benzina cu mici adaosuri (ameliatori) cu numar cetanic mare – cercetatorii au extins operatiunea combustiei partiale PCCI.
Reactivitatea combustibilului variaza in acest caz in fiecare punct din camera de combustie, datorita injectarii motorinei intr-un amestec de benzina/aer, pentru a crea gradientul dorit. „Putem schimba numarul octanic al combustibilului in orice punct. Motorina este mai reactiva decat benzina si tinde sa se aprinda mai devreme, iar cantitatile relative ale acestor doi combustibili ajuta la determinarea momentului de incepere a combustiei, duratei, precum si a temperaturii de ardere”, a precizat Reitz. Insa modul de actionare a motorului depinde si de tipul sarcinilor. Astfel, in cazul incarcaturilor grele se utilizeaza 90% gaz si doar 10% diesel, iar in cazul incarcaturii usoare, combustibilul diesel va ocupa 90%, iar gazul numai 10%.
In ceea ce priveste inconvenientul instalarii a doua rezervoare de combustibili, Reitz a precizat ca aceasta nu este chiar o problema reala, camioanele utilizand deja doi combustibili, respectiv motorina si ureea rezultata in timpul arderii.
La „mana” computerului
Cercetarile privind cresterea eficientei motorului si a performantei emisiilor au fost facute in acest caz cu ajutorul unui model realizat pe un calculator al carui software efectueaza analiza numerica 3D a procesului de ardere. Rezultatele obtinute de modelul ipotetic de propagare a flamei turbulente vor fi ulterior optimizate printr-un algoritm genetic. „Am realizat o mie de simulari pentru a alege conditiile de combustie care sa ofere cea mai buna operare”, a spus Reitz.
In urma cu doi ani, echipa imbunatatise modelul de combustie prin adaugarea unor rate cinetice si a unor modele avansate de pulverizare, folosind un algoritm genetic in care fiecare celula de calcul era tratata ca un reactiv individual. „Acest lucru ne-a ajutat sa selectam scenarii optime de combustie, folosind parametri specifici cum ar fi timpii de injectare si de inchidere a supapei de admisie, ca si fractiunile de combustibili pentru combustia partiala”, a explicat Reitz.
Echipa din Wisconsin face in prezent experimente si pe un motor diesel de mare viteza, de la General Motors, cu un singur cilindru, care arde combustibili din game diferite. Conceptul este acelasi: un combustibil (in acest caz benzina) este injectat prin orificiu, urmand ca un altul, mai reactiv, sa fie injectat prin stropiri multiple, precis temporizate. In aceasta situatie s-a observat ca si benzina poate imita efectul injectarii motorinei, dar amestecata cu cantitati mici (0,2% din rata de alimentare) de ameliator (di-tert-butyl peroxide-DTBP). Insa, prin definitie, „un motor mai mic, cu compresie/aprindere mai usoara, are pierderi mai mari de caldura, asa ca am obtine o eficienta termica mai scazuta cu circa 5%”, a precizat Reitz.
Teste extinse si pe alte tipuri de propulsoare
Si inginerii de la Oak Ridge National Laboratory (ORNL) au testat de curand functionarea cu combustibili alternativi a unui motor diesel european de la General Motors, de 1,9 l, cu patru cilindri. Ca rezultat, dupa cum afirma Robert Wagner, director interimar al centrului de cercetare a combustibililor, motoarelor si emisiilor, „eficienta nu este la fel de mare ca in cazul grupurilor motopropulsoare cu un singur cilindru, din cauza complexitatii crescute a cilindrilor multipli”. Insa, chiar daca motorul are nevoie de optimizare pentru a ajunge la o eficienta mai mare si la emisii mai reduse, „cel mai important aspect este acela ca noua metoda permite rularea la o temperatura de admisie mai mica, sistemul gestionand mai bine respingerea caldurii”, a mai spus Wagner, completand: „in afara largirii gamei de operare, gradul de libertate oferit de doi carburanti pare sa faca procesul destul de robust, chiar daca tranzitia la o setare multicilindru este de obicei mai grea”.
Urmatorul pas al cercetatorilor va fi acela de a modela motorul pentru sarcini mai mari si de a realiza mai multe controale etapizate, pentru a minimaliza pierderile, precum si emisiile de hidrocarburi si de monoxid de carbon, urmarindu-se intai ca, pana la sfarsitul anului, rularea grupului motopropulsor la 9 bar sa se realizeze cu o eficienta termica maxima de franare de 45%, iar apoi sa se treaca la sarcini mai mari. „Capacitatile mai mari de incarcare devin tot mai importante, insa avem in vedere si posibilitatea de a se fabrica hibrizi acolo unde este necesar sa se ruleze sarcini mai mari”, a incheiat Wagner.
