Annons
Nu slutar dieselmotorn att sota

Öivind Andersson gör lasermätningar i en motor med glasfönster.

Nu slutar dieselmotorn att sota

Dieselmotorn är den vanligaste motorn på våra vägar trots svarta, giftiga avgaser. Nu visar avancerade lasermätningar hur förbränningen kan styras för att undvika sotbildning.

Författare: 

Publicerad:

2010-02-08

Dieselmotorer används i alla lastbilar på våra vägar, och allt oftare i personbilar. Anledningen är deras bränslesnålhet. Ett dieselfordon drar ungefär 25 procent mindre bränsle än ett bensindrivet.

Trots den låga förbrukningen anser många att dieselmotorn är en miljöbov. Det beror framför allt på utsläppen av sotpartiklar, vilka i större mängder är ohälsosamma.

I bensinbilar renas avgaserna med en katalysator. Dieselmotorns typ av förbränning gör det svårt att använda en vanlig katalysator. I stället fångas partiklarna upp i speciella fällor, men denna filtrering ökar tyvärr bränsleförbrukningen.

Med eller utan partikelfälla är det därför angeläget att minska sotutsläppen från själva motorn. Utmaningen för motorutvecklarna är alltså att redan inne i motorns cylindrar förhindra att farliga utsläpp bildas. Detta är betydligt svårare än att sätta en katalysator i avgasröret.

Felaktig beskrivning vederlades

Trots dieselmotorns höga ålder finns fortfarande mycket som vi inte vet om dess förbränning. Detta blev särskilt tydligt år 1997, precis hundra år efter att den tyske ingenjören Rudolf Diesel presenterat sin uppfinning. Det som hände för tretton år sedan var att den etablerade beskrivningen av förbränningsprocessen visade sig vara felaktig.

Den amerikanske motorforskaren John Dec hade under en tid använt nya tekniker för att studera förbränningen i dieselmotorer. Han märkte snart att resultaten inte stämde med vedertagna uppfattningar. Tidigare hade man trott att förbränningen sker på ytan av de droppar som bildas när bränslet sprutas in i motorn. John Decs resultat visade att det inte finns några droppar alls i de områden där det brinner. Detta blev startskottet för en intensiv forskningsinsats, som ledde till en ny bild av förbränningsförloppet.

Den tidigare uppfattningen grundade sig på studier under förhållanden som inte liknar dem i moderna dieselmotorer. Framför allt är luften mycket hårdare komprimerad i dag. Genom att sätta ett antal glasfönster i sin motor kunde John Dec studera förbränningen som den sker i sin naturliga miljö. För första gången kunde dieselprocessen kartläggas direkt.

Optiska motorer i Lund

Sedan början av 1990-talet har också motorforskningen här i Lund använt det vi kallar optiska motorer, alltså sådana med fönster. Forskningen sker i nära samarbete mellan motorforskare och laserfysiker. Glasmotorlabbet på Förbränningstekniskt centrum är ovanligt rent jämfört med andra motorlabb. Väggarna är vita, och oljefläckarna lyser med sin frånvaro. Motorn, som är en modifierad Scaniamotor, omges av optik och kameror.

Vår metod går ut på att avfyra laserpulser, som bara är några miljarddels sekunder långa, in i motorns förbränningsrum. När lasern belyser något ämne som vi vill studera genereras en signal i form av ljus. Ämnet som är föremål för vårt intresse kan vara bränsle, sotpartiklar eller något av de extremt kortlivade ämnen som finns i flamman.

Vi avbildar sedan ljussignalen med en snabb kamera. Exponeringstiden är nästan lika kort som laserpulsen vilket gör att även en svag signal kan urskiljas, trots eldflammans starkare sken.

Det fina med lasermätningar i glasmotorer är att vi kan se och göra mätningar i själva förbränningen utan att störa processen. Genom denna insyn i motorns inre liv har det nu blivit möjligt att direkt studera sådant som vi tidigare mer eller mindre fick gissa oss till.

Två förbränningssteg

Glasmotorstudier har visat att en dieselmotor faktiskt förbränner den insprutade plymen av bränsle i två steg, inte i ett steg som man trodde tidigare. Vid antändningen har inte tillräckligt mycket luft hunnit blandas in i bränsleplymen för att ge en fullständig förbränning. Det är under sådana förhållanden som sot bildas. Sot och olika typer av kolväten från detta första steg blandas sedan med mer luft under sin fortsatta väg framåt i plymen. Då sker ett andra förbränningssteg, vid högre temperatur.

I denna upptäckt av hur förbränningen faktiskt går till finns nyckeln till sotfri dieselförbränning. Själva upphovet till sotet är, som nämnts, underskottet av luft inne i bränsleplymen. Skulle sotbildningen kunna undvikas genom att mer luft blandades in? Detta har tidigare föreslagits som en möjlighet, men aldrig visats i en motor.

Sotfri dieselförbränning?

Kruxet är att blanda in luften på en mycket kort sträcka. Laser- och andra mätningar har visat att flamman alltid börjar ett par centimeter från insprutaren. För att undvika sotbildning måste alltså tillräckligt mycket luft blandas in i plymen på denna mycket korta väg. På sträckan mellan insprutaren och flamman i en dieselmotor blandas bara en femtedel av den luftmängd in som skulle krävas för fullständig förbränning. Förbränningen i det inre av plymen blir därför ofullständig och bildar bland annat sot som fortsätter framåt. Vid plymens kanter, å andra sidan, blandas sotet och andra mellanprodukter med luft och förbränns i hög grad.

Vi gjorde därför ett experiment där vi satte en bränsleinsprutare med extremt små hål i motorn, bara en tiondels millimeter i diameter, mindre än hälften av håldiametern i en normal insprutare. Tanken var att så små hål borde öka luftinblandningen i plymen dramatiskt.

Det visade sig snart att vår modifierade motor inte släpper ut några mätbara mängder av sot. Onekligen ett stort framsteg, men vi ställde oss frågan om detta verkligen var resultatet av sotfri förbränning. Sot kunde ju både hinna bildas och brinna upp innan avgaserna lämnade motorn. För att besvara frågan använde vi en rad olika lasertekniker för att i detalj kartlägga förbränningsprocessen.

I en vanlig dieselmotor med normalstora insprutningshål finner vi rikligt med sot i det inre av den brinnande plymen av dieselbränsle. Men efter månader av arbete stod det klart att sotet inte gick att finna där i vår modifierade motor, hur vi än letade. Förbryllande nog fann vi däremot små mängder sot i den främre delen av plymen, just där den träffar förbränningsrummets vägg. Det hade vi inte förväntat oss.

Vårt bidrag till kunskapen om dieselförbränning är alltså att vi visat att den numera väletablerade Dec-modellen inte stämmer under alla förhållanden. Det är helt enkelt inte nödvändigt att det ska bildas sot i plymens inre. John Decs modell är så väletablerad att många först inte ville tro på våra resultat – de stämde ju inte med Decs "facit" – men John Dec själv har tagit del av vår analys och instämmer i den.

Sotets förstadier brinner upp

Vi tror att förklaringen är att flamman trots allt släpper in små mängder luft till plymens inre. De förstadier till sot som bildas där förbränns därför på plats redan innan de blir till sot. I plymens främre del blockerar väggen lufttillförseln. Då upphör förbränningen av sotets förstadier, och små sotmängder bildas där.

Uppenbarligen gör insprutarens små hål att det nästan inte uppstår något sot alls i motorn. De små mängder som trots allt bildas framme vid väggen brinner upp innan avgaserna lämnar cylindern. Resultatet är en dieselprocess helt utan mätbara sotutsläpp, precis som önskat!

Varför börjar då inte alla dieselmotorer byggas på detta sätt redan i morgon? Svaret är att så små insprutarhål på lastbilsmotorer ute på vägarna kan leda till praktiska problem. Bränslet kan förväntas lämna avlagringar i hålen, vilket så småningom påverkar motorns egenskaper på ett negativt sätt. Med små hål krävs också betydligt högre insprutningstryck för att hinna få in bränslet i cylindern under varje kolvrörelse. Så innan dessa båda frågor är lösta kan det ännu ta någon tid innan tekniken är i full drift ute på våra vägar. Resultaten visar ändå på en stor potential för rena dieselmotorer inom överskådlig tid.

Du har just läst en artikel från tidskriften Forskning & Framsteg. Prenumerera här.

Kommentera:

3

Dela artikeln:

TIDNINGEN FÖR DIG SOM ÄR NYFIKEN PÅ ALLVAR
10 nummer 779 kr
2 nummer 99 kr
Du vet väl att du kan läsa Forskning & Framsteg i din läsplatta? Ladda ned appen från App Store eller Google Play. (Läsplatteutgåvan ingår i alla prenumerationer.)

Kommentarer

Det borde ha effekt att övrhetta bränslet före spridare. Dessutom kunde injektion av luft under högt tryck göra genom spridarens yttersta del ge pricken övr i. Eller?

Det pågår forskning kring insprutning av superkritiskt bränsle (upphettat över kokpunkten), men de tekniska problemen är inte triviala att lösa. S.k. luftassisterad insprutning är också beforskat. P.g.a. de höga kompressionstrycken i moderna motorer krävs höga lufttryck i insprutaren. Det kostar energi att skapa denna tryckluft, men det är möjligt att göra.

Har ni testat andra bränslen - exvis etanol - som innehåller mer syre och kortare kolkedjor? Det borde väl förenkla fullständig förbränning?

Lägg till kommentar