Favoriser une meilleure combustion
Le tristement célèbre scandale des émissions de «Dieselgate» de Volkswagen a largement soutenu l'idée que le «diesel propre» peut être une illusion. Les dirigeants de l'un des principaux constructeurs automobiles mondiaux ont été accusés de tricher sur les tests d'émissions d'échappement pour masquer le fait que les moteurs diesel de certains modèles libéraient jusqu'à 40 fois plus de pollution que les normesde l'Agence américaine de protection de l'environnement.
Les gaz d'échappement des moteurs diesel contiennent plusieurs polluants nocifs, tels que les oxydes d'azote (NO x ) et les particules de suie. Mais malgré la crasse, le diesel ne disparaîtra pas de sitôt. Les remplacements écologiques, basés sur les batteries électrochimiques et les piles à hydrogène, par exemple, n'ont pas encore le jus pour remplacer le diesel comme source d'énergie critique dans l'économie mondiale.
Les moteurs diesel sont robustes, durables, économes en carburant et, surtout, peuvent fournir le couple élevé nécessaire pour déplacer de grandes choses. La plupart des centaines de millions de camions long et moyen-courriers sur les routes roulent aujourd'hui au diesel, tout comme la majorité des trains, des navires, des véhicules tout-terrain et des machines lourdes du monde, sans parler de nombreux générateurs d'électricité, camionnettes et Voitures de tourisme européennes.
Et si les moteurs diesel pouvaient vraiment être fondamentalement plus propres à partir de la consommation de carburant, sans le coût supplémentaire et les tracas des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement qui nécessitent un remplissage régulier Charles Mueller, un scientifique de la combustion aux Sandia National Laboratories, pense qu'il a trouvé un moyen: placer ce qui équivaut à une petite version d'un brûleur Bunsen - le radiateur de laboratoire familier aux élèves des classes de sciences du secondaire - dans la chambre de combustion diesel pour favoriser une meilleure combustion.
Les moteurs Diesel auhourd'hui
Comprendre l'invention de Mueller nécessite une certaine connaissance du fonctionnement des moteurs à combustion interne. Dans les moteurs à essence, une bougie d'allumage électrique enflamme le carburant dans un cylindre pour pousser un piston. Mais les moteurs diesel peuvent créer un allumage sans étincelle. Premièrement, les injecteurs pulvérisent du carburant diesel à des pressions pouvant atteindre 200 mégapascals, soit environ la moitié de la pression produite par un jet d'eau, dans un cylindre. Là, les gouttelettes de carburant émergentes se décomposent à la bactérie taille qu'ils se déplacent à 600 mètres par seconde sur la vitesse de croisière du supersonique Concorde avion -et mélanger à l' air pour former une « charge air-combustible. » Immédiatement après, un plongement le piston serre la charge pour générer une pression élevée et donc de la chaleur, ce qui provoque l'auto-inflammation du carburant.
Le processus de combustion diesel offre une plus grande efficacité énergétique que son équivalent essence, mais libère également des émissions toxiques. Dans un moteur diesel typique, ces émissions sont minimisées par une technique appelée dilution, dans laquelle les gaz de combustion épuisés à faible teneur en oxygène du cycle moteur précédent sont réacheminés vers la prise d'air. Cette procédure réduit la température et les concentrations d'oxygène dans le mélange carburant-air, ce qui réduit la production d'oxydes d'azote. Mais aux températures plus basses qui caractérisent cette stratégie commune d' atténuation des NO x , tout le carburant n'est pas consommé. Ce qui reste produit invariablement plus de particules de carbone partiellement brûlé, mieux connu sous le nom de suie. Ce dilemme de longue date de l'ingénierie diesel est appelé le suie-NO xtroquer. «Rompre le compromis entre la suie et les oxydes d'azote est un domaine de recherche hautement prioritaire pour le développement de moteurs diesel», explique Paul Miles, directeur du programme de recherche sur les moteurs de Sandia
Brûleur Bunsen à flamme bleue propre
Pour contourner ce dilemme, les ingénieurs doivent trouver un moyen de brûler complètement le carburant diesel, évitant ainsi la suie, tout en maintenant des températures basses pour éviter un excès d'oxyde d'azote. Il y a plusieurs années, Mueller a réalisé que le prémélange plus approfondi du carburant avec de l'air avant l'allumage pouvait être la clé pour résoudre le problème, permettant potentiellement à la charge de brûler plus maigre (ce qui signifie moins riche en carburant) à une température inférieure. Mais comment réussir ce mixage L'emblématique brûleur Bunsen, avec son tube vertical qui crée une flamme bleue propre, est venu à l'esprit.
«Si vous dévissez le tube et allumez le jet de gaz, vous obtenez une grande flamme orange fuligineuse», explique Mueller. "Mais fermez le gaz, revissez le tube, rallumez le brûleur, et vous obtenez une belle petite flamme bleue." Il explique que la flamme orange est colorée par des particules de suie chauffées à incandescence. En revanche, la flamme bleue contient moins de ces particules, car le brûleur consomme plus de combustible lorsque son tube est en place.
Le brûleur Bunsen doit sa combustion plus complète aux fentes situées près du fond du tube. Ils aspirent de l'air dans le flux de carburant gazeux au moyen de l'effet Venturi: un écoulement de fluide à grande vitesse crée des régions de basse pression autour de lui, aspirant l'air à proximité. Dans ce cas, l'effet Venturi garantit qu'un brûleur Bunsen attirera plus d'oxygène dans le flux de combustible lorsque son tube sera en place. Et avec plus d'oxygène se mélangeant dans le flux de gaz, une plus grande partie du carburant brûlera complètement.
Une fois que Mueller a établi le lien entre l'outil de laboratoire scientifique et un moteur diesel, le reste a été relativement simple. Il a vu qu'en équipant les injecteurs de carburant diesel de minuscules équivalents Bunsen – brûleur-cheminée — de petits tubes métalliques installés à une courte distance du trou de la buse de l'injecteur et alignés avec le flux de carburant — le carburant et l'air pouvaient être prémélangés plus complètement pour permettre que même la suie -brûlage sans flamme bleue. Et cela pourrait se produire aux températures plus basses requises pour la dilution anti-NO x .
L'injection de carburant canalisé
Mueller appelle sa technologie brevetée d'injection de carburant canalisé, ou DFI. Au cours des dernières années, la recherche DFI de son équipe a été financée par le Véhicule Technologies Office du département américain de l'Énergie. Mueller et ses collègues espèrent maintenant utiliser son concept pour essayer de créer les premiers moteurs diesel pratiques à faible teneur en suie et à faible émission de NO x , qui, selon lui, auraient besoin de moins ou pas de post-traitement des gaz d'échappement.
L'industrie automobile en a pris note. Ford et Caterpillar viennent de signer à nouveau un accord de coopération en matière de recherche et développement en vertu duquel ils fournissent un soutien aux enquêtes de Sandia sur l'invention de Mueller. Pendant ce temps, lors d'une récente conférence au Japon, les scientifiques de la combustion de Toyota ont présenté un document de recherche confirmant que la technologie DFI supprime la suie. Il semblerait que d'autres constructeurs de moteurs diesel expérimentent également cette innovation d'apparence simple.
«Nous avons été agréablement surpris de voir à quel point les conduits DFI étaient efficaces pour éliminer la suie», se souvient Caroline Genzale, professeur agrégé de génie mécanique au Georgia Institute of Technology, qui étudie la combustion dans les moteurs à injection directe et collabore avec Mueller pour développer le nouvelle technologie. Après avoir démontré l'effet des minuscules tubes dans la chambre de combustion de son laboratoire, Genzale et ses collègues ont maintenant l'intention d'observer le fonctionnement de DFI à l'échelle microscopique. Ils prévoient de zoomer sur un tube de quartz transparent résistant à la chaleur avec un nouveau pistolet de vitesse multispectrale qui parvient à suivre le passage ultrabrief des minuscules gouttelettes de carburant. Le groupe Georgia Tech a également utilisé des ordinateurs pour simuler les effets de combustion d'autres appareils modifiant la pulvérisation avec différentes géométries.
«La technologie DFI de Sandia est à la pointe de nouvelles idées», explique le grand spécialiste du diesel Rolf Reitz, ancien directeur du Engine Research Center de l'Université du Wisconsin – Madison. «Il représente une alternative aux phénomènes de mélange naturels dans la combustion diesel.» Mais Reitz prévient également que les constructeurs de moteurs diesel sont notoirement résistants à l'adoption de nouvelles technologies en raison des défis techniques et de production en série inhérents, ainsi que de l'économie du marché. «Il faut beaucoup de temps pour déplacer l'industrie du diesel», dit-il. Mais même si DFI ne parvient pas à en faire des moteurs commerciaux, Reitz poursuit: «c'est une véritable étape, un outil, pour comprendre le processus de mélange fondamental.»
Mueller est optimiste quant à la nouvelle technologie, en particulier parce qu'elle ne nécessite pas l'installation de moteurs entièrement nouveaux. «DFI pourrait être installé sur les moteurs existants», dit-il. L'une des premières applications pourrait être «les gros moteurs d'un million de dollars des navires et des locomotives, où la conversion à l'énergie électrique est prohibitive. Une rénovation serait abordable et offrirait des avantages immédiats. »
