Projektanslag

Förändrad bränslesprej nyckeln till en miljövänligare förbränningsmotor?

Utsläpp från förbränningsmotorer är ett av de största problemen för att världen ska nå klimatmålen. Forskare på Chalmers driver ett projekt med syfte att minska motorernas bränsleförbrukning och koldioxidutsläpp betydligt. Avgörande för att lyckas är att förstå hur bränslesprej bryts upp.

Man uppskattar att det finns cirka en miljard förbränningsmotorer i världen. De används till största delen inom transportsektorn. Mark Linne, professor i förbränningsmotorteknik på Chalmers, är övertygad om att förbränningsmotorer med direktinsprutning, trots sina miljömässiga brister, kommer att leva länge.

– Förbränningsmotorer är billiga och effektiva. Det är helt enkelt svårt att matcha dem ekonomiskt. Det bästa är att helt enkelt försöka förbättra dem.

Han leder ett forskningsprojekt där man angriper problemet från två håll, dels genom att utveckla numeriska modeller dels genom att förstå hur själva förbränningen går till. Med hjälp av datormoduleringar och experiment hoppas han kunna bidra till att en optimerad motor, som släpper ut mindre koldioxid, kväveoxid, sotpartiklar och andra miljö- och hälsofarliga ämnen, kan utvecklas.

– År 2007 lyckades man utveckla en ny dieselmotor endast med hjälp av en dator och när man sedan byggde den fungerade den exakt som det var tänkt. Problemet var bara att den släppte ut nästan lika mycket farliga avgaser som de tidigare modellerna. Men det visar att datorer går att använda för att skapa nya motorer, konstaterar Mark Linne.

Experiment för mer kunskap

Men eftersom ingen vet exakt hur själva förbränningen går till i motorn och hur bränslesprejen fungerar så kan man ännu inte använda sig av datormodulering för att räkna ut hur man kan minska utsläppen.

– Vi måste göra experiment för att få mer kunskap så att vi kan utveckla bättre prediktiva, förutspående, modeller för bränslesprej. Ingen vet i dag exakt hur en bränslesprej bryts upp, blandas i luften och brinner. För det krävs grundläggande forskning.

Chalmersforskarna vill därför utveckla en modelleringsdatabas för att komma vidare i forskningen. Mark Linne samarbetar med fem framstående internationella forskare inom området.

– Vi har börjat så smått med enklare sprejer. Vi ska isolera den första turbulensen som uppstår innan kavitationen tar tag i den. Sedan ska vi gå vidare för att göra ett försök att isolera kavitationen.

Tanken är att börja med enkla, stabila sprejer för att steg för steg gå vidare till mer komplexa.
Genom att kombinera resultaten från turbulensen, kavitationen och skjuvningen mellan sprejen och gasen i cylindern hoppas forskarna att de ska kunna utveckla en prediktiv moduleringsmodell som kan förändra bränslesprejens sammansättning och på så vis minska de farliga utsläppen.

– Nästa steg blir att utföra experiment med bränsle i en sprejkammare.

I sprejkammaren kan forskarna ”frysa” omgivningsförhållandena och genom att variera en parameter i taget se vilka effekter det får. Genom att tillföra nitrogen, som gör att inga kemiska reaktioner uppstår, kan man studera ämnena innan de förångas eller reagerar på annat sätt.

Unik laserdiagnostik avslöjar sprejen

Chalmersforskarnas stora trumfkort är den laserdiagnostik ”3-puls ballistic imaging”, som Mark Linne och hans grupp har utvecklat, och som de är ensamma om i hela världen att ha tillgång till.

– Den gör det möjligt att avbilda vad som händer när en bränsleström bryts upp till en sprej. Vi kan se vad som händer hela vägen, förklarar Mark Linne.

Han började utveckla tekniken i Colorado i slutet på 1990-talet för att den skulle användas vid mammografi, men det misslyckades. Däremot visade det sig att den var effektiv för att se in i bränslesprej, eftersom sprejens optiska densitet liknar den för mänsklig vävnad.

– Genom den här metoden kan man se in i sprejen, tidigare såg man ingenting, det var bara svart eftersom alla små, små droppar dolde den flytande kärnan.

Genom att ta bilder på ett visst sätt kan man se accelerationen i sprejen och räkna på de kraftvektorer som finns för att utveckla nya modeller.

– Projektets styrka är kombinationen av studier inne i munstycket och ända ut till lågan, det ger en helhet som är större än summan av delarna, menar Mark Linne.

Han tror att det kommer att ta fem till tio år innan en användbar modell finns för att modulera bränslesprej.
Mark Linne är även föreståndare för CERC, det kompetenscentrum i förbränningsmotorteknik som finns vid Chalmers.

– Vi samarbetar med Volvo och Scania och har bland annat utarbetat andra prediktiva modeller. Medan det här projektet är mer inriktat på grundforskning är det tillämpad forskning som är i fokus för centret. Förhoppningen är att projektet till slut ska kunna fasas över till centret och sedan industrin.

Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström