Новые стратегии сжигания топлива плюс биотопливо способствуют созданию более чистых и эффективных автомобилей и грузовиков

Совместная оптимизация топливного двигателя демонстрирует потенциал для сокращения выбросов выхлопных газов и парниковых газов

18 мая 2021 г. | Связаться со СМИ

В прошлом году средняя экономия топлива для легковых автомобилей достигла нового максимума, а пандемия сократила время в пути, расход топлива и выбросы.Эти краткосрочные сокращения стимулировали усилия по еще большему долгосрочному повышению эффективности использования топлива и сокращению выбросов для автомобилей с бензиновым двигателем, которые, вероятно, будут составлять большую часть автомобильного рынка США в ближайшие годы. В то же время, чтобы удовлетворить потребности в доставке из-за всплеска онлайн-заказов со стороны американцев, находящихся на карантине, грузовые автомобили восстановили активность и уровень потребления дизельного топлива даже выше, чем до пандемии.

В отчете, опубликованном в этом месяце, освещаются наиболее значительные прорывы прошлого года в рамках инициативы Министерства энергетики США по совместной оптимизации топлива и двигателей (Co-Optima), а также подробные сведения о выводах, которые могут привести к значительному выбросу парниковых газов (ПГ). ) и сокращение выбросов выхлопных газов. Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и восьми других национальных лабораторий сотрудничают, чтобы изучить, как одновременные улучшения автомобильного топлива и двигателей могут повысить энергоэффективность и использование возобновляемых видов топлива при одновременном сокращении выбросов.

Большая часть исследований Co-Optima сосредоточена на компонентах, известных как смеси, которые могут быть произведены из широкого спектра внутренних ресурсов, включая возобновляемую биомассу, такую ​​как лесные, сельскохозяйственные и пищевые отходы, в сочетании с топливом на основе нефти. Исследователи Co-Optima добились значительного прогресса в понимании влияния смесевых компонентов на эффективность транспортных средств и выбросы, при этом исследования 2020 финансового года (FY20) были сосредоточены на стратегиях многорежимного сгорания для автомобилей малой грузоподъемности (LD) и воспламенении от сжатия с регулируемым смешиванием (MCCI) и усовершенствованные стратегии воспламенения от сжатия (ACI) для автомобилей средней грузоподъемности (MD) и большой грузоподъемности (HD).

«Когда мы комбинируем эти новые смеси с топливом на нефтяной основе в современных двигателях, мы наблюдаем существенное сокращение выбросов загрязняющих веществ», — сказал Роберт Маккормик, старший научный сотрудник NREL, руководитель платформы Advanced Fuels and Combustion и член группы руководителей Co-Optima. «Мы говорим о смесях, которые сокращают выбросы парниковых газов более чем на 60% по сравнению с вытесняемым ими нефтяным топливом, а также сокращают выбросы сажи из выхлопных газов как легковых автомобилей, так и коммерческих грузовиков, что в конечном итоге означает более чистый воздух и более здоровую планету».

Биосмеси для достижения целей по выбросам и стоимости для грузовиков

Дизельные двигатели MCCI, которые обычно используются в коммерческих грузовых автомобилях, обеспечивают высокую мощность и экономию топлива, но требуют дорогостоящих и сложных систем управления для соответствия нормам выбросов. Исследование Co-Optima в 2020 финансовом году выявило потенциал многих смесей-кандидатов MCCI для снижения выбросов загрязняющих веществ по критериям MD и HD и сокращения выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла более чем на 60% по сравнению с обычным дизельным топливом, полученным из нефти, при этом отвечая требованиям производства коммерческих автомобилей и эксплуатационным затратам.

Вклад NREL в это исследование Co-Optima MD и HD включал:

• Использование расширенных возможностей моделирования для имитации использования грузовых автомобилей класса 8, использующих 10-процентную смесь биотоплива, раскрывая потенциал снижения совокупных выбросов ПГ на 7,5 % в период с 2025 по 2050 год (с более значительным сокращением выбросов при более высоких уровнях смеси биотоплива).
• Определение уникальной молекулярной структуры, катализатора и стратегии конверсии биомассы для производства потенциально высокоэффективной, низкоуглеродистой, рентабельной биосмеси для использования в дизельных двигателях.
• Применение передовых вычислительных методов для поиска оптимальных стратегий управления двигателем с воспламенением от сжатия, позволяющих сократить выбросы в три раза без значительного снижения мощности.
• Количественная оценка того, как смеси биотоплива с низким содержанием углерода могут обеспечить высокую эффективность двигателя с меньшим количеством вредных выбросов выхлопных газов и более низким уровнем выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла по сравнению со стандартным дизельным топливом
• Демонстрация того, как химическая структура влияет на склонность биотоплива, произведенного из сельскохозяйственных и лесных отходов, к сажеобразованию, для помощи в разработке более чистых новых высокоэффективных смесей.

Исследователи Co-Optima из всей инициативы использовали технико-экономический анализ и анализ жизненного цикла для оценки и ранжирования потенциальных смесей MCCI по 19 показателям технологической готовности, экономической жизнеспособности и воздействия на окружающую среду. Возобновляемое дизельное топливо, произведенное из влажных отходов и отработанного растительного масла с использованием определенных методов, обеспечило наиболее благоприятный экономический потенциал и сокращение выбросов. Большинство смесей-кандидатов предлагали благоприятные экономические показатели, четыре из которых имели целевую цену ниже 4 долларов за эквивалент бензинового галлона.

Свойства топлива для максимального повышения эффективности многорежимного двигателя для автомобилей

Двигатели, которые используют форсированное искровое зажигание (SI) во время ускорения или набора высоты и используют режимы ACI/Lean-SI в более типичных условиях вождения, известны как многорежимные двигатели. В 2020 финансовом году исследователи Co-Optima определили 10 смесей на биологической основе, которые демонстрируют потенциал совместимости с SI, ACI и другими усовершенствованными режимами сжигания, сокращение выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла не менее чем на 60%, высокий потенциал проникновения на рынок и лучшую производительность при использовании. в многорежимных двигателях LD.

Исследование NREL Co-Optima LD включало:

• Определение методов извлечения выгоды из смесей, которые обеспечивают преимущества нелинейных свойств топлива для обеспечения производительности, эффективности и сокращения выбросов выше среднего при смешивании с будущими видами топлива и в сочетании с новыми стратегиями сжигания.
• Разработка быстрого и точного онлайн-инструмента, который поможет исследователям определить молекулярную структуру высокоэффективного биотоплива с низким уровнем выбросов за секунды, а не дни.
• Адаптация состава биотоплива, изготовленного из древесной биомассы, для обеспечения более высокой плотности энергии, а также свойств воспламенения и низкого потенциала образования сажи жизненно важна для повышения производительности двигателя с однократным зажиганием и многорежимного двигателя.

Режимы сгорания ACI и обедненной смеси и технологии двигателей могут повысить эффективность и сократить выбросы для всех типов транспортных средств в типичных условиях, сохраняя при этом удельную мощность и прирост эффективности за счет турбонаддува, прямого впрыска, уменьшения размера двигателя и снижения скорости. Совместная команда Co-Optima обнаружила, что все 10 смесей-кандидатов соответствуют критериям для использования в многорежимных двигателях, при этом пять демонстрируют значительно меньше барьеров для внедрения, а один (этанол) уже присутствует на рынке.

Новые партнеры для ускорения разработки и внедрения

На конкурсной основе Министерство энергетики выбрало новые отраслевые проекты в 2020 финансовом году, чтобы ускорить разработку и внедрение коммерческого высокоэффективного биотоплива за счет использования уникальных экспериментальных и вычислительных возможностей национальных лабораторий. Shell была выбрана для сотрудничества с NREL в области применения метаболической инженерии и оптимизации процессов для биологического производства высокоэффективного изопропанола. Команда недавно завершила первоначальный вычислительный анализ проекта.

«Поскольку отраслевые партнеры присоединились к команде, мы стали намного ближе к завершению передачи», — сказал Маккормик. «В конце концов, промышленность будет использовать научные разработки Co-Optima для разработки экологически чистых, эффективных и доступных новых видов топлива и автомобильных двигателей, которые нам нужны для устойчивого будущего».

Партнеры Co-Optima, спонсируемые Управлением автомобильных технологий Министерства энергетики США и Управлением биоэнергетических технологий, включают NREL, а также национальные лаборатории Аргонна, Айдахо, Лоуренса Беркли, Лоуренса Ливермора, Лос-Аламоса, Ок-Риджа, Тихоокеанского Северо-Запада и Сандии, а также более 20 университетов и отраслевые партнеры.