WiDE: Förlänga livslängden för diesel i en värld som avkolonisering

Transport står för ungefär en femtedel av de globala CO2-utsläppen, där vägtransport ensam står för tre fjärdedelar av dessa utsläpp.

De flesta av dessa vägtransportsutsläpp kommer från personbilar och bussar, följt av lastbilar. Medan bensin är det vanligaste bränslet för lätta fordon, är diesel det primära bränslet för kommersiella fordon som lastbilar och bussar.

Det beror på att denna blandning av kolväten som erhålls genom destillation av råolja har högre motoreffektivitet.

Diesel har faktiskt 25 % till 35 % bättre bränsleeffektivitet än bensin, vilket gör det till det bästa alternativet för kommersiella fordon. Förutom bättre bränsleekonomi ger dieselmotorer bättre acceleration och bogsering- och lastpotential, kräver mindre underhåll och erbjuder större hållbarhet.

Men samtidigt är diesel en av de största bidragsgivarna till luftföroreningar genom föroreningar som sot, kolmonoxid (CO), kväveoxider (NOx), svaveloxider (SOx), kolväten (HC) och partiklar (PM).

Dieselmotorer släpper också ut koldioxid (CO2), som, även om den inte är direkt giftig som andra gaser, är en betydande växthusgas. Data visar att dieselbränsleförbrukningen stod för cirka 25 % av totala amerikanska transportsektorns CO2-utsläpp under 2022.

För att bidra till att minska de negativa effekterna av dieselbränsle på vår hälsa och miljön vände sig forskare från Federal University of Technology Owerri (FTO) i Nigeria till Water-in-Diesel Emulsion (WiDE)-teknik och identifierade den som en lovande strategi för att minska föroreningar från dieselmotorer¹ samtidigt som deras prestanda bibehålls eller till och med förbättras.

Dieselutsläpp: Varför de förblir en stor miljöutmaning

Som en stor källa till skadliga utsläpp utgör dieselmotorer allvarliga hälsorisker, såsom andningsproblem och hjärt-kärlproblem. De bidrar också till miljöproblem som smog, surt regn och global uppvärmning.

För att mildra miljöpåverkan från kompressionsantändningsmotorer använder moderna dieselmotorer olika utsläppskontrolltekniker, såsom Diesel Oxidation Catalysts (DOC), Selective Catalytic Reduction (SCR), Exhaust Gas Recirculation (EGR) och Diesel Particulate Filters (DPF).

Även om dessa teknologier kan hjälpa till att minska utsläppen, gör de inte det helt och hållet, och dessutom ökar de kostnaden och komplexiteten hos motorerna.

Till exempel minskar DOC effektivt CO och HC men har minimal effekt på partikel- och NOx-utsläpp, medan DPF är effektivt för att minska partikelutsläpp men inte adresserar CO eller NOx, vilka effektivt kan minskas av den kostnadseffektiva EGR:n, men den kan något öka partikelutsläppen.

Det finns andra alternativ, såsom biodiesel, som härrör från biomassa och har lyckats minska PM, CO och HC avsevärt, men återigen kan det öka NOx-utsläppen.

NOx- och PM-bildning, som FTO-forskarna noterade i sin studie, är temperaturberoende och uppvisar ett omvänt förhållande, vilket innebär att minskning av den ena ofta ökar den andra.

En lösning på detta problem är att introducera vatten i förbränningskammaren, vilket avsevärt minskar både NOx- och PM-utsläpp. Det finns några olika sätt att introducera vatten i dieselmotorer. Detta inkluderar Fumigating Water into the Inlet Manifold (FWIM) och Direct Water Injection (DWI), som minskar NOx- och PM-utsläpp men kan öka HC- och CO-utsläppen.

Det finns ytterligare ett enkelt men effektivt sätt att minska dieselmotorns föroreningar, och det är Water-in-Diesel Emulsion (WiDE).

WiDE: Förlänga livslängden för diesel i en värld som avkolonisering

Att blanda vatten i diesel, underlättat av ytaktiva ämnen, visar positiva effekter på utsläppsminskning, motorprestanda och förbränningseffektivitet. Denna teknik kan faktiskt minska sot- och NOx-utsläpp med över 60 % samtidigt som prestandan hålls stark, eller till och med förbättra motoreffektiviteten ibland.

Detta renare alternativ, som sänker förbränningstemperaturen, minskar hög temperatur förbränningsvaraktighet, ökar jetmomentum och förbättrar bränsleekonomin, fungerar i befintliga dieselmotorer utan modifiering.

WiDE-teknik: Hur vatten-i-diesel minskar utsläpp och förbättrar prestanda

När det blandas direkt tenderar diesel att flyta ovanpå eftersom det är lättare än vatten. En emulsionsbränsle är dock en blandning av två icke-blandbara vätskor som inte kan blandas helt, med en substans fördelad genom den andra. Så, emulsionen skapas med hjälp av högenergitekniker med hjälp av ytaktiva ämnen.

För att dieselmotorn ska kunna drivas på emulsionsbränsle är WiDE-stabilitetstiden kritisk, eftersom minskad emulsionsstabilitet medan motorn är igång kommer att påverka förbränningssystemet negativt och orsaka att motorn havererar i förtid.

Speciella kemikalier som kallas ytaktiva ämnen spelar en viktig roll för att hålla diesel och vatten jämnt blandade. De skapar stabila emulsioner genom att minska ytspänningen mellan de två, och binder dem effektivt samman.

Så, i WiDE-teknik blandas mycket små vattendroppar in i dieselbränsle, och ytaktiva ämnen tillsätts för att hålla dem jämnt blandade, vilket gör att emulsionen kan förbli stabil i upp till 60 dagar. När denna kombination brinner inne i motorn förångas vattendropparna snabbt, vilket utlöser ett fenomen som kallas “mikroexplosion” som bryter bränslet till finare partiklar.

Detta förbättrar blandningen av luft och bränsle under förbränningen, sänker toppförbränningstemperaturerna och minskar bildandet av kväveoxider. Den fullständiga förbränningen minskar också sot- och PM-utsläpp.

Med tanke på potentialen hos denna enkla teknik att avsevärt minska dieselmotorns föroreningar, utan att kräva omdesign av motorn, tog forskare vid FUTO en djupare titt på tekniken och dess löfte som en snabb väg till renare dieselanvändning genom att analysera studier från hela världen.

Enligt studier som granskats i WiDE-analysen kan körning av dieselmotorer på WiDE drastiskt minska skadliga utsläpp. Särskilt minskade NOx-utsläppen med 67 % och PM sjönk med 68 % jämfört med standard dieselbränsle, vilket “positionerar det som ett renare alternativt bränsle för dieselmotorer.”

Förutom miljömässiga fördelar rapporterade flera experiment också prestandafördelar. Detta inkluderar förbättringar i bromstermisk effektivitet (BTE), som mäter ett systems effektivitet i att omvandla bränsle till användbart arbete. Dessutom visar studier på andra motorprestandakarakteristiker, såsom bromseffekt, BSFC och vridmoment, också lovande resultat med WiDE.

Så, inte bara producerar WiDE-motorer renare avgas, de utnyttjar också bränslet mer effektivt.

“Vatten-i-diesel-emulsioner är ett praktiskt och kostnadseffektivt sätt att göra dieselmotorer renare,” sa huvudförfattaren Dr. Chukwuemeka Fortunatus Nnadozie. “Eftersom tekniken inte kräver omdesign av motorn erbjuder den en omedelbar väg mot lägre utsläpp i både utvecklingsländer och utvecklade länder.”

Samtidigt visade en titt på betydelsen av ytaktiva ämnen att välja rätt ytaktivt ämne och dess koncentration är nyckeln till emulsionsstabilitet, vilket påverkar både bränslets prestanda och säkerhet.

Forskarna fann att flera ytaktiva ämnen ger de bästa resultaten, vilket förbättrar både stabiliteten hos bränsleblandningen och kvaliteten på förbränningen inuti motorn.

Trots de uppmuntrande resultaten betonade forskarna behovet av ytterligare arbete, med fokus på att förfina kombinationer av ytaktiva ämnen och bedöma emulsionens långsiktiga effekter på motor komponenter.

Viktigare är att WiDE kan erbjuda ett praktiskt sätt att minska föroreningar från för närvarande operativa motorer och bidra till andra rena teknologier snarare än att ersätta renare, långsiktiga lösningar. Att kombinera detta bränsletillvägagångssätt med biodiesel och avancerade utsläppskontrollsystem, enligt teamet, kan hjälpa till att stödja bredare klimat- och luftkvalitetsmål.

“Denna teknik kan överbrygga klyftan mellan konventionell dieselanvändning och en renare energiframtid,” sa medförfattaren Professor Emeka Emmanuel Oguzie. “Med korrekt formulering och testning kan det bli en viktig del av hållbara transportsystem och industriella kraftsystem.”

Alternativ till diesel: Lågutslandsbränslen och rena transportlösningar

WiDE-teknik är bara ett av många sätt som transportsektorn kan adressera diesels begränsningar. Sökandet efter renare alternativ har lett till en rad bränslen och framdrivningsteknologier som kan hjälpa industrin att uppnå långsiktig avkarbonisering. En lovande väg för att minska utsläppen är biodiesel och förnybar diesel, som härrör från biomassa.

Biodiesel produceras genom transesterifiering av vegetabiliska oljor som sojabönolja, solrosolja, rapsolja och palmolja, animaliska fetter från köttbearbetningsanläggningar och återvunnen matolja från restauranger. Alger är ytterligare en lovande källa till biobränsleråvara.

Förnybar diesel liknar biodiesel men är ett kolväte som är kemiskt ekvivalent med petroleumsdiesel.

Väte är ytterligare en lösning för att begränsa växthusgasutsläpp från motorfordon genom väteförbränningsmotorer (H2ICE) och vätebränsleceller (FCEV). Båda kan driva fordon med det koldioxidfria bränslet.

När det gäller H2-ICE använder de vanliga förbränningsmotorerna väte istället för diesel eller bensin.

FCEV genererar el från väte med hjälp av en anordning som kallas bränslecell, där väte kombineras med syre för att producera el som driver elmotorn, ungefär som ett elfordon.

Medan förbränningsmotorer är mest effektiva under hög belastning, vilket gör H2-ICE till det mest lämpliga valet för tunga lastbilar, är FCEV mer effektiva vid lägre belastningar, vilket gör dem idealiska för bärgningsbilar eller betongblandarbilar.

Både H2-ICE och FCEV har liknande utsläppsprofiler, men medan den förra kan producera NOx och spår av CO2, producerar den senare bara vattenånga.

Som ett resultat för flera biltillverkare aktivt FCEV-planer, som inkluderar BMW Group, Toyota och Hyundai Motor. Nyligen avslöjade Alpine också sin väteldrivna