Un moteur diesel propre sans particules fines ni NOx ?
L’injecteur de carburant canalisé a été conçu par le scientifique Charles Mueller à partir d’un humble bec Bunsen. « Si vous dévissez le tube d’un bec Bunsen et que vous allumez le jet de gaz, vous obtenez une grande flamme orangée », explique Mueller. «Fermez le gaz, revissez le tube et rallumez le brûleur. Maintenant, vous obtenez une belle et courte flamme bleue juste au bout du tube. La flamme est bleue car il n’ya pas de suies ». Mueller a eu l’idée d’adapter ce concept aux moteurs à combustion pour créer un moteur diesel propre. Il a donc commencé avec le stagiaire Christopher Nilsen, Drummond Biles, stagiaire postdoctoral, et le technicien Nathan Harry, des expériences qui ont abouti à l’assemblage de quatre à six petits tubes ou conduits dirigeant le mélange de carburant de l’injecteur vers les points d’allumage.
Selon Mueller, les injecteurs d’un moteur diesel traditionnel créent des mélanges au niveau des zones d’allumage local qui contiennent de deux à dix fois plus de carburant que nécessaire pour une combustion complète.
Nathan Harry, Christopher Nilsen, Drummond Biles
and Charles Mueller show off the prototype ducted
fuel injection module. (Photo by Randy Wong).
«Lorsque vous avez autant d’excès de carburant à haute température, vous avez tendance à produire beaucoup de suies», note-t-il. «L’installation des conduits nous permet d’obtenir une combustion de diesel qui ne forme que peu ou pas de suies, car les mélanges au niceau de l’allumage local contiennent moins de carburant en excès.»
Des générations de conceptions de moteurs n’ont pas réussi à éliminer les suies des émissions, car il existait une limite physique à la chimie de la combustion. « Dans le passé, il y a toujours eu ce problème appelé le compromis suie-NOx. C’est-à-dire que lorsque vous agissez pour réduire la suie, les émissions d’oxydes d’azote – ou de NOx – augmentent, et inversement », explique Mueller.
Les oxydes d’azote sont également des polluants atmosphériques et ce compromis a empêché les fabricants de camions, de voitures et d’équipements de respecter les limites actuelles fixées par la loi sans l’ajout de systèmes de post-traitement des gaz d’échappement.
«Maintenant que nous avons éliminé la suie, il n’ya plus de compromis entre la suie et les NOx», explique le chercheur. «Nous pouvons donc ajouter une solution de dilution (en prenant une partie de l’échappement du moteur et en l’acheminant vers l’admission- pour éliminer les NOx sans que les émissions de suies ne deviennent un problème. C’est comme un accord deux pour un sur la réduction des polluants et un pas vers le moteur diesel propre. «
Mueller a ajouté que, dans des expériences sur les moteurs, son équipe avait observé des réductions simultanées de plusieurs ordres de grandeur de la suie et des oxydes d’azote. «Cela nous permet de réduire considérablement les émissions des moteurs diesel, ce qui résout un problème de longue date pour cette technologie hautement efficace», a-t-il déclaré.
La quasi-élimination de la suie et des oxydes d’azote peut également ouvrir le marché aux carburants renouvelables. «L’injection canalisée de carburant fonctionne très bien avec le carburant diesel conventionnel, mais elle fonctionne encore mieux avec les carburants oxygénés, qui ont un ou plusieurs atomes d’oxygène liés dans certaines ou toutes leurs molécules. De nombreux carburants renouvelables et durables sont oxygénés », a poursuivi Mueller.
« L’utilisation de carburants oxygénés avec l’injection de carburant canalisée réduit les émissions, peut-être suffisamment pour permettre un système de moteur moins coûteux, car il faudrait moins de post-traitement des gaz d’échappement », at-il déclaré. «Sur un camion routier moderne, le traitement final représente environ 12 000 dollars en coûts initiaux et opérationnels sur la durée de vie du véhicule. Réduire même une fraction de ces coûts est un avantage important, compte tenu du grand nombre de ces véhicules et de leur importance pour l’économie. »
« L’élimination du problème du compromis entre quantité de suies et oxydes d’azote est un domaine de recherche de la plus haute priorité pour le développement de moteurs diesel », a déclaré Paul Miles, responsable du programme de recherche sur les moteurs.
De plus, selon les chercheurs, l’injection canalisée de carburant pourrait éventuellement être adaptée aux moteurs existants. Cela signifie que les gros moteurs coûteux tels que ceux que l’on trouve sur les navires ou les locomotives pourraient être mis à niveau avec le nouveau système d’injection et permettre des avantages immédiats.
Ford et un fabricant d’équipements tout-terrain ont récemment signé un accord de coopération en matière de recherche et développement avec Sandia afin de faire progresser la technologie. Cette recherche a été menée dans le cadre du programme de co-optimisation des carburants et des moteurs parrainé par le Département américain de l’énergie, l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables, par l’intermédiaire des bureaux Vehicle Technologies et Bioenergy Technologies.
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Sandia National Laboratories – www.sandia.gov
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