Od lat regularnie słyszymy, że przyszłość silników wysokoprężnych jest przesądzona. W strategiach klimatycznych kolejnych rządów i korporacji dominuje elektryfikacja, wodór, paliwa syntetyczne, a diesel pojawia się głównie w kontekście zakazów wjazdu do centrów miast i coraz ostrzejszych norm emisji. Tyle że na placach budów, na polach, w portach i na bocznicach kolejowych obraz ten jest zupełnie inny. Tam wciąż pracują miliony ciężarówek, traktorów, koparek i agregatów, które nie znikną z dnia na dzień i dlatego trzeba zadbać o to, aby mogły pracować jak najdłużej. Nowe światło na to rzucił właśnie zespół z Federal University of Technology Owerri w Nigerii.
Stare ciężarówki dostają drugie życie. Trik z wodą w baku robi z nich niemal ekologiczne maszyny
Aby te silniki mogły dalej pracować, nie dusząc miast, inżynierowie dokładali kolejne warstwy coraz bardziej wyrafinowanej technologii, a więc filtry cząstek stałych wyłapujące sadzę, układy selektywnej redukcji katalitycznej wtryskujące mocznik do spalin, złożone pętle recyrkulacji spalin i precyzyjnie zestrojone katalizatory utleniające. Chociaż takie podejście działa, to jest drogie, zwiększa złożoność mechaniczną i wcale nie tak łatwo da się je dołożyć do milionów starszych silników, które będą pracować jeszcze przez dekady, a to zwłaszcza w uboższych regionach świata. Na tym tle do laboratoriów wraca pozornie naiwne pytanie: co by było, gdyby zmienić sposób spalania oleju napędowego od środka, po cichu dolewając do paliwa drugi płyn?
Czytaj też: Jak jeździć za darmo? Ten motocykl sam się ładuje, bo robi z parkingu własną elektrownię
Zespół z Federal University of Technology Owerri w Nigerii podsumował w nowej pracy opublikowanej w czasopiśmie Carbon Research dekady badań nad właśnie takim pomysłem, koncentrując się na WiDE, czyli emulsji wody w oleju napędowym. Zamiast spalać czysty olej napędowy, WiDE wykorzystuje starannie przygotowaną mieszankę, w której mikroskopijne krople wody są rozproszone w paliwie i utrzymywane w zawiesinie przez środki powierzchniowo czynne. Przy właściwym przygotowaniu taka emulsja pozostaje stabilna nawet przez 60 dni, nie rozwarstwiając się w zbiornikach magazynowych ani w układach paliwowych pojazdów, co jest kluczowe, jeśli ma stać się normalnym, komercyjnym paliwem, a nie tylko ciekawostką z laboratorium.
Gdy taka mieszanka trafia do rozgrzanej komory spalania, uwięzione w niej krople wody błyskawicznie zamieniają się w parę. Ten gwałtowny rozrost objętości rozrywa otaczający olej napędowy na drobniejsze krople w zjawisku, które badacze nazywają mikroeksplozją. Efekt jest podwójny, bo z jednej strony poprawia się wymieszanie paliwa z powietrzem, a jednocześnie spada maksymalna temperatura spalania, jako że część energii idzie na odparowanie wody. Oba zjawiska mają znaczenie dla emisji. Wysokie temperatury płomienia sprzyjają powstawaniu tlenków azotu, a słabe mieszanie pozostawia niedopalony węgiel w postaci sadzy i cząstek stałych, które mogą wnikać głęboko w ludzkie płuca.
Co tak naprawdę pokazują dane o wodzie w dieslu?
Przegląd kierowany przez nigeryjski zespół zebrał wyniki z wielu silników badawczych i różnych cykli testowych. W całym tym zestawie danych mieszaniny WiDE przyniosły bardzo efektowne liczby, bo do 67 procent mniej tlenków azotu i do 68 procent mniej cząstek stałych w porównaniu ze zwykłym olejem napędowym przy porównywalnych warunkach pracy. Niezależne badania w dużej mierze potwierdzają, że emulsje woda w oleju napędowym potrafią obniżyć emisje NOx o około 30 do 50 procent, gdy zawartość wody mieści się w przedziale 10 do 20 procent objętości. Co istotne, w wielu testach odnotowano też wyższą sprawność cieplną na hamowni, czyli większą część energii paliwa zamienioną w użyteczną pracę na wale korbowym zamiast uciekającą w postaci ciepła.
Jeśli te wartości potwierdzą się w realnych zastosowaniach, to skutki dla zdrowia publicznego mogą być ogromne. Drobne cząstki i tlenki azotu z silników wysokoprężnych są silnie powiązane z chorobami układu sercowo-naczyniowego i oddechowego, a spaliny diesla są formalnie sklasyfikowane jako czynnik rakotwórczy dla ludzi. Nasze europejskie miasta od lat próbują ściągnąć stężenia NOx i pyłu PM2.5 w powietrzu do poziomów zalecanych przez Światową Organizację Zdrowia, a nawet niewielkie procentowe redukcje emisji z dużych flot diesli mogą przełożyć się z czasem na tysiące mniej hospitalizacji. Na tym tle metoda, która z poziomu paliwa jednocześnie uderza zarówno w NOx, jak i pył zawieszony, zamiast redukować jeden kosztem drugiego, jak dzieje się w przypadku części rozwiązań, jest rzadkością.
Czytaj też: Fiat wraca do spalinowego silnika. Miała być ikona elektryfikacji, a wrócił mały i głośny klasyk
Autorzy przeglądu WiDE porównują też tę metodę z innymi sposobami wprowadzania wody do cylindra, takimi jak rozpylanie jej w kolektorze dolotowym czy bezpośredni wtrysk wody do komory spalania. Te techniki są w teorii bardziej elastyczne, bo przepływ wody może na bieżąco podążać za obciążeniem silnika, ale zwykle wymagają ingerencji w samą jednostkę napędową. Na tym tle WiDE jest kuszące koncepcyjnie, bo silnik nie musi być projektowany od nowa. Jeśli dostawca paliwa jest w stanie zagwarantować powtarzalną jakość emulsji, to w zasadzie ten sam silnik mógłby ją spalać bez większych zmian mechanicznych.
Od laboratoryjnego triku do stacji paliw?
Prostota samego pomysłu działa na wyobraźnię, ale równie łatwo go przecenić. WiDE nie polega na wlaniu wody z kranu do ciągnika i zamieszaniu w baku. Środki powierzchniowo czynne, które utrzymują olej napędowy i wodę w jednej mieszaninie, trzeba dobrać i dozować bardzo ostrożnie, aby uniknąć rozwarstwienia, korozji czy tworzenia się osadów. Autorzy przeglądu podkreślają, że najlepszą stabilność i przebieg spalania dają zwykle mieszanki złożone z kilku rodzajów surfaktantów, ale to z kolei komplikuje recepturę i rodzi pytania o koszt oraz opłacalność produkcji na dużą skalę.
Swoje granice narzuca też fizyka i istniejące podzespoły. Aby nadal korzystać z seryjnych układów wtryskowych, całkowita zawartość wody w emulsji jest zwykle ograniczana do około 10 do 20 procent objętości. Przy wyższych udziałach wody wtryskiwacze mogą nie być w stanie dostarczyć do cylindra wystarczająco dużo energii, by utrzymać osiągi, a wtedy takie niedokończone spalanie zaczyna podbijać emisje tlenku węgla i węglowodorów niespalonych. WiDE nie eliminuje też z równania dwutlenku węgla. Ponieważ przede wszystkim zmienia przebieg spalania, a nie zastępuje węgla kopalnego innym źródłem energii, należy traktować je jako sposób na ograniczenie lokalnie toksycznych zanieczyszczeń i niewielkie poprawienie zużycia paliwa, a nie cudowne remedium na cele klimatyczne.
Czytaj też: Niemcy rzucają wyzwanie azjatyckim gigantom solarnym. Ten zakład pod Lipskiem produkuje coś wyjątkowego
Otwarte pozostają za to bardzo przyziemne kwestie, a w tym m.in. to, kto miałby takie paliwo mieszać i certyfikować, jak zachowuje się ono w silnikach po setkach tysięcy kilometrów, co oznacza dla gwarancji i czy bilans ekonomiczny nadal będzie atrakcyjny, gdy doliczymy do tego koszt surfaktantów, logistyki i spełnienia wymogów regulacyjnych. Na razie WiDE tkwi w ciekawym zawieszeniu. Nie jest czysto spekulacyjną koncepcją, bo dziesiątki stanowisk badawczych i część testów drogowych pokazują realne spadki emisji i niewielkie zyski sprawności. Z drugiej strony, to wciąż nie jest produkt gotowy na podbijanie stacji paliwowych.