Forskning: Utsläppsfri förbränning och dubbel verkningsgrad kan uppnås i förbränningsmotorer

Inom projektet HyMar vid Aalto-universitetet och Åbo universitet har resultat som kan förändra hela förbränningsmotortekniken uppnåtts på kort tid. Tanken är att ersätta luften som används vid förbränning av bränsle, d.v.s. istället för en blandning av kväve och syre använda en blandning av argon och syre. 

”Det här kan vara en verklig game changer för förbränningsmotorer, eftersom argongasens exceptionella termodynamiska egenskaper förändrar förbränningsprocessen på ett avgörande sätt”, säger Ville Vuorinen, professor i energiteknik vid Aalto‑universitetet.

Om konceptet visar sig fungera är klimat- och energieffektivitetsfördelarna utan motstycke. I en argoncykel producerar motorn inga kväveoxider (NOx), som är en av de mest skadliga utsläppen när det gäller klimat- och hälsoeffekter. När grönt väte används som bränsle kan motorn fungera helt koldioxidfritt.

Samtidigt kan bränsleförbrukningen till och med halveras utan att kompromissa om effekten. Den höga verkningsgraden kan påskynda genombrottet för förnybara bränslen på marknaden, eftersom den bidrar till att balansera initialt högre produktionskostnader jämfört med fossila bränslen.

Projektets hittills största genombrott är avbildningen av förbränningsfenomen i en optisk motor. Vuorinen beskriver förbränningsfenomenen han bevittnat med egna ögon som häpnadsväckande. 

"Vi är, vad vi vet, världens första forskningsgrupp som med hjälp av en optisk motor har lyckats avbilda vad som faktiskt händer när väte, argon och syre brinner. Även mätningar som stöder de teoretiska kurvorna visar tydligt att konceptet är tekniskt genomförbart", fortsätter Vuorinen. 

Nya öppningar för användning av grönt väte

Grönt väte ses som framtidens bränsle, men det är inte heller helt utsläppsfritt. Vid förbränning av väte behövs luft som i huvudsak består av kväve. Vid höga temperaturer reagerar kväve med syre, vilket ger upphov till NOx-utsläpp. Samma fenomen gäller även metan, som används till exempel i LNG-fartyg (fartyg som transporterar kondenserad naturgas) och gasturbiner. 

Nyckeln till utsläppsfri förbränning är argon, som ersätter kvävet i luften. 
"En annan egenskap hos argon är att den möjliggör avsevärt högre tryck och temperaturer än traditionell luftblandning. Detta höjer klart motorns verkningsgrad, eftersom en större del av bränsleenergin kan omvandlas till arbete i stället för värmeförluster", säger Vuorinen. 

Traditionella bensinmotorer har en verkningsgrad på ungefär 20–30 procent och dieselmotorer 30–40 procent. I argoncykler kan verkningsgraden öka till upp till 70–80 procent.

Enligt Vuorinen öppnar detta dörrar för nya rena bränslen.

”Väte antänds inte lika lätt som diesel och ammoniak antänds ganska dåligt. Argoncykler skulle kunna skapa ”dieselaktiga" egenskaper för dessa bränslen, vilket innebär att deras antändbarhet och förbränningsegenskaper förbättras", konstaterar han.

Kameror följer förbränningslågan

HyMar är ett projekt som finansieras av Finlands Akademi och vars mål är att producera ny kunskap om förbränningsfenomen i väte och metan i argoncykelmotorer. Forskningsgruppen för beräkningsströmningsdynamik och förbränningsfysik vid Aalto under ledning av Vuorinen ansvarar för den experimentella delen av projektet i samarbete med Staff Scientist Cheng Qiangi. Forskare vid Åbo universitet kompletterar projektet med sin egen modelleringsexpertis.

Aalto har mycket högklassiga anläggningar för förbränningsforskning.

"Med hjälp av dem kan vi i detalj avbilda och mäta hur argon brinner. Den optiska motorns kolvfönster med kvartsglas gör det möjligt att antända lågan och filma förbränningsfenomen med hjälp av höghastighetskameror", berättar Qiang. 

Tidigare har förbränning av argon endast undersökts i enkla brandkammare eller slutna motorer och även i dem i mycket begränsad omfattning.

”Till näst undersöker vi närmare hur väte, argon och syre beter sig i motorer. Målet är att fördjupa den vetenskapliga förståelsen av fenomenet och kunna överföra det till praktiska tillämpningar", fortsätter Qiang. 

Användningsområden från kraftverk till sjöfart

Enligt forskarna passar den nya argoncykelmotorn särskilt bra för situationer där det behövs en mycket hög verkningsgrad, nollutsläpp och användning av grönt väte som bränsle. 

”Motorn är ideal för industriella kraftverk, vätgascentraler och kemiska industrianläggningar som strävar efter energiproduktion utan utsläpp på plats. Det är en lovande lösning även inom sjöfarten", säger Qiang.  

Även Vuorinen ser en uppsjö av tillämpningar.

"Jag ser potential i argoncykler för många olika typer av bränslen. Mer än 80 procent av världens energi produceras fortfarande genom förbränningsprocesser. Argoncykler erbjuder ett sätt att helt bli av med NOx-utsläpp. Det är extremt motiverande att fortsätta forskningen", sammanfattar Vuorinen. 

Text: Marjukka Polakka
Bilden nedan: Qiang Cheng och Joakim Kapp