Smart fuels - photochemical ignition control

Mange tror at forbrenningsmotorens tid snart er omme og at transportsektoren snart blir fullstendig elektrifisert. Da overser man at i lang tid fremover vil det være behov for forbrenning i sektorer som skipsfart, luftfart og langtransport, der det er vanskelig å se for seg elektrifisering. Det er viktig at forbrenningen av drivstoffer i fremtiden skjer på en mest mulig optimal måte slik at miljøpåvirkningene minimeres. Samtidig vet man at tekniske justeringer av forbrenningsforholdene i motorer ved elektronisk styring i dag vanskelig kan optimaliseres videre uten å introdusere helt nye konsepter, som for eksempel en metode å optimalisere også drivstoffet selv «in run-time», et smart fuel. Bærekraftig biodrivstoff vil være godt egnet som basis for produksjon av smarte drivstoff og ved anvendelse i høyeffektive motorer med lave utslipp vil anvendelsen også være bærekraftig. Smart fuels-konseptet går ut på å bruke fotokjemi til dette ved at komponenter i drivstoffet reagerer fotokjemisk når de utsettes for lys innenfor et spesifikt bølgelengdespekter i en fotokjemisk reaktor og danner andre komponenter. Spesielt tenningsegenskapene til drivstoffet kan endres på denne måten, noe som har stor betydning for forbrenningsprosessen i motorer. Forskere har i lengre tid jobbet med en type forbrenningsmotor som kalles Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) som kombinerer (og overgår) dieselmotorens høye virkningsgrad med bensinmotorens lave utslipp av partikler og NOx. Utfordringen med HCCI-teknologien er at det ikke finnes noen direkte metode å styre tenningstidspunktet på, slik som dieselmotorens innsprøytingstidspunkt og bensinmotorens styring av tennpluggens gnist. I en HCCI-motor er luft og drivstoff blandet før tenning, og tenningen skjer når trykket og temperaturen i sylinderen er høyt nok til at blandingen antenner. Uten noe reguleringssystem vil tenningstidspunktet være ustabilt og endre seg med driftsforholdene til motoren (omgivelsestemperatur, blandingsforhold, turtall osv). Smart fuels konseptet går altså ut på å endre reaktiviteten til drivstoffet etter motorens driftsforhold slik at tenningen alltid skjer ved riktig tidspunkt. Siden HCCI-motoren er helt avhengig av et slikt indirekte reguleringssystem for å fungere, er den ideell til å demonstrere Smart fuels konseptet. Men en kan også tenkte seg at konseptet kan brukes i andre forbrenningsprosesser. For å demonstrere konseptet måtte vi først finne aktuelle fotokjemiske reaksjoner der produktet fra reaksjonen vil endre tenningsegenskapene til drivstoffet selv ved relativt lav konsentrasjon. En reaksjon der syklo-heksadien reagerer med UV-lys til heksatrien ble valgt for å testes ut. En liten UV-lampe og glasskolber etc. ble kjøpt inn for å lage en liten fotokjemisk reaktor. En blanding av iso-oktan og n-heptan ble brukt som modelldrivstoff og den aktive komponenten ble tilsatt i en konsentrasjon på 5% før eksponeringen for UV-lys. Analyser av produktet viste at 15 - 40% av den aktive komponenten ble konvertert til det ønskede produktet noe som ga en konsentrasjon i blandingen på opp til 1,5%. Innledende motorsimuleringer hadde vist at konsentrasjoner på ca 1% ville gi vesentlig endring i tenningstidspunkt. Etter at vi hadde vist at vi fikk reaksjonen til å gå, kjøpte vi inn en større fotokjemisk reaktor for å produsere store nok kvanta til å teste drivstoffet i en en-sylindret testmotor som opererte i HCCI-modus. Motortester med bare modelldrivstoffet og med modelldrivstoff iblandet reaktant viste at også reaktanten påvirket tenningsegenskapene. Men når drivstoffet som hadde vært eksponert for UV-lys ble testet, viste resultatene tydelig at produktet påvirket tenningsegenskapene ved å forsinke tenningstidspunktet og redusere forbrenningshastigheten ytterligere. Prosjektet har dermed validert at konseptet der et fotokjemisk aktivt smart fuel brukes for å endre tenningsegenskapene og dermed styre tenningstidspunktet i en HCCI-motor er mulig. Videre arbeid vil bl.a. gå ut på å optimalisere den fotokjemiske konverteringen av reaktanten for å oppnå reaksjonsrater som er egnet for kontinuerlig drift i et kjøretøy.

'Smart fuels' represent a new concept of sustainable energy carriers whose properties may be altered and controlled through irradiation with light. This enables further optimisation of the combustion process beyond what is possible with traditional control units in combustion devices, which may be important with increased use of biofuels in the transport sector. The most apparent demonstration of smart fuels is internal combustion engines. Here, smart fuels can be demonstrated to realise Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) technology. HCCI engines promise 20% fuel savings over state-of-the-art diesel engines and negligible emissions of NOx and soot. The HCCI mode is entirely controlled by chemical kinetic parameters, which has been one of the obstacles for wider use of this technology. With the smart fuels concept, the ignition property of a single fuel is adapted in real-time on board a vehicle with the help of a photochemical reactor. Components which are altered by reaction with light to form new components with different reactivity, are added to a base fuel, e.g. a sustainable bio-derived fuel. This represents a radically new approach, and if implemented in 80% of the EU's light and heavy duty engines used in road transport by 2030, this could contribute a reduction of 4.6% in total EU CO2 emissions. In future aviation turbines smart fuels provide a means to achieve flame stabilisation by auto-ignition. This is expected to result in improved flame stability and safety, as well as drastically lower NOx and particulate emissions. The project goal is to demonstrate the concept by constructing a simplified photo-reactor and prove that the changes in chemical composition and ignition properties of the reacted fuel is large enough to control the ignition timing of a HCCI engine. This includes chemical analysis, ignition property testing, engine experiments and chemical kinetics modelling.