Hightech-Hilfe für schmutzige Diesel

Hinter einem Bus oder Lkw zu fahren, während dieser stinkende Abgase ausstößt, reicht aus, um jeden davon zu überzeugen, dass die Emissionen von Dieselmotoren gereinigt werden sollten. Doch während die Hersteller von Ottomotoren die Schadstoffemissionen ihrer Neufahrzeuge in den letzten 25 Jahren um rund 90 Prozent reduziert haben, ist es den Herstellern von Dieselmotoren bisher gelungen, die Schadstoffemissionen nur um etwa die Hälfte zu reduzieren.



Jetzt jedoch entwickeln Forscher der University of Southern California ein Gerät, das hochenergetische Elektronen verwendet, um schädliche Dieselabgase zu zerstäuben und sie zu Wasserdampf, Kohlendioxid und Luft zu reduzieren. Innerhalb weniger Jahre könnte sich das Verfahren als kostengünstiger Weg erweisen, Dieselmotoren auf die Einhaltung immer strengerer Abgasnormen zu bringen.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 1997





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Nach Angaben der Environmental Protection Agency (EPA) produzieren schwere Dieselmotoren 25 Prozent aller von Fahrzeugen erzeugten Stickoxide (NOx) – die Quelle von Salpetersäure (HNO3), einem Hauptbestandteil von saurem Regen und einer Hauptquelle für städtische Smog. Obwohl die ersten umfassenden bundesstaatlichen Vorschriften zur Kontrolle der Emissionen von Kraftfahrzeugen im Rahmen des Clean Air Act von 1970 eingeführt wurden, traten die ersten NOx-Normen speziell für Dieselemissionen erst 1984 in Kraft. Als sich die Luftqualität dann durch den zunehmenden Verkehr weiter verschlechterte, Der Kongress verabschiedete den Clean Air Act von 1990, der die Hersteller von Lastkraftwagen und Bussen zwang, die NOx-Emissionen um 50 Prozent gegenüber dem Standard von 1984 zu reduzieren. Schließlich hat die EPA 1995 in Zusammenarbeit mit dem California Air Resources Board und Herstellern von Hochleistungsmotoren eine Grundsatzerklärung verfasst, die die EPA dazu veranlasste, die neuesten Standards festzulegen, die darauf abzielen, die Diesel-NOx-Emissionen bis 2004 um weitere 50 Prozent zu senken.

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Dieselingenieure haben die Emissionen bisher weitgehend dadurch reduziert, dass sie mechanische Lufteinlass- und Kraftstoffzufuhrkontrollen durch effektivere elektronische Systeme ersetzt haben. Jetzt erforschen Forscher, darunter Martin Gundersen und Victor Puchkarev, zwei Elektroingenieure an der University of Southern California, Abgasnachbehandlungssysteme. Basierend auf einer gepulsten elektronischen Schaltung, die in den 1950er Jahren entstand und während der Arbeit an der Strategic Defense Initiative in den 1980er Jahren verfeinert wurde, verwendet ihr Gerät kurze Ausbrüche hochenergetischer Elektronen, um NOx und andere rußige Partikel in Dieselabgasen abzubauen, bevor sie machen sich auf den Weg in die Atmosphäre.

Die USC-Gruppe hat eine Kammer entwickelt, die ähnlich wie ein Katalysator in benzinbetriebenen Fahrzeugen in ein Diesel-Abgassystem eingebaut werden kann. Im Inneren der Kammer erzeugt ein spezieller elektronischer Schalter einen kurzen elektrischen Impuls mit einer Geschwindigkeit von Tausenden von elektrischen Entladungen pro Sekunde, wie der Blitz eines elektronischen Blitzvorsatzes einer Kamera. Wenn energiereiche Elektronen aus diesen schnell feuernden Hochspannungsfunken in den Abgasstrom injiziert werden, ähnlich wie ein Elektronenstrahl in eine Leuchtstoffröhre geschossen wird, treffen sie auf Luft- und Wasserdampfmoleküle, die im Abgas vorhanden sind. Die Kollisionen erzeugen ein Ionenplasma – eine Ansammlung von Elektronen und geladenen Partikeln aus Stickstoff, Sauerstoff und Hydroxid – das wiederum mit NOx und partikulären Kohlenwasserstoffen reagiert, um Kohlendioxid, Luft und Wasserdampf zu erzeugen.



Frühe Prototypen bewiesen das Konzept, waren jedoch ineffizient und benötigten für ihren Betrieb bis zu 50 Prozent der Motorleistung. Gundersen behauptet jedoch, dass das Team die Effizienz des Geräts kürzlich um eine Größenordnung verbessert und es in einen Bereich gebracht hat, den Hersteller von Dieselfahrzeugen attraktiv finden würden.

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Um die dramatische Verbesserung zu erreichen, hat sein Team laut Gundersen das Gerät optimiert, um die Dauer jedes Pulses von etwa 200 Nanosekunden (Milliardstel einer Sekunde) auf etwa 50 Nanosekunden zu verkürzen. Da die Elektronenbeschleunigung nur in den Anfangsstadien des Pulses auftritt, erhöht die Verkürzung der Bursts die Energie der Elektronen im Plasma, während insgesamt viel weniger Energie verbraucht wird.

Laut Bernard M. Penetrante, einem Physiker, der die Gruppe für Umweltplasmatechnologien am Lawrence Livermore National Laboratory leitet, sind derzeit ein Dutzend oder mehr Gruppen weltweit mit ähnlichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten beschäftigt, die möglicherweise um einen Anteil an einem riesigen potenziellen Markt konkurrieren. Tatsächlich schätzt die EPA, dass derzeit etwa 5 Millionen schwere und 2 Millionen leichte Dieselfahrzeuge auf den Straßen der USA rollen und dass jedes Jahr mehrere Hunderttausend neue Dieselfahrzeuge im Land verkauft werden.

Gundersen schätzt, dass ein Nachbehandlungsgerät mit gepulster Leistung in der Größenordnung von 1.000 US-Dollar kosten würde. Sollte dies der Fall sein, könnte der Markt leicht mehrere Milliarden Dollar wert sein. Und der Markt darf sich nicht auf Dieselmotoren beschränken. Penetrante weist darauf hin, dass jedes Gerät, das NOx zu harmlosen Produkten in einem Dieselabgasrohr reduzieren kann, auch auf Benzinmotoren angewendet werden kann. Er erklärt, dass bei neuen Benzinmotoren mit magerer Verbrennung (hohes Luft-Kraftstoff-Verhältnis) ähnliche Bedingungen herrschen und dass neue Technologien wie gepulste Leistung entscheidend sein werden, damit die Fahrzeuge der nächsten Generation die immer strengeren Emissionsanforderungen erfüllen können.



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