Jak voda přidaná do nafty pomáhá výrazně snížit znečištění.
Dieselové motory mají zvláštní pověst. Na jedné straně jsou ceněny pro svou účinnost, spolehlivost a vysoký krouticí moment. Na straně druhé patří mezi významné zdroje znečištění ovzduší. Co kdyby ale existoval jednoduchý způsob, jak emise výrazně snížit bez nákladných úprav motoru?
Nedávná přehledová studie publikovaná v časopise Carbon Research ukazuje, že překvapivě slibným řešením může být něco, co bychom v palivové nádrži čekali asi nejméně: voda. Konkrétně emulze vody v naftě, označovaná jako WiDE (Water-in-Diesel Emulsion).
Proč jsou dieselové motory problém?
Při spalování nafty vzniká řada škodlivých látek. Největší pozornost si dlouhodobě zasluhují:
- oxidy dusíku (NOx), které přispívají ke vzniku smogu a dráždí dýchací cesty,
- pevné částice (PM, saze), schopné pronikat hluboko do plic,
- oxid uhelnatý (CO) a nespálené uhlovodíky.
Moderní automobily proto využívají filtry pevných částic, katalyzátory nebo systémy recirkulace spalin. Tyto technologie jsou však technicky náročné a zvyšují cenu vozidel.
Nafta – směs kapalných uhlovodíků, používaná zejména jako palivo pro vznětové motory.
Emulze – heterogenní směs dvou kapalin, které se vzájemně samovolně nesměšují.
Jak může voda fungovat jako součást paliva?
Na první pohled to zní absurdně. Každý motorista ví, že voda v nádrži je problém. V případě technologie WiDE se však nejedná o obyčejné smíchání vody s naftou.
Voda je rozptýlena ve formě velmi malých kapek v naftě. Aby se směs nerozdělovala na dvě vrstvy, přidávají se látky nazývané tenzidy (surfaktanty). Ty snižují povrchové napětí mezi vodou a naftou a stabilizují emulzi podobně, jako emulgátory stabilizují majonézu nebo mléko. Dobře připravená emulze může zůstat stabilní až 60 dnů.
Tenzid – povrchově aktivní látka, snižuje povrchovou či mezifázovou energii, a proto se samovolně koncentruje ve fázovém rozhraní. Molekula tenzidu obsahuje hydrofilní i hydrofobní část, takže dokáže propojit vodu a naftu.
Mikrovýbuchy v motoru
Když se emulze vstříkne do spalovacího prostoru, kapky vody se kvůli vysoké teplotě velmi rychle odpaří. Objem vodní páry je přitom mnohonásobně větší než objem kapalné vody. Vznikne tak efekt označovaný jako mikrovýbuch (Micro-Explosion).
Tento jev roztrhne okolní kapku paliva na množství ještě menších částic. Nafta se díky tomu lépe promísí se vzduchem a spaluje se dokonaleji. Lze si to představit jako rozdíl mezi rozprášením parfému a vylitím stejného množství kapaliny na stůl. Jemně rozptýlené kapky mají mnohem větší povrch a reagují rychleji.
Proč vzniká méně oxidů dusíku?
Oxidy dusíku vznikají především při velmi vysokých teplotách, kdy reaguje dusík a kyslík obsažený ve vzduchu. Přítomnost vody část energie spotřebuje na zahřátí a odpaření vody, takže maximální teplota plamene klesá. Nižší teplota omezuje tvorbu NOx. Citovaná studie uvádí, že v některých experimentech došlo ke snížení emisí oxidů dusíku až o 67 %.
A co saze?
Saze vznikají především tam, kde není dostatek kyslíku pro úplné spálení paliva.
Díky mikrovýbuchům se nafta rozpráší na menší kapky a účinněji se mísí se vzduchem. Spalování je proto úplnější a vzniká méně pevných částic. Některé studie zaznamenaly pokles emisí sazí až o 68 %.To je mimořádně zajímavé, protože u dieselových motorů bývá obtížné současně snižovat NOx i množství sazí. Opatření, které redukuje jednu skupinu emisí, často zhoršuje druhou. Emulze vody v naftě dokáže v mnoha případech zlepšit obojí současně.
A co účinnost?
Řada studií zaznamenala mírné zvýšení tepelné účinnosti motoru. Lepší rozprášení paliva a dokonalejší spalování totiž mohou vykompenzovat skutečnost, že voda sama žádnou chemickou energii neobsahuje. V některých případech byla pozorována vyšší účinnost o několik procent. Na druhou stranu příliš vysoký obsah vody může účinnost i výkon snižovat. Klíčem je proto nalezení optimálního složení emulze.
Nevýhody
Přestože výsledky vypadají velmi slibně, stále existuje řada otevřených otázek:
- dlouhodobý vliv emulze na životnost motoru,
- možné korozní účinky vody,
- optimální výběr surfaktantů,
- stabilita emulze při skladování,
- někdy rozporuplné výsledky u emisí oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků
Bude potřeba ještě další výzkum, ale může se jednat o důležitý krok k ekologičtějším dieselům.