Hur kan vi minska utsläpp från dieselmotorer och skydda vår hälsa?

Nitrogenoxider (NOx), en sammansättning som beskriver kväveoxider, är bland de mest skadliga luftföroreningarna, inte bara för deras direkta påverkan på hälsan, utan också för deras bidrag till miljöförstöring. En av de största riskerna med NOx är att de irritera och skadar våra luftvägar och angriper slemhinnor i kroppen. En särskilt skadlig form av NOx, kvävedioxid (NO2), är också en medverkande faktor till surt regn. När kvävedioxid reagerar med vatten bildas salpetersyra (HNO3), vilket, efter svavelsyra, är den näst största bidragsgivaren till surt regn. Reaktionen kan uttryckas som:

2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 (6.1)

Vidare, när kvävedioxid utsätts för ultraviolett ljus, kan det delta i bildandet av ozon (O3), vilket är skadligt när det finns nära markytan. Denna process innebär följande reaktioner:

NO2 + UV-ljus → O* + NO (6.2)
O* + O2 → O3 (6.3)

Ozon är en stark oxiderande substans och en irriterande gas för människors och djurs luftvägar. Personer som är känsliga för ozon kan uppleva huvudvärk och andra symtom på irritation.

Partiklar, särskilt de från dieselmotorer (dieselsot), är också ett allvarligt hälsoproblem. Partiklar kan vara extremt små och deras storlek mäts genom PM10 och PM2.5, vilket refererar till partiklar med en aerodynamisk diameter på mindre än 10 mikrometer och 2.5 mikrometer, respektive. Dessa partiklar är farliga eftersom de kan tränga djupt in i lungorna och orsaka luftvägs- och kärlsjukdomar. Förutom utsläpp från motorer bidrar också andra källor som industriella anläggningar, värmesystem och till och med naturliga processer som jorderosion, skogsbränder eller sandstormar till föroreningarna.

För att minska kväveoxidutsläpp och partiklar används flera teknologiska lösningar. En av de mest etablerade metoderna för att minska kväveoxider är Avgasåterföring (EGR, Exhaust Gas Recirculation). Genom att återcirkulera en del av avgaserna tillbaka till förbränningskammaren minskar mängden syre i blandningen och därmed sänks förbränningstemperaturen. Detta leder till en minskning av NOx-utsläpp. Men denna metod leder också till en ökning av partiklar, eftersom mindre syre finns tillgängligt för att oxidera de fasta föroreningarna. En annan nackdel är att den minskar motorns effektivitet.

För att motverka dessa negativa effekter används ett kylsystem för EGR. Här kyls avgaserna innan de återförs till motorn, vilket gör det möjligt att bearbeta större volymer av gas och bränsle. Detta kylsystem ökar dock kylkraven för motorn med upp till 30 %.

Vid låga motorbelastningar, där mycket lite bränsle förbränns, kan så kallad "het EGR" användas. Genom att återföra uppvärmda avgaser tillbaka till förbränningskammaren höjs temperaturen i avgaserna, vilket gör att katalysatorer fungerar bättre. Denna teknik är särskilt användbar i motorer med selektiv katalytisk reduktion (SCR), där kväveoxider minskas till ofarliga ämnen, som kväve (N2) och vatten (H2O).

SCR är en effektiv metod som innebär att kväveoxider reagerar med ammoniak (NH3) i närvaro av en katalysator för att omvandlas till kväve och vatten. För att tillhandahålla ammoniak används en urea-lösning, Diesel Exhaust Fluid (DEF), som injiceras i avgassystemet. För att SCR-systemet ska vara effektivt måste det finnas en viss temperatur i katalysatorn, och mängden ammoniak måste regleras för att passa de varierande utsläppen från motorn.

För att ytterligare minska partiklarna från dieselmotorer kan förbränningen optimeras genom att säkerställa en fullständig förbränning av bränslet. Detta görs genom att justera lufttillförseln för att skapa bästa möjliga förhållande mellan bränsle och luft, vilket gör att partiklar minimeras redan vid källan.

Det är också viktigt att förstå att utsläpp från dieselmotorer inte bara handlar om kväveoxider och partiklar. Förbättringar av motorns konstruktion, till exempel genom att installera partikelfilter och bättre bränsleinsprutningstekniker, bidrar också till en betydande minskning av föroreningar. Användningen av förnybara bränslen och elektrifiering av transportsektorn är också viktiga steg för att minska den långsiktiga påverkan på både människors hälsa och miljön.

Hur fungerar termodynamikens lagar och deras tillämpning på idealiska gaser?

Enligt den första termodynamiska lagen är det felaktigt att tala om energiförbrukning i strikt fysikalisk bemärkelse. Det som menas är att högvärdig, lättanvändbar energi, som den kemiska energin i petroleum, omvandlas till en energi som inte lika enkelt kan utnyttjas, som värme. Med andra ord omvandlas energikällor med låg entropi (som senare ska förklaras) till energiformer med högre entropi; men den totala energimängden förändras inte. Enligt den första termodynamiska lagen uttrycks detta matematiskt så här: En förändring av energin $E$ i ett system sker inte spontant, utan antingen genom tillförsel eller borttagning av värme $dQ$, genom utförande av mekaniskt arbete $dW$, eller genom att energi $dEm$, bunden till en massaöverföring, utbyts med omgivningen:

Energimängden $E$ i ett system består av den inre energin $U$ och den yttre energin $Ea$, som beskriver systemets potentiella och kinetiska energi. Om systemet är i vila (dvs. $dEa = 0$) och (viktigt!) är slutet (dvs. $dEm = 0$), kan energiekvationen skrivas så här:

Om vi bortser från friktionsfenomen kan det mekaniska arbetet uttryckas som:

där $p$ är trycket och $V$ är volymen på systemet. Minustecknet används här eftersom arbete tillförs systemet (energi ökar) när volymen minskas. Detta ger:

Andra termodynamikens lag säger att makroskopiska processer sker i en viss riktning. Ett vardagligt exempel på denna lag är: Om en kall och en varm kropp kommer i kontakt med varandra, kommer värme att förflytta sig från den varma kroppen till den kalla kroppen. På makroskopisk nivå sker det aldrig att den varma kroppen blir varmare och den kalla kroppen ännu kallare – en sådan situation skulle vara tillåten enligt endast den första termodynamikens lag. Detta exempel motsvarar ungefär formulerandet av andra termodynamikens lag enligt Clausius. Processer som spontant sker i en enda riktning, som den i exemplet, kallas irreversibla processer. Makroskopiskt är alla processer irreversibla. Dock förekommer reversibla processer ofta i termodynamiken, eftersom de representerar gränsfallen, de maximalt teoretiskt möjliga. För att kunna uttrycka andra termodynamikens lag i matematiska termer, introducerade Clausius en ny tillståndsvariabel – entropi $S$. Entropi är ett mått på mängden energi i ett system som inte längre kan omvandlas till mekaniskt arbete. Entropiförändringen definieras som:

Där den dissipativa energin alltid är positiv ($dW_{\text{diss}} > 0$). Enheten för entropi är Joule per Kelvin ($J/K$). Andra termodynamikens lag säger att entropin aldrig minskar. I irreversibla processer ökar entropin alltid, endast i det idealiserade fallet av en reversibel process förblir entropin konstant:

Vid reversibla processer utan friktionsfenomen och så vidare, gäller den tidigare formeln och följande uttalande kan göras för entropi:

Idealgas är ett begrepp som används för att beskriva termodynamiska processer på ett enklare sätt. Gassens beteende beskrivs med den allmänna gaslagen:

där $p$ är trycket, $V$ volymen, $n$ mängden substans i mol, $R$ den specifika gaskonstanten och $T$ temperaturen. Gaskonstanten $R$ beräknas med hjälp av Avogadros konstant $N_A = 6.022 \times 10^{23} \, \text{mol}^{ -1}$ och Boltzmanns konstant $k_B = 1.38 \times 10^{ -23} \, \text{J/K}$, vilket ger:

Den inre energin $U$ för en idealgas beror endast på temperaturen. Om gasen inte har interna frihetsgrader kan den inre energin för en gas med $N$ partiklar skrivas:

Om värme tillförs en idealgas vid konstant volym (isochor), absorberas all värme i den kinetiska energin hos gaspartiklarna. Den specifika värmekapaciteten vid konstant volym $C_V$ definieras som:

Vid konstant tryck (isobar) expanderar gasen och volymarbete utförs. Några av värmetillförseln bidrar till volymarbetet och en del höjer temperaturen (den kinetiska energin hos gaspartiklarna). För att åstadkomma en önskad temperaturändring måste mer energi tillföras i det isobariska fallet än vid det isokoriska. Den specifika värmekapaciteten är större vid konstant tryck än vid konstant volym. Den specifika värmekapaciteten vid konstant tryck $C_p$ definieras som:

För en idealgas gäller därför att:

Statliga förändringar av idealgas: För att beskriva termodynamiska processer på ett så enkelt sätt som möjligt delas dessa upp teoretiskt i en sekvens av idealiserade tillståndsförändringar. Dessa tillståndsförändringar är lämpliga för att beskriva gasers beteende och gör det lättare att förstå grundläggande termodynamiska fenomen.

För den som studerar termodynamik är det avgörande att förstå att dessa processer, trots att de kan förefalla vara teoretiska eller förenklade, tillhandahåller de grundläggande principerna för hur energiflöden och tillståndsförändringar i ett system kan beskrivas och analyseras. Särskilt för den som arbetar med energiomvandling, som till exempel i motorer eller termiska system, är dessa koncept grundläggande för att förutsäga och optimera prestanda i praktiska tillämpningar.

Hur fungerar förbränningsprinciperna i dieselmotorer och deras jämförelse med andra motorprinciper?

Dieselmotorer använder en kompressionständning (CI) där luft komprimeras och värms upp till en temperatur som gör att bränslet antänds spontant. Denna process, kallad auto-gnista, startar förbränningen när dieselbränslet injiceras i den komprimerade luften i slutet av kompressionsfasen. Förbränningen sker snabbt och effektivt tack vare den höga tryck- och temperaturkombinationen som skapas under kompressionen. Detta gör att dieselmotorn kan vara mer bränsleeffektiv och hållbar än andra motorer som använder tändstift.

Vid förbränning blandas dieselbränslet och luften inte jämnt, vilket innebär att vissa delar av förbränningsrummet har ett överskott av diesel medan andra har ett överskott av luft. För att säkerställa en snabb och fullständig förbränning används högtrycksinsprutning och flerdysor för att spruta bränslet effektivt i motorrummet. I jämförelse med bensinmotorer, som använder en tändgnista för att antända en homogen blandning av luft och bränsle, innebär denna inhomogenitet i dieselmotorer en något mer komplex process, men som ändå leder till högre effektivitet och mindre utsläpp.

Bensinmotorer, som bygger på Otto-principen, är designade för att blandat luft och bensin innan förbränning sker. En gnista från ett tändstift antänder blandningen, vilket leder till en flamma som sprider sig genom förbränningsrummet. Dessa motorer har en fördel i att de är enklare att kontrollera i termer av tändningstid, men de har också en lägre effektivitet jämfört med dieselmotorer, särskilt när det gäller bränsleförbrukning och långsiktig hållbarhet.

En annan typ av motor som har blivit populär på senare tid är dual-fuel motorer. Dessa motorer använder en blandning av två olika bränslen – till exempel naturgas och diesel – för att utnyttja fördelarna med båda bränslena. Processen börjar med att en blandning av luft och naturgas injiceras i förbränningsrummet och sedan antänds av en liten mängd diesel, som fungerar som en tändare. Denna metod tillåter användning av naturgas, som är billigare och renare än diesel, samtidigt som diesel fungerar för att säkerställa en stabil förbränning. Dual-fuel motorer innebär högre teknisk komplexitet eftersom man måste kontrollera och optimera förbränningsprocessen för två olika bränslen.

Det finns även forskning kring HCCI-motorer (Homogeneous Charge Compression Ignition), som försöker kombinera fördelarna med både bensin- och dieselmotorer. HCCI strävar efter att skapa en homogen blandning av bränsle och luft, som sedan självantänds vid kompressionen, likt en dieselmotor. Denna typ av motor har ännu inte nått serieproduktion, då det är mycket svårt att exakt kontrollera självantändning över hela motorns varvtals- och belastningsområde.

När vi jämför dieselmotorer i kommersiella lastbilar med de som används i personbilar finns både likheter och skillnader. Lastbilsdieselmotorer är generellt större, har högre cylindervolym och producerar mer effekt, vilket är nödvändigt för att driva de tyngre fordonen. Dessutom är lastbilsdieselmotorer designade för att snurra långsammare än personbilsmotorer. En typisk personbilsdiesel snurrar mellan 800 och 5000 rpm, medan en lastbilsdiesel vanligtvis har ett varvtalsintervall mellan 600 och 2000 rpm, med ett optimalt varvtal på cirka 1100 rpm vid konstant hastighet.

En annan viktig skillnad är att lastbilsdieselmotorer är byggda för att klara av mycket längre körsträckor och längre underhållsintervall. Lastbilar kan köra över 1,2 miljoner kilometer medan en genomsnittlig personbil ofta når omkring 300 000 kilometer. För att ytterligare öka effektiviteten och minska bränsleförbrukningen är lastbilsdieselmotorer designade för att ge ett högre vridmoment vid lägre varvtal, vilket gör dem mer bränsleeffektiva.

Utöver motorstorlek och varvtalsintervall, har lastbilsdieselmotorer också längre intervall mellan service och reparationer samt funktioner som motorbroms med mekaniska enheter som förstärker motorbromseffekten. Denna funktion är särskilt viktig för tunga lastbilar som ofta kör i kuperad terräng. Dessutom är dessa motorer designade för att kunna driva kraftuttag, vilket är avgörande för att kunna driva olika tillbehör som pumpar eller kylsystem.

För att sammanfatta är dieselmotorn fortfarande den mest ekonomiska och hållbara lösningen för kommersiella fordon på medellång sikt. Det pågår dock intensiv forskning för att hitta alternativ till diesel och för att förbättra motortekniken, vilket kan leda till mer effektiva och miljövänliga lösningar i framtiden.

Hur påverkar olika ventilationssystem och bromssystem motorns prestanda och effektivitet?

Blåsgaser, som renats från olja, kan hanteras i både öppna och stängda ventilationssystem. I ett stängt vevhusventilationssystem återförs den renade gasen tillbaka till motorns insugningskanal, medan i ett öppet system släpps den ut i omgivningen. Vid emissionsmätningar adderas denna gas till avgaserna för att mäta alla utsläpp från motorn. Det är viktigt att förstå att blåsgas, som läcker ut mellan kolven och cylinderlinsen, minskar motorns effektivitet, eftersom den inte bidrar till energiöverföring till kolven. Hög styvhet hos vevhus och kolvar minskar förlusterna av blåsgaser, vilket resulterar i lägre bränsleförbrukning.

Ventiltåget och växeltåget är avgörande för motorns funktion. Ventilerna öppnas och stängs i enlighet med förbränningsfaserna för att tillåta insug av luft och avgivning av förbränningsgaser. En roterande kamaxel, kopplad mekaniskt till vevaxeln, styr öppningarna av ventilerna så att de rör sig i ett fast förhållande till varandra. I en fyrtaktsmotor måste ventilerna öppnas en gång varje andra varv på vevaxeln. För att åstadkomma detta används olika mekaniska arrangemang, som exempelvis en kamaxel ovanför eller nedanför förbränningskammaren, där olika former av ventilyttryck och ventillift kan skapas.

Motorer med fyrventilsystem är mer komplexa än de med två ventiler, men dessa ger en mycket effektivare gasutbyte vilket har lett till att de flesta moderna motorer i kommersiella fordon är fyrventilsmotorer. Ventilerna i sådana motorer är utsatta för extremt höga temperaturer, upp till 800 °C, och måste kunna motstå miljarder öppning- och stängningscykler under motorns livslängd, vilket ställer stora krav på material och hållbarhet.

En annan viktig aspekt av motorprestanda är bromssystemen, specifikt motorbromsar och retardersystem. Motorbromsar används för att minska belastningen på servobromsen och fungerar genom att öka motorens motstånd vid nedbromsning, vilket gör att fordonet kan bromsas utan att slita på de vanliga bromsarna. Dessa bromssystem aktiveras när motorn är kopplad till drivaxeln, det vill säga när kopplingen är stängd och ett växel är i.

Exhaust flap valve, eller avgasbroms, är ett exempel på en motorbroms där en pneumatiskt driven ventil i avgassystemet skapar mottryck. Detta hindrar kolvarna från att tömma gas från cylindern, vilket i sin tur bromsar fordonet. En annan form av motorbroms är dekompressionsbromsen, som släpper ut trycket i cylindern för att förhindra att den komprimerade gasen omvandlas tillbaka till rörelseenergi under expansionsfasen. Detta minskar den kinetiska energi som skulle ha överförts till vevaxeln, vilket resulterar i ett bromsande moment.

Decompression genom avgasventiler är en vanlig metod för att möjliggöra denna process. När trycket i cylindern öppnas på slutet av kompressionsfasen, så frigörs energi som annars skulle ha omvandlats till rörelse. Detta kallas populärt för Jake-brake och kan ge höga ljudnivåer som kräver ljuddämpande åtgärder för att undvika störningar.

För att effektivisera motorbromsen används ibland en konstant gasspjällventil, som har en liten tvärsektion och förblir öppen under hela motorbromsningens gång. Detta gör att kompressionen avgas och effekten av bromsen bibehålls.

Det är också viktigt att notera att val av ventilationssystem, motståndet i motorn och valet av bromssystem kan ha en direkt inverkan på motorns långsiktiga hållbarhet och bränsleförbrukning. Förutom de tekniska komponenterna, bör man också förstå att optimala körförhållanden och underhåll är nyckelfaktorer för att säkerställa att alla system fungerar effektivt under motorens livslängd.