Rudolf Diesel sade på 1880-talet: ”Bilmotorn kommer att komma, och då kommer jag att betrakta mitt livsverk som fullbordat.” Han visste uppenbarligen hur stor betydelse hans uppfinning hade. Men oavsett hur man bedömer Diesels livsverk var dieselmotorn i sig själv långt ifrån färdig. För det första hade hans tidigaste motorer bara en verkningsgrad på cirka 26 procent. Men det var länge, länge sedan.
Dieselmotorns potentiella effektivitet är ett hett ämne 2015, över hundra år senare. Detta beror på att amerikanska EPA och NHTSA bedömer den potentiella strängheten i nya effektivitetsregler för dieselmotorer som en del av förslaget om ”fas 2” för tunga fordon. De federala myndigheterna har befogenhet att reglera motorer för tunga fordon för att uppnå största möjliga förbättring och anta standarder som tvingar fram teknik, med lämplig hänsyn till kostnaden för efterlevnad, teknikens ledtid och andra överväganden.
Moderna dieselmotorer med kompressionständning dominerar den kommersiella lastbilsindustrin med effektiva motorer som omvandlar cirka 43-44 % av bränslenergin till motorarbete, baserat på 2013-2014 certifierade motorer. För att uppfylla de befintliga effektivitets- och koldioxidbestämmelserna kommer traktormotorerna sannolikt att minska sin bränsleförbrukning och sina koldioxidutsläpp med 6 % från 2010 till 2017, eller ungefär 1 % per år. Den aktuella frågan är hur mycket effektivare dieselmotorer kommer att bli i nästa fas av bestämmelserna, från 2017 till 2024-2027.
I EPA/NHTSA:s förslag från juni skulle dieselmotorer minska sin bränsleförbrukning och sina koldioxidutsläpp per arbetsenhet med 4,2 % från 2017 till 2027. De slutliga standarderna skulle sannolikt fortsätta att gälla i ytterligare tre år, så standarderna skulle gälla fram till 2029 eller 2030. Detta skulle innebära att motorernas koldioxidutsläpp skulle minska med i genomsnitt 0,3-0,4 % per år fram till 2030. Hur kan detta jämföras med andra siffror där ute?
- Den största tillverkaren av traktormotorer, Cummins, anger att motorerna kan uppnå en minskning av bränsleförbrukningen med 9-15 % från 2017, inom tidsramen 2020-2030.
- En motoranalys tillsammans med forskare från West Virginia University (WVU) visar att dieselmotorer för traktorsläpvagnar kan förbättras med över 10 % jämfört med utgångsläget 2017 inom tidsramen 2020 och framåt.
- Arbeten utförda av Southwest Research Institute för NHTSA visar att dieselmotorer för dragbilar kan få en minskad bränsleförbrukning på 4-7 % – och upp till 8-10 % med återvinning av spillvärme – jämfört med utgångsläget 2019 inom tidsramen för fas 2.
- Teamledningar ledda av Cummins, Daimler, Navistar och Volvo har visat att motorerna har förbättrats med 12-17 % från utgångsläget 2010. Dessa team för SuperTruck från det amerikanska DOE uppnår därmed en termisk bromsverkningsgrad på 50 %-51 % i toppförhållanden.
- SuperTruck-programmets uppföljningsmål skulle gå ännu längre, med en termisk bromsverkningsgrad på 55 % i toppförhållanden.
Man kan inte låta bli att undra vad Rudolf Diesel skulle ha tänkt när han fick veta att de senaste dieselinnovationerna kanske skulle kunna fördubbla verkningsgraden hos hans första dieselkonstruktioner?
Figuren nedan illustrerar de befintliga normerna för 2014-2018, de föreslagna normerna för 2017-2027 och den tekniska potentialen från ökad användning av teknik baserad på den ovan nämnda WVU-studien i gram koldioxid per bromstimme. Teknikpotentialen i figuren tyder på att traktormotorer skulle kunna uppnå en förbättring på upp till 7 % genom ökad effektivitetsteknik om WVU-studiernas ”2020+”-motorpaket (dvs. från förbättringar av friktionsreducering, parasitering, turboladdning, efterbehandling, förbränningsoptimering och avancerade kontroller) skulle få genomslag. Denna potential från dessa inkrementella tekniker är ungefär dubbelt så stor som den som myndigheterna inkluderade i den föreslagna regeln för 2027.
Därutöver tar vi hänsyn till ökad penetration av avancerad motorteknik i analysen i figuren. Med större genomslagskraft för den nya tekniken 2020+ och 15 % genomslagskraft för system för återvinning av spillvärme från den organiska Rankine-cykeln (WHR) (enligt myndigheternas antagande) är en förbättring av koldioxidutsläppen i hela flottan på upp till 10 % år 2027 möjlig. Med ett större genomslag för WHR- och U.S. DOE SuperTruck-teknik är den tekniska potentialen ännu högre. Resultaten visar att det är tekniskt möjligt att uppnå betydligt lägre koldioxidutsläpp än de föreslagna standardnivåerna från EPA-NHTSA under 2025. Den slutliga teknikpotentialen för hela fordonsparken skulle rimligen kunna uppfylla effektiviteten i US DOE:s SuperTruck-demonstrationer från 2014-2016 inom tidsramen 2030.
USA:s fas 1 (2014-2017) och föreslagna fas 2 (2018-2030) standarder, teknikpotential, teknikpotential med ökad återvinning av spillvärme (WHR), och U.US DOE SuperTruck-demonstrationer.
Det väntande amerikanska beslutet om motorstandarderna kan vara den enda verkliga åtgärden för att väsentligt förbättra dieselmotorernas effektivitet under de kommande 10-15 åren. Av den anledningen finns det starka argument för att de bör driva på det tekniska ramverket så hårt som möjligt med utgångspunkt i ny teknik för ökad effektivitet. Beslutet har vidare konsekvenser för den globala innovationen, eftersom samma företag säljer samma motorer överallt. Indien överväger också normer för motoreffektivitet för sina tunga motorer. Samma högeffektiva motorer skulle kunna driva dieseldrivna lastbilar i Kina, Europa, Mexiko och på andra platser om dessa regioner följer efter med liknande, allt strängare regler.