雖然交通運輸業(yè)見證了向電動汽車的巨大轉(zhuǎn)變，但人們一直在探討使用氫作為清潔高效的交通燃料。氫動力汽車在燃料燃燒時只排放水，預(yù)計碳排放將低于電動汽車。然而，儲存和運輸氫氣需要高壓和低溫條件，屬于能源密集型過程。為了解決這個問題，氨被視為燃料電池或內(nèi)燃機(jī)的潛在氫載體，但氨是一種難以燃燒的燃料，需要與汽油混合才能有效燃燒。

（圖片來源：上智大學(xué)）

自2019年以來，上智大學(xué)（Sophia University）科學(xué)技術(shù)學(xué)院工程與應(yīng)用科學(xué)系的Mitsuhisa Ichiyanagi教授等人致力于設(shè)計以氨為獨立燃料的發(fā)動機(jī)。他們重點關(guān)注進(jìn)氣口開啟條件，以加強發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)空氣與燃料的混合，從而提高燃燒效率。據(jù)外媒報道，在2023年12月17日發(fā)表在期刊《能源（Energies）》上的一項研究中，研究人員確定了導(dǎo)致發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)產(chǎn)生旋擰流（swirling flow）的進(jìn)氣口開啟條件。

Ichiyanagi教授表示：“氣缸內(nèi)的氣流可以影響空氣-燃料混合現(xiàn)象，從而對燃燒和排放產(chǎn)生較大的影響。此項研究以只燃燒氨氣為目標(biāo)，主要探討發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)和氣缸內(nèi)流動狀況之間的關(guān)系。”

旋擰流是指進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸的空氣燃料混合物的渦旋狀模式。這能促進(jìn)空氣和燃料更好地混合，從而形成更均勻的混合物，改善燃燒并減少排放。研究人員在帶有玻璃氣缸和活塞的光學(xué)單缸柴油發(fā)動機(jī)中進(jìn)行了研究。就進(jìn)氣口而言，發(fā)動機(jī)使用的是傳統(tǒng)的切向和螺旋狀進(jìn)氣口。

為了使發(fā)動機(jī)中的氣流可視化，研究人員在進(jìn)氣沖程期間引入直徑為4.65 µm的二氧化硅顆粒作為示蹤劑，并使用高速CMOS攝像頭監(jiān)測它們在發(fā)動機(jī)中的移動狀況。通過螺旋形端口進(jìn)入的空氣會形成渦流模式，而來自切向端口的空氣最初不產(chǎn)生渦流結(jié)構(gòu)，但當(dāng)被氣缸壁改變方向時，最終會產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)。

在早期的實驗中，研究人員觀察到，在不同的螺旋端口開口上氣流速度保持相對平穩(wěn)。因此，在螺旋端口完全打開的情況下，他們將切向端口的開度分別改變?yōu)?%、25%、50%、75%和100%，以確定其在進(jìn)氣和壓縮沖程期間對進(jìn)氣和缸內(nèi)流量的影響。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在壓縮沖程的早期階段，當(dāng)切向端口的開度大于25%時，可以成功地產(chǎn)生旋流。據(jù)觀察，進(jìn)氣沖程中湍流動能的低方差，以及壓縮沖程中旋渦中心位置的低方差，與旋流的形成有關(guān)。這為氨在發(fā)動機(jī)內(nèi)的有效燃燒打開了大門。研究人員計劃利用這項研究的結(jié)果，探討發(fā)動機(jī)中氨-汽油混合物或只有氨的燃燒特性。

隨著電動汽車的推廣，對鋰金屬的需求也迅速飆升，可能會導(dǎo)致潛在的鋰短缺。在這種情況下，氨成為富有前景的替代清潔燃料，然而在實現(xiàn)氨燃料汽車之前還需要克服許多挑戰(zhàn)。總體而言，這項研究可能有助于實現(xiàn)當(dāng)前和未來的脫碳目標(biāo)。Ichiyanagi教授表示：“開發(fā)氨燃料發(fā)動機(jī)汽車，不僅有望減少發(fā)動機(jī)的二氧化碳排放，還將為實現(xiàn)氫能社會做出貢獻(xiàn)。”