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[资讯].美国科学家研发出新款柴油发动机可消除50至100的煤烟

发布时间:2022年11月24日    点击:[0]人次

据外媒报道,美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)构思和测试的一项创新发动机技术吸引了很多大企业的注意,因为该款发动机能够以低成本降低煤烟和氮氧化物排放、支持可再生能源的使用、并且保持或提升性能。

(图片来源:桑迪亚国家实验室)

桑迪亚国家实验室燃烧研究机构(Combustion Research Facility)的Charles Mueller研发了管道燃油喷射(Ducted fuel injection)技术,能够微调发动机中燃料-空气混合物,取决于发动机的瞬时速度和功率水平,可消除50%至100%的煤烟。

Mueller表示,发动机制造商都对该款管道燃油喷射发动机“十分感兴趣”,因为其不仅可采用传统的柴油,而且概念简单,可以用低成本的材料进行打造。而且,也可将现有发动机改造成管道燃油喷射发动机,这对于轮船或铁路机车等采用大型发动机的工具来说尤其重要,因为此类发动机成本可能高达100万美元或更高,而且完全电气化的成本太高,改造现有发动机的成本相对便宜,还可以立马带来可观的排放效益。

管道燃油喷射的想法源于本生灯(煤气喷灯)

管道燃油喷射是Mueller受本生灯的启发而构想出来,本生灯是非常常见的工具,几乎所有高中科学教室都会有。

Mueller表示:“如果拧开本生灯的灯管,点燃煤气喷嘴,就会冒出一团又高又黑的橙色火焰;将煤气关掉,重新点燃喷嘴,就会看到灯管末端出现短的、蓝色火焰,即意味着没有煤烟。”

Mueller认为,本生灯的概念可能适用于内燃机,因此,他与小组成员–实习生Christopher Nilsen、博士后Drummond Biles和技术员Nathan Harry开始试验,并且制成了一个装配了4至6根导管或管道的组件,可将燃料混合物从喷油嘴引导至点火点。

Mueller表示,传统柴油发动机喷油嘴产生的局部点火混合物中所含的燃料是完全燃烧所需燃料的2至10倍。当在高温下有多余的燃料,就会产生很多煤烟,而配备管道可以让柴油燃烧中几乎不产生煤烟,因为局部点火混合物中含有较少的多余燃料。

限制产生常见的发动机污染物

由于燃料燃烧的化学性质存在物理限制,一代又一代的发动机都未能消除排放中所含的煤烟。

Mueller解释表示:“煤烟是仅次于二氧化碳,可导致气候变化的化学物质,而且有毒,所以应该尽量减少排放量。过去,一直无法权衡煤烟-氮氧化物的排放量,即当降低煤烟排放时,氮氧化物排放就会上升,反之亦然。”

氮氧化物也是大气污染物,无法权衡两种排放物即意味着如果卡车、汽车和设备制造商不增加废气后处理系统,就无法满足当前的排放限制法。废气后处理系统与火花点火发动机上的催化转化器类似,尺寸大且价格贵。但是,如果能够彻底消除一种此类污染物(如管道燃油喷射发动机消除煤烟),就可以改变一切。

Mueller表示:“现在,我们消除了煤烟排放,就不存在权衡煤烟和氮氧化物排放量的问题,我们只需要增加稀释,取一些发动机废气并将其输送回进气口,就可以在不产生煤烟排放的情况下消除氮氧化物,就可以实现“一石二鸟”的减少污染物排放计划。”

研究人员在实验中观察到,煤烟和氮氧化物排放都大大减少。

采用管道燃油喷射发动机和可再生燃料,可降低卡车运输成本

将煤烟和氮氧化物几乎消除也有可能将可再生燃料的市场打开。

Mueller表示:“管道燃油喷射发动机使用传统燃油燃料的效果很好,不过采用含氧燃料的效果更好,而许多可再生、可持续的燃料都是含氧的。”

管道燃油喷射发动机采用含氧燃料可以降低排放,甚至实现一个更便宜的发动机系统,因为需要的废气后处理系统的数量也更少了。对于一辆现代卡车来说,在车辆整个使用寿命中,后处理系统的原始成本和运营成本约为1.2万美元,考虑到此类车辆的数量之大,对经济的重要性,即使能够降低部分成本也很了不起。

该技术为汽车、替代性燃料市场带来了机遇

最近,福特和一家越野设备制造商都与桑迪亚实验室签署了合作研发协议,以帮助推进该技术。

Mueller很高兴能够与工业伙伴合作,将实验室中的突破转变成量产的发动机。

他表示:“管道燃油喷射技术有望在未来实现性能优越的发动机,既保留传统柴油发动机的所有优点,还能显著降低排放,从而降低发动机系统的成本(无需采用太多的后处理系统)。而且,此种发动机采用当前以及新兴可再生燃料的效果更好。”

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