上智大学开发氨动力发动机 以实现更清洁、更高效的运输方式

虽然交通运输业见证了向电动汽车的巨大转变，但人们一直在探讨使用氢作为清洁高效的交通燃料。氢动力汽车在燃料燃烧时只排放水，预计碳排放将低于电动汽车。然而，储存和运输氢气需要高压和低温条件，属于能源密集型过程。为了解决这个问题，氨被视为燃料电池或内燃机的潜在氢载体，但氨是一种难以燃烧的燃料，需要与汽油混合才能有效燃烧。

（图片来源：上智大学）

自2019年以来，上智大学（Sophia University）科学技术学院工程与应用科学系的Mitsuhisa Ichiyanagi教授等人致力于设计以氨为独立燃料的发动机。他们重点关注进气口开启条件，以加强发动机气缸内空气与燃料的混合，从而提高燃烧效率。据外媒报道，在2023年12月17日发表在期刊《能源（Energies）》上的一项研究中，研究人员确定了导致发动机气缸内产生旋拧流（swirling flow）的进气口开启条件。

Ichiyanagi教授表示：“气缸内的气流可以影响空气-燃料混合现象，从而对燃烧和排放产生较大的影响。此项研究以只燃烧氨气为目标，主要探讨发动机进气系统和气缸内流动状况之间的关系。”

旋拧流是指进入发动机气缸的空气燃料混合物的涡旋状模式。这能促进空气和燃料更好地混合，从而形成更均匀的混合物，改善燃烧并减少排放。研究人员在带有玻璃气缸和活塞的光学单缸柴油发动机中进行了研究。就进气口而言，发动机使用的是传统的切向和螺旋状进气口。

为了使发动机中的气流可视化，研究人员在进气冲程期间引入直径为4.65 µm的二氧化硅颗粒作为示踪剂，并使用高速CMOS摄像头监测它们在发动机中的移动状况。通过螺旋形端口进入的空气会形成涡流模式，而来自切向端口的空气最初不产生涡流结构，但当被气缸壁改变方向时，最终会产生涡旋结构。

在早期的实验中，研究人员观察到，在不同的螺旋端口开口上气流速度保持相对平稳。因此，在螺旋端口完全打开的情况下，他们将切向端口的开度分别改变为0%、25%、50%、75%和100%，以确定其在进气和压缩冲程期间对进气和缸内流量的影响。

研究人员发现，在压缩冲程的早期阶段，当切向端口的开度大于25%时，可以成功地产生旋流。据观察，进气冲程中湍流动能的低方差，以及压缩冲程中旋涡中心位置的低方差，与旋流的形成有关。这为氨在发动机内的有效燃烧打开了大门。研究人员计划利用这项研究的结果，探讨发动机中氨-汽油混合物或只有氨的燃烧特性。

随着电动汽车的推广，对锂金属的需求也迅速飙升，可能会导致潜在的锂短缺。在这种情况下，氨成为富有前景的替代清洁燃料，然而在实现氨燃料汽车之前还需要克服许多挑战。总体而言，这项研究可能有助于实现当前和未来的脱碳目标。Ichiyanagi教授表示：“开发氨燃料发动机汽车，不仅有望减少发动机的二氧化碳排放，还将为实现氢能社会做出贡献。”