雖然交通運輸業(yè)見證了向電動汽車的巨大轉變，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）

自2019年以來，上智大學（Sophia University）科學技術學院工程與應用科學系的Mitsuhisa Ichiyanagi教授等人致力于設計以氨為獨立燃料的發(fā)動機。他們重點關注進氣口開啟條件，以加強發(fā)動機氣缸內(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，研究人員確定了導致發(fā)動機氣缸內(nèi)產(chǎn)生旋擰流（swirling flow）的進氣口開啟條件。

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，主要探討發(fā)動機進氣系統(tǒng)和氣缸內(nèi)流動狀況之間的關系�！�

旋擰流是指進入發(fā)動機氣缸的空氣燃料混合物的渦旋狀模式。這能促進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單缸柴油發(fā)動機中進行了研究。就進氣口而言，發(fā)動機使用的是傳統(tǒng)的切向和螺旋狀進氣口。

為了使發(fā)動機中的氣流可視化，研究人員在進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)動機中的移動狀況。通過螺旋形端口進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)生渦流結構，但當被氣缸壁改變方向時，最終會產(chǎn)生渦旋結構。

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%，以確定其在進氣和壓縮沖程期間對進氣和缸內(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。這為氨在發(fā)動機內(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果，探討發(fā)動機中氨-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)�？傮w而言，這項研究可能有助于實現(xiàn)當前和未來的脫碳目標。Ichiyanagi教授表示：“開發(fā)氨燃料發(fā)動機汽車，不僅有望減少發(fā)動機的二氧化碳排放，還將為實現(xiàn)氫能社會做出貢獻。”