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突破性的双燃料氢发动机可能引发一场革命

出新研究 2022/11/1 19:48:32 责编:远生

运输脱碳最清洁的方式是什么?

近年来,随着全球气候变暖的加剧以及传统化石能源易受动荡局势的影响,清洁能源的开发和利用大大加快,尤其是新兴的氢能。电动汽车和氢燃料电池是帮助我们实现这一事业最突出的技术之一。但由于成本和缓慢的采用速度,这些技术尚未显着减少我们的整体排放量。

幸运的是,新南威尔士大学的研究人员可能刚刚创造了一种近乎完美的桥接技术,可以轻松地将柴油发动机改造成使用氢作为燃料来减少碳排放,但是他们是怎么做到的呢?这会导致碳中和革命吗?

悉尼新南威尔士大学的研究人员改装了一台柴油发动机,它在氢柴油双燃料直喷 (H2DDI) 轻型单缸压燃发动机中实现了高达 90% 的氢能占比,减少了 85% 的排放量,每千瓦时仅 90 克,并将发动机效率提高了 26%!

燃料的油衍生部分可以很容易地换成生物燃料,只需稍作修改,就可以使得该发动机能够完全碳中和运行。此外,该发动机并不必须使用高纯度氢气,也可以使用更便宜、更容易生产的低纯度氢气

但是这个引擎是如何工作的呢?为什么它比纯生物柴油发动机或纯氢内燃机更好?有三个原因:氮氧化物排放、效率和供应链可靠性

为什么选择氢能双燃料发动机?

首先,氮氧化物。柴油发动机的运行方式与汽油发动机完全不同。它们不是火花触发燃烧,而是使用压缩。当活塞向下拉动时,它会吸入空气和汽化柴油,然后在气缸中混合在一起。当活塞上升时,它会压缩这种气体,从而加热它。活塞将其压缩的压力可以将其加热到足以燃烧,从而将活塞推回原位。

氢气可用于相同的压缩点火式发动机,但它有两个明显的缺点。首先,它的效率不是很高,这意味着它产生的功率要少得多。这是因为氢气的燃烧速度远快于柴油燃料,因此在活塞到达气缸底部之前,氢气就已经燃烧殆尽了。这减少了施加在气缸上的力,从而降低了发动机的功率。

其次,空气和氢气的均匀混合物会产生比柴油更多的氮氧化物排放。柴油发动机内部的高压和高温环境导致氮气与氧气反应,产生氮氧化物(也称为 NOx)。然后这些排放物被云层吸收并产生酸雨,从而造成巨大的环境破坏。但是由于氢气燃烧得更快,它最终会在比普通柴油更高的压力下燃烧(因此温度也高得多)。这导致氢动力柴油发动机产生更高水平的氮氧化物。

那么为什么不是纯粹的生物柴油呢?生物燃料有一个重大问题。它们夺走了我们的食物供应,导致栖息地丧失。长话短说,如果我们要使用生物燃料,我们需要非常谨慎地使用它们,以避免造成生态和人道主义危机。

氢能双燃料发动机的工作原理

而双燃料发动机值得被人称赞的地方就是该研究团队保留了原有发动机中的柴油喷射装置,并直接在气缸中添加了氢燃料喷射,使发动机能以每分钟 2000 转的恒定速度运行。

更重要的是,该团队的努力还找到了摆脱与氢发动机相关的高氮氧化物 (NO x) 排放的方法。研究人员没有像许多人预想的那样,将所有氢气放入发动机并使其充分混合,而是将其分层添加,这样反而可显著减少 NO x 的排放。

通过这种方式可以减慢氢气的火焰速度,也意味着氢气可以在活塞上产生更大的力并在低得多的压力下燃烧。此外,也可以通过这一点在理想的时间(即气缸循环的后期)将氢气定时注入,这意味着氢存在于发动机的某些部分中,而在其他部分中则较少。

总体而言,双燃料发动机减少了导致酸雨和空气污染的氮氧化物排放

从理论上讲可以制造出以这种方式使用氢气作为唯一燃料的发动机。但研究人员希望改造柴油发动机,以达成更快的普及使用,所以这些发动机的制造方式不同。因此,他们仍然需要使用 10% 的柴油来保持气缸正确点火。但总体结果非常好,该发动机可以通过碳中和的方式运行而不会造成对生态灾难性影响,并且比标准柴油发动机更加清洁。

这就是这个令人难以置信的引擎的工作原理。

氢能双燃料发动机的优势

这个系统可以很容易地改装到任何柴油发动机上。因此,从拖拉机到采矿钻机、卡车甚至火车,一切都可以以非常低的成本快速切换到该系统。这项技术可能是使这些关键车辆实现碳中和的最快捷的方法。

此外,氢基础设施应该很容易搭建,只需要很少的成本就可以生产大量的低纯度氢气。但这种氢基础设施也可能出人意料地高效。氢燃料电池技术(使用氢气发电,唯一的副产品是水)的重要问题之一是其整体效率。

为电解机提供动力,然后将氢气精炼到足够高的纯度是非常耗能且效率低下的。但使用氢能双燃料发动机的话这些问题就能迎刃而解,因为它可以用更少的能量做更多的事情。氢能双燃料发动机只需要使用低纯度的氢气就可以正常运行,可以使用更少的能量来产生相同的功率。再加上这种双燃料发动机带来的能源效率提高,它应该有一个相当不错的整体效率。

考虑到所有这些,难怪这些研究人员希望在未来 12-24 个月内将这种发动机商业化。在一年左右的时间里,世界各地的人们可能会将他们的商业和农业柴油机械转换为碳中和、超高效和清洁燃烧的双燃料氢柴油发动机。

结语

实际进行这些转换的后勤工作将很困难。毕竟,并非所有柴油发动机的制造方式都相同,因此他们可能不得不一次将精力集中在一种型号的发动机上

但至少在理论上,这是将柴油动力汽车快速转换为碳中和汽车的绝佳方法。这种桥接技术可能正是我们在逐步采用电动汽车技术的同时抵御气候变化所需要的。

本文来自微信公众号:出新研究 (ID:chuxinyanjiu),作者:唐诗,编译:唐诗

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关键词:发动机

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