運(yùn)輸脫碳最清潔的方式是什么？

悉尼新南威爾士大學(xué)的研究人員改裝了一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，它在氫柴油雙燃料直噴 (H2DDI) 輕型單缸壓燃發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 90% 的氫能占比，減少了 85% 的排放量，每千瓦時(shí)僅 90 克，并將發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高了 26%！

燃料的油衍生部分可以很容易地?fù)Q成生物燃料，只需稍作修改，就可以使得該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠完全碳中和運(yùn)行。此外，該發(fā)動(dòng)機(jī)并不必須使用高純度氫氣，也可以使用更便宜、更容易生產(chǎn)的低純度氫氣。

但是這個(gè)引擎是如何工作的呢？為什么它比純生物柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或純氫內(nèi)燃機(jī)更好？有三個(gè)原因：氮氧化物排放、效率和供應(yīng)鏈可靠性。

為什么選擇氫能雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)？

首先，氮氧化物。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)完全不同。它們不是火花觸發(fā)燃燒，而是使用壓縮。當(dāng)活塞向下拉動(dòng)時(shí)，它會(huì)吸入空氣和汽化柴油，然后在氣缸中混合在一起。當(dāng)活塞上升時(shí)，它會(huì)壓縮這種氣體，從而加熱它?；钊麑⑵鋲嚎s的壓力可以將其加熱到足以燃燒，從而將活塞推回原位。

氫氣可用于相同的壓縮點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)，但它有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)。首先，它的效率不是很高，這意味著它產(chǎn)生的功率要少得多。這是因?yàn)闅錃獾娜紵俣冗h(yuǎn)快于柴油燃料，因此在活塞到達(dá)氣缸底部之前，氫氣就已經(jīng)燃燒殆盡了。這減少了施加在氣缸上的力，從而降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

其次，空氣和氫氣的均勻混合物會(huì)產(chǎn)生比柴油更多的氮氧化物排放。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的高壓和高溫環(huán)境導(dǎo)致氮?dú)馀c氧氣反應(yīng)，產(chǎn)生氮氧化物（也稱為 NOx）。然后這些排放物被云層吸收并產(chǎn)生酸雨，從而造成巨大的環(huán)境破壞。但是由于氫氣燃燒得更快，它最終會(huì)在比普通柴油更高的壓力下燃燒（因此溫度也高得多）。這導(dǎo)致氫動(dòng)力柴油發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更高水平的氮氧化物。

那么為什么不是純粹的生物柴油呢？生物燃料有一個(gè)重大問(wèn)題。它們奪走了我們的食物供應(yīng)，導(dǎo)致棲息地喪失。長(zhǎng)話短說(shuō)，如果我們要使用生物燃料，我們需要非常謹(jǐn)慎地使用它們，以避免造成生態(tài)和人道主義危機(jī)。

氫能雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

而雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)值得被人稱贊的地方就是該研究團(tuán)隊(duì)保留了原有發(fā)動(dòng)機(jī)中的柴油噴射裝置，并直接在氣缸中添加了氫燃料噴射，使發(fā)動(dòng)機(jī)能以每分鐘 2000 轉(zhuǎn)的恒定速度運(yùn)行。

更重要的是，該團(tuán)隊(duì)的努力還找到了擺脫與氫發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的高氮氧化物 (NO x) 排放的方法。研究人員沒有像許多人預(yù)想的那樣，將所有氫氣放入發(fā)動(dòng)機(jī)并使其充分混合，而是將其分層添加，這樣反而可顯著減少 NO x 的排放。

通過(guò)這種方式可以減慢氫氣的火焰速度，也意味著氫氣可以在活塞上產(chǎn)生更大的力并在低得多的壓力下燃燒。此外，也可以通過(guò)這一點(diǎn)在理想的時(shí)間（即氣缸循環(huán)的后期）將氫氣定時(shí)注入，這意味著氫存在于發(fā)動(dòng)機(jī)的某些部分中，而在其他部分中則較少。

總體而言，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)減少了導(dǎo)致酸雨和空氣污染的氮氧化物排放。

從理論上講可以制造出以這種方式使用氫氣作為唯一燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。但研究人員希望改造柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，以達(dá)成更快的普及使用，所以這些發(fā)動(dòng)機(jī)的制造方式不同。因此，他們仍然需要使用 10% 的柴油來(lái)保持氣缸正確點(diǎn)火。但總體結(jié)果非常好，該發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)碳中和的方式運(yùn)行而不會(huì)造成對(duì)生態(tài)災(zāi)難性影響，并且比標(biāo)準(zhǔn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)更加清潔。

這就是這個(gè)令人難以置信的引擎的工作原理。

氫能雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)

這個(gè)系統(tǒng)可以很容易地改裝到任何柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上。因此，從拖拉機(jī)到采礦鉆機(jī)、卡車甚至火車，一切都可以以非常低的成本快速切換到該系統(tǒng)。這項(xiàng)技術(shù)可能是使這些關(guān)鍵車輛實(shí)現(xiàn)碳中和的最快捷的方法。

此外，氫基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該很容易搭建，只需要很少的成本就可以生產(chǎn)大量的低純度氫氣。但這種氫基礎(chǔ)設(shè)施也可能出人意料地高效。氫燃料電池技術(shù)（使用氫氣發(fā)電，唯一的副產(chǎn)品是水）的重要問(wèn)題之一是其整體效率。

為電解機(jī)提供動(dòng)力，然后將氫氣精煉到足夠高的純度是非常耗能且效率低下的。但使用氫能雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的話這些問(wèn)題就能迎刃而解，因?yàn)樗梢杂酶俚哪芰孔龈嗟氖虑椤?strong>氫能雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)只需要使用低純度的氫氣就可以正常運(yùn)行，可以使用更少的能量來(lái)產(chǎn)生相同的功率。再加上這種雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)的能源效率提高，它應(yīng)該有一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的整體效率。

考慮到所有這些，難怪這些研究人員希望在未來(lái) 12-24 個(gè)月內(nèi)將這種發(fā)動(dòng)機(jī)商業(yè)化。在一年左右的時(shí)間里，世界各地的人們可能會(huì)將他們的商業(yè)和農(nóng)業(yè)柴油機(jī)械轉(zhuǎn)換為碳中和、超高效和清潔燃燒的雙燃料氫柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)際進(jìn)行這些轉(zhuǎn)換的后勤工作將很困難。畢竟，并非所有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的制造方式都相同，因此他們可能不得不一次將精力集中在一種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)上。

但至少在理論上，這是將柴油動(dòng)力汽車快速轉(zhuǎn)換為碳中和汽車的絕佳方法。這種橋接技術(shù)可能正是我們?cè)谥鸩讲捎秒妱?dòng)汽車技術(shù)的同時(shí)抵御氣候變化所需要的。

本文來(lái)自微信公眾號(hào)：出新研究 （ID：chuxinyanjiu），作者：唐詩(shī)，編譯：唐詩(shī)

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