近年來(lái)，隨著(zhù)全球氣候變暖的加劇以及傳統化石能源易受動(dòng)蕩局勢的影響，清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用大大加快，尤其是新興的氫能。電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料電池是幫助我們實(shí)現這一事業(yè)最突出的技術(shù)之一。但由于成本和緩慢的采用速度，這些技術(shù)尚未顯著(zhù)減少我們的整體排放量。

幸運的是，新南威爾士大學(xué)的研究人員可能剛剛創(chuàng )造了一種近乎完美的橋接技術(shù)，可以輕松地將柴油發(fā)動(dòng)機改造成使用氫作為燃料來(lái)減少碳排放，但是他們是怎么做到的呢?這會(huì )導致碳中和革命嗎?

悉尼新南威爾士大學(xué)的研究人員改裝了一臺柴油發(fā)動(dòng)機，它在氫柴油雙燃料直噴 (H2DDI) 輕型單缸壓燃發(fā)動(dòng)機中實(shí)現了高達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)機效率提高了26%!

燃料的油衍生部分可以很容易地換成生物燃料，只需稍作修改，就可以使得該發(fā)動(dòng)機能夠完全碳中和運行。此外，該發(fā)動(dòng)機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)機或純氫內燃機更好?有三個(gè)原因：氮氧化物排放、效率和供應鏈可靠性。

為什么選擇氫能雙燃料發(fā)動(dòng)機?

首先，氮氧化物。柴油發(fā)動(dòng)機的運行方式與汽油發(fā)動(dòng)機完全不同。它們不是火花觸發(fā)燃燒，而是使用壓縮。當活塞向下拉動(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，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(zhù)它產(chǎn)生的功率要少得多。這是因為氫氣的燃燒速度遠快于柴油燃料，因此在活塞到達氣缸底部之前，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)機內部的高壓和高溫環(huán)境導致氮氣與氧氣反應，產(chǎn)生氮氧化物(也稱(chēng)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)。這導致氫動(dòng)力柴油發(fā)動(dòng)機產(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，導致棲息地喪失。長(cháng)話(huà)短說(shuō)，如果我們要使用生物燃料，我們需要非常謹慎地使用它們，以避免造成生態(tài)和人道主義危機。

氫能雙燃料發(fā)動(dòng)機的工作原理

而雙燃料發(fā)動(dòng)機值得被人稱(chēng)贊的地方就是該研究團隊團隊保留了原有發(fā)動(dòng)機中的柴油噴射裝置，并直接在氣缸中添加了氫燃料噴射，使發(fā)動(dòng)機能以每分鐘 2000 轉的恒定速度運行。

更重要的是，該團隊的努力還找到了擺脫與氫發(fā)動(dòng)機相關(guān)的高氮氧化物 (NO x ) 排放的方法。研究人員沒(méi)有像許多人預想的那樣，將所有氫氣放入發(fā)動(dòng)機并使其充分混合，而是將其分層添加，這樣反而可顯著(zhù)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(zhù)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(zhù)氫存在于發(fā)動(dòng)機的某些部分中，而在其他部分中則較少。

總體而言，雙燃料發(fā)動(dòng)機減少了導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。但研究人員希望改造柴油發(fā)動(dòng)機，以達成更快的普及使用，所以這些發(fā)動(dòng)機的制造方式不同。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。但總體結果非常好，該發(fā)動(dòng)機可以通過(guò)碳中和的方式運行而不會(huì )造成對生態(tài)災難性影響，并且比標準柴油發(fā)動(dòng)機更加清潔。

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)機的優(yōu)勢

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

此外，氫基礎設施應該很容易搭建，只需要很少的成本就可以生產(chǎn)大量的低純度氫氣。但這種氫基礎設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)機的話(huà)這些問(wèn)題就能迎刃而解，因為它可以用更少的能量做更多的事情。氫能雙燃料發(fā)動(dòng)機只需要使用低純度的氫氣就可以正常運行，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)機帶來(lái)的能源效率提高，它應該有一個(gè)相當不錯的整體效率。

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)月內將這種發(fā)動(dòng)機商業(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)和農業(yè)柴油機械轉換為碳中和、超高效和清潔燃燒的雙燃料氫柴油發(fā)動(dòng)機。

結語(yǔ)

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

但至少在理論上，這是將柴油動(dòng)力汽車(chē)快速轉換為碳中和汽車(chē)的絕佳方法。這種橋接技術(shù)可能正是我們在逐步采用電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的同時(shí)抵御氣候變化所需要的。