上智大學開發氨動力發動機 以實現更清潔、更高效的運輸方式

雖然交通運輸業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動機。他們重點關注進氣口開啟條件，以加強發動機氣缸內空氣與燃料的混合，從而提高燃燒效率。據外媒報道，在2023年12月17日發表在期刊《能源（Energies）》上的一項研究中，研究人員確定了導致發動機氣缸內產生旋擰流（swirling flow）的進氣口開啟條件。

Ichiyanagi教授表示：“氣缸內的氣流可以影響空氣-燃料混合現象，從而對燃燒和排放產生較大的影響。此項研究以只燃燒氨氣為目標，主要探討發動機進氣系統和氣缸內流動狀況之間的關系�！�

旋擰流是指進入發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動機中進行了研究。就進氣口而言，發動機使用的是傳統的切向和螺旋狀進氣口。

為了使發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攝像頭監測它們在發動機中的移動狀況。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生渦流結構，但當被氣缸壁改變方向時，最終會產生渦旋結構。

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。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為0%、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流量的影響。

研究人員發現，在壓縮沖程的早期階段，當切向端口的開度大于25%時，可以成功地產生旋流。據觀察，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。這為氨在發動機內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，然而在實現氨燃料汽車之前還需要克服許多挑戰�？傮w而言，這項研究可能有助于實現當前和未來的脫碳目標。Ichiyanagi教授表示：“開發氨燃料發動機汽車，不僅有望減少發動機的二氧化碳排放，還將為實現氫能社會做出貢獻。”