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​柴油发动机将变天:美国桑迪亚国家实验室研究通过管道喷射系统来彻底改变柴油发动机的排放

原创 2019-11-18 14:41 Pengli 来源:中国叉车网-中叉网

(图片来自Sandia)

(桑迪亚国家实验室的研究人员:从左至右分别是内森·哈里(Nathan Harry),克里斯托弗·尼尔森(Christopher Nilsen),德拉蒙德·比勒斯(Drummond Biles)和查尔斯·穆勒(Charles Mueller)共同展示了管道燃料喷射模块的原型)

中国叉车网(www.chinaforklift.com)新闻中心援引外媒的消息说,位于加利福尼亚州利弗莫尔市的美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)之研究人员,首次测试其创新的发动机技术,来减低成本并减少烟尘和氮氧化物的排放,该技术显示,可以使用可再生燃料以及维持或改进的潜力而备受大型企业的关注。

Charles Mueller和他们的合作伙伴在桑迪亚国家实验室开发的管道式燃油喷射系统,该系统能够根据发动机的瞬时转速和功率水平对发动机中的燃料空气混合物进行微调,以消除50%~100%的烟灰。

Mueller说,发动机制造商对管道燃料喷射“开始表现出兴奋”。它不仅可与常规柴油一起很好地工作,而且在概念上很简单,并且可以用低成本的材料制成。可以想象,已经过时的燃油喷射也可以改装到现有发动机上。这对于大型发动机尤其重要,例如轮船或机车中的大型发动机,这些发动机的价格可能高达一百万美元或更多,并且完全电气化的成本很高。改造可能相对便宜,并且可以立即提供可观的排放效益。

Mueller的管道喷油系统的灵感来自本生灯,这在美国几乎所有高中科学教室都可以找到。

Mueller说:“如果拧松本生灯上的灯管并点燃燃气喷嘴,则会得到烟熏的橙色烟尘。关闭燃气,重新拧紧管子,然后重新点燃燃烧器。现在,您可以在试管末端得到一个不错的短蓝色火焰。火焰是蓝色的,因为没有烟灰。”

Mueller认为这个概念可能适用于内燃机,因此他和他的团队开始进行实验,现在已经组装了4到6个小管子或管道—将燃油混合物从喷油器引到点火点。传统柴油发动机中的喷油嘴会产生局部着火混合物,其所含燃料比完全燃烧所需的燃料多2至10倍。当高温下有过量燃料时,往往会产生大量烟灰。安装管道可以使我们实现几乎不形成烟灰的柴油燃烧,这是因为本地点火混合物所含的过量燃料更少。这样,可以限制通用发动机污染物的形成。然而,在去过近100年中,发动机的设计未能将烟尘从排放中消除,那是因为燃料在燃烧化学过程中存在物理限制。

Mueller解释说,烟灰是仅次于二氧化碳,是第二种化学物质,它是导致气候变化的化学物质,并且有毒,因此应将其排放量降至最低。在过去,一直是这个问题称为灰粒氮氧化物。那就是:当你做些降低烟灰的事情时,氮氧化物或NOx的排放会增加,反之亦然。氮氧化物也是大气污染物,意味着卡车,汽车和设备制造商如果不增加废气后处理系统,将无法达到当前的法定限制。这些系统类似于火花点火发动机上的催化转化器,尽管它更大而且更昂贵。但是,几乎完全清除其中一种污染物就好了-就像通过管道喷射燃料处理烟灰一样-穆勒说,您已经改变了游戏规则。现在,我们已经有了烟灰输出的方式,有没有更多的煤烟及氮氧化物排放控制,因此,我们可以增加稀释度-吸收一些发动机排气并将其路由回进气口-以消除氮氧化物,而不会产生烟尘排放。

在发动机实验中,他的团队观察到了烟尘和氮氧化物的同时数量级减少。这为降低柴油发动机的排放量提供了一条途径,解决了这一高效技术长期存在的问题。通过管道喷射燃料使用含氧燃料可以降低排放,足以使发动机系统的成本降低,因为需要更少的排气后处理。而在现代的公路卡车上,尾气排放的后处理在车辆的整个使用寿命期间的初始和运营成本约为12,000美元。如果采用新系统,考虑到这些车辆的数量众多,以及它们对经济的重要性,减少这些成本,意义重大。

桑迪亚国家实验室发动机研究计划经理保罗·迈尔斯(Paul Miles)表示,导管式燃油喷射的潜在影响不可低估。他认为,管道喷射系统打破烟尘和氮氧化物之间的折衷是柴油发动机开发中最优先考虑的研究领域。这是政府支持的研究中最关键的一个例证-识别并展示创新的高风险技术的潜力,以重塑行业,运输业,基础设施和社会的格局,然后与商业伙伴一起共同努力,将技术推向市场。

据悉,福特和一家越野设备制造商最近与桑迪亚国家实验室签署了一项合作研发协议,以帮助推动该技术的发展。

Mueller很高兴与行业合作伙伴合作,将这一突破性的创新从实验室转移到生产引擎。他认为管道喷射系统有望为社会带来未来明显的优质发动机,既保留常规柴油发动机的所有理想特性,同时还可以显著的排放降低,从而降低了发动机系统的成本,因为您无需使用过多的后处理设备。而且,它可以与当前和新兴的可再生燃料一起使用,为打开可再生燃料的市场带来了无限的商机。

这项研究是由美国能源部能源,美国效率和可再生能源办公室通过美国车辆技术和生物能源技术办公室共同赞助的燃料和发动机协同优化计划的一部分。

关于:美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)

桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)是由桑迪亚(Sandia LLC)的国家技术和工程解决方案公司(National Technology and Engineering Solutions)运营的多任务实验室,该公司是霍尼韦尔国际公司(Honeywell International Inc.)的全资子公司,隶属于美国能源部的国家核安全局。桑迪亚实验室(Sandia Labs)在核威慑,全球安全,国防,能源技术和经济竞争力方面负有主要研发责任,其主要设施位于新墨西哥州的阿尔伯克基和加利福尼亚的利佛摩。

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