清洁柴油可能实现吗？ 

通过传统方法燃烧柴油产生的一片煤烟，但是在图片右边，通过新方法燃烧的柴油产生的煤烟大幅度减少。（图片来源：Sandia National Laboratories ）

大众汽车公司臭名昭著的“柴油门”排放丑闻在很大程度上支持了“清洁柴油”可能是一种幻想。这家行业领先的汽车制造公司的高管们被指控在排放测试中做手脚，来掩盖其公司中某些型号的发动机会产生的污染物是美国环境保护署允许的标准的40倍这一事实。

柴油机的排放物中包含多种有害污染物，例如氮氧化物和煤烟颗粒。但尽管有这些缺陷，柴油机也不会马上退出市场。因为柴油机的清洁替代品，例如化学电池或者氢燃料电池还没有足够的能力来取代柴油成为全球市场经济中的关键能量来源。柴油机坚固，耐用，省油，而且最关键的，柴油机能提供足够大的扭矩来运输沉重的东西。如今，在高速公路上跑运输的上亿辆的中大型长途货车和世界上绝大多数的火车，轮船，越野车和重型机械也都是使用柴油机驱动的，更不要说许多发电机，家用皮卡和一些欧洲乘用车了。

如果柴油机真的能从根本上使得燃烧变得更加清洁，并且无需额外的开销和需要定期补充的后排气处理系统呢？桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的燃烧科学家Charles Mueller认为他找到了一种方法：在柴油机的燃烧室中放入相当于微型本生灯（高中科学课堂实验中使用的加热器）的装置用于提供更好的燃烧。

当代柴油机

如果要理解Mueller的发明，你需要具备一些关于内燃机工作原理的知识。在汽油机中，电火花点燃气缸中的汽油来推动活塞做功。但是在柴油机中，燃烧并不是由火花激发的。首先，柴油在200兆帕的气缸中被雾化——这是一半于水刀的压力。然后，燃料滴在每秒六百米的速度中散成细菌大小——这大概是协和客机的巡航速度——并与空气混合成为“油气混合（fuel-air charge）”状态。在那之后的一瞬间，活塞挤压油气，产生巨大的压力，从而使燃料自燃。

相比汽油，柴油的燃烧过程具有更高的燃烧效率，但是柴油也会释放有毒的氮氧化物（NOx）。在普通的发动机中，这些有毒的气体通过稀释来将排放讲到最低。这是通过将前一个做工循环产生的含氧量较低的燃烧后气体送回进气口，降低燃料-空气混合物的温度和氧气浓度，从而减少了氮氧化物的产生。但是，这种常见的减少氮氧化物技术会降低燃料-空气混合物的温度，从而使得燃烧不充分，导致部分燃烧的碳颗粒产生。这个难题已经困扰了柴油工程界很长一段时间了，工程师们称之为煤烟-NOx权衡。Paul Miles，桑迪亚的发动机研究项目经理认为：“打破煤烟和氮氧化物之间的平衡在现在柴油发动机工程界中有着最高优先级。”

蓝色燃烧

为了解决这个难题，工程师们必须找到一个能够让柴油充分燃烧的方法来避免产生煤烟，同时要保证相对较低的温度来避免产生过多的氮氧化物。几年前，Mueller意识到解决问题的关键在于点火之前将燃料和空气更彻底的混合，这样可能使油气在更低的温度下燃烧地更加稀薄（燃料的比例更少）。但是如何实现这种混合呢？Mueller想到了具有标志性蓝色火焰的本生灯，其通过一条垂直管到来产生干净的蓝色火焰。

“如果你把这跟管道拧下来然后点燃喷射出来的气体，你将会得到会产生煤烟的，橙色的高火焰。”Muller说到，“如果你将火焰熄灭并把管子拧回去，重新点燃本生灯，你将一个很漂亮的短蓝色火焰。”他解释道这是因为火焰中的黄色是由煤烟颗粒加热到白炽产生的。而蓝色火焰中这些颗粒的含量较少，因为如果管子就位后，本生灯会消耗掉更多的燃料（煤烟部分）。

位于本生灯的管道底部附近的槽是充分燃烧的关键。通过文丘里效应（高速流体会在其周围产生低压区域，从而吸入周围空气），这些槽将空气导入油气流中。在这种情况下，当管道安装上时，文丘里效应可以确保本生灯可以把更多氧气吸入燃料流中，随着更多的氧气混入气流中，本生灯的燃烧也会越充分。

一旦Mueller在这个科学实验室工具和柴油机中建立联系，剩下的就简单明了了。他看到在燃油喷嘴附近装有微小的，和本生灯的管道起同样作用的装置并且让这个装置和燃料流对齐，经过改装的柴油机可以更充分的混合空气和燃料，从而确保均匀，无煤烟的蓝色火焰燃烧。同时这种燃烧能够在相对较低的温度中进行从而降低NOx的产生。

管道燃料喷射

Muller把他的专利称之为管道燃料喷射技术（Ducted Fuel Injection，DFI）。在过去的几年中，他的团队在DFI的研发上得到了美国能源部交通技术办公室的资助。现在，Muller和他的同事们希望利用这项技术来创造出第一台实用化的低煤烟，低氮氧化物排放的柴油机，他认为这种发动机将需要更少或者不需要后排气处理系统。

这引起了汽车行业的注意，福特和卡特彼勒刚刚重新签署了一项已经存在的合作研发协议，根据这项协议，他们将会向桑迪亚国家实验室对于Muller的研究的调查提供协助。同时，近期在日本举办的会议上，丰田的燃烧科学家发表了一篇证实DFI技术对于抑制煤烟的效果的论文。其他的柴油机制造商也开始针对这项看上去简单的发明进行实验。

“我们对于DFI管道在消除煤烟方面的效果感到非常欣喜，惊讶。”佐治亚理工学院机械工程系助理教授Caroline Genzale回忆道，他在研究缸内直喷引擎并且和Muller一起研究这项新技术。在她的实验室中的燃烧室中演示这项新技术后，Genzale和她的同时正在计划观测DFI时如何在微观尺度上工作的。他们计划使用多光谱测速仪来观测细微燃料滴在耐热透明的石英管中的通行状态。佐治亚理工的科研团队还计划使用计算机来模拟其他几种具有不同几何形状的改进型喷雾装备对于燃烧效果的影响。

“桑迪亚的DFI技术时当今科学技术的前沿，”威斯康星大学麦迪逊分校的发动机研究中心前主任，一流的柴油发动机专家Rolf Reitz说道：“这项技术代表了柴油燃烧时自然混合现象的一种代替。”但是Reitz同时也警告因为现有的技术制约和大规模生产的需求，以及苛刻的市场经济，现在的柴油机生产商对于新技术的采用保持抵触态度。“想驱动柴油机行业发展还需要做很多，”他说道。但即使DFI未能成功地应用在商业柴油机上，“这也是一个非常大的进步，这是能让我们来进一步了解柴油机内部的基础混合过程的一种工具。”

Mueller对于这项新技术保持乐观态度，这一部分是因为这项技术不需要更换掉整个引擎。“DFI可以加装在现有的引擎上，”他说。最开始的实用化可能会从“大型，价值百万美金的船用柴油机和火车上的柴油机开始，因为如果使它们电气化会过于昂贵。而这项改装对于运行商是能够承受得起并且能够立即见效的。”

撰文：Steven Ashley

翻译：李晟恺

审校：潘燕婷

引进来源：科学美国人