大眾汽車臭名昭著的“柴油門”排放醜聞在很大程度上證實了“清潔柴油”可能是一種幻想的說法。這家世界領先汽車製造商之一的高管被指控在尾氣排放測試中作弊，以掩蓋某些型號的柴油發動機排放的汙染物高達美國環境保護署標準允許量的40倍。
柴油發動機尾氣含有多種有害汙染物，如氮氧化物 (NOx) 和煙塵顆粒。但儘管存在這些汙垢，柴油在短期內不會消失。例如，基於電化學電池和氫燃料電池的綠色替代品，目前還沒有足夠的能量來取代柴油在全球經濟中的關鍵動力來源地位。柴油發動機堅固耐用、燃油效率高，並且至關重要的是，可以提供移動大型物體所需的大扭矩。如今高速公路上數億輛中大型長途卡車中的大多數都使用柴油——世界上大多數火車、輪船、越野車輛和重型機械也是如此，更不用說許多發電機、家用皮卡和歐洲乘用車了。
如果柴油發動機真的可以從燃料燃燒開始就從根本上變得更清潔，而無需額外花費成本和麻煩去安裝需要定期加註的尾氣後處理系統，那會怎麼樣？桑迪亞國家實驗室的燃燒科學家查爾斯·穆勒認為他已經找到了一種方法：將一個微型版的本生燈——高中科學課堂上學生熟悉的實驗室加熱器——放置在柴油燃燒室中，以促進更好的燃燒。
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現在的柴油發動機
要理解穆勒的發明，需要了解內燃機的工作原理。在汽油發動機中，一個電火花塞點燃氣缸中的燃料以推動活塞。但是柴油發動機可以在沒有火花的情況下產生點火。首先，噴油器以高達 200 兆帕的壓力（大約是水刀切割機產生壓力的一半）將柴油噴入氣缸。在那裡，噴出的燃料液滴分解成細菌大小，以每秒 600 米的速度（大約是超音速協和式客機的巡航速度）行進，並與空氣混合形成“油氣混合氣”。緊隨其後，一個下降的活塞擠壓混合氣以產生高壓，從而產生熱量，導致燃料自燃。
柴油燃燒過程比汽油燃燒過程提供更高的能量效率，但也釋放有毒的 NOx 排放物。在典型的柴油發動機中，這些排放物透過一種稱為稀釋的技術來最小化，其中來自先前發動機迴圈的廢舊、低氧燃燒氣體被導回進氣口。此過程降低了油氣混合氣中的溫度和氧氣濃度，從而減少了氮氧化物的產生。但在以這種常見的 NOx 減排策略為特徵的較低溫度下，並非所有燃料都被消耗掉。剩下的物質總是會產生更多的部分燃燒碳顆粒——俗稱煙塵。這種長期存在的柴油工程困境被稱為煙塵-NOx 權衡。“打破煙塵和氮氧化物之間的權衡是柴油發動機開發的首要研究領域，”桑迪亞發動機研究專案經理保羅·邁爾斯說。
圖片來源：喬治·雷特塞克
藍色火焰燃燒
為了繞過這個難題，工程師們必須找到一種方法來充分燃燒柴油燃料——從而避免產生煙塵——同時保持低溫以避免過多的氮氧化物。幾年前，穆勒意識到，在點火前更充分地將燃料與空氣預混合可能是解決問題的關鍵，這可能允許混合氣在較低溫度下更稀薄地燃燒（意味著燃料較少）。但是，如何實現這種混合呢？標誌性的本生燈及其產生清潔藍色火焰的垂直管，浮現在腦海。
“如果你擰下管子並點燃氣體噴嘴，你會得到一個高高的、多煙塵的橙色火焰，”穆勒說。“但是關掉氣體，把管子擰回去，重新點燃燃燒器，你就會得到一個漂亮、短促的藍色火焰。”他解釋說，橙色火焰是由加熱到白熾狀態的煙塵顆粒著色的。相比之下，藍色火焰的這些顆粒較少，因為當管子就位時，燃燒器消耗了更多的燃料。
本生燈之所以能夠更充分地燃燒，歸功於管子底部附近的槽。它們透過文丘裡效應將空氣吸入氣態燃料流：高速流體流動在其周圍產生低壓區域，吸入附近的空氣。在這種情況下，文丘裡效應確保本生燈在其管子就位時將更多的氧氣吸入燃料流中。並且隨著更多氧氣混合到氣體流中，更多的燃料將被完全燃燒。
一旦穆勒將科學實驗室工具與柴油發動機聯絡起來，剩下的事情就相對簡單了。他看到，透過為柴油噴油器配備微型本生燈煙囪等效物——安裝在噴油器噴嘴孔附近並與燃料流對齊的小金屬管——燃料和空氣可以更充分地預混合，從而實現均勻、無煙塵的藍色火焰燃燒。並且它可以在反 NOx 稀釋所需的較低溫度下發生。
管道式燃料噴射
穆勒稱他的專利技術為管道式燃料噴射，或 DFI。在過去的幾年裡，他的團隊的 DFI 研究一直由美國能源部車輛技術辦公室資助。現在，穆勒和他的同事希望利用他的概念，嘗試製造出首批實用的低煙塵、低 NOx 柴油發動機，他說，這將需要更少或不需要尾氣後處理。
汽車行業已經注意到這一點。福特和卡特彼勒剛剛重新簽署了一項現有的合作研發協議，他們據此為桑迪亞對穆勒發明的調查提供支援。與此同時，在最近在日本舉行的一次會議上，豐田汽車的燃燒科學家發表了一篇研究論文，證實 DFI 技術可以抑制煙塵。據報道，其他柴油發動機製造商也在嘗試這項看似簡單的創新。
“我們很高興看到 DFI 管道在消除煙塵方面的效果如此顯著，”佐治亞理工學院機械工程副教授卡羅琳·根扎勒回憶說，她研究直噴發動機中的燃燒，並與穆勒合作開發這項新技術。在她的實驗室的燃燒室中演示了微型管的效果後，根扎勒和她的同事現在計劃觀察 DFI 在微觀尺度上的工作原理。他們計劃使用新型多光譜速度槍放大耐熱透明石英管，該速度槍可以跟蹤微小燃料液滴的超短程通道。佐治亞理工學院小組還使用計算機模擬了具有不同幾何形狀的其他噴霧修改裝置的燃燒效果。
“桑迪亞的 DFI 技術處於新思想的前沿，”威斯康星大學麥迪遜分校發動機研究中心前主任、領先的柴油專家羅爾夫·雷茨說。“它代表了柴油燃燒中自然混合現象的替代方案。”但雷茨也警告說，由於固有的技術和批次生產挑戰，以及緊張的市場經濟，柴油發動機製造商出了名的不願意採用新技術。“推動柴油行業需要付出很多努力，”他說。但即使 DFI 確實未能進入商用發動機，雷茨繼續說道，“這也是朝著理解基本混合過程邁出的真正一步，一種工具。”
穆勒對這項新技術持樂觀態度，尤其因為它不需要安裝全新的發動機。“DFI 可以改裝到現有發動機上，”他說。最初的應用之一可能是“船舶和機車中價值數百萬美元的大型發動機，在這些發動機中，轉換為電力動力成本過高。改裝將是負擔得起的，並且可以立即帶來好處。”