大众汽车臭名昭著的“柴油门”排放丑闻在很大程度上证实了“清洁柴油”可能是一种幻想的说法。这家世界领先汽车制造商之一的高管被指控在尾气排放测试中作弊，以掩盖某些型号的柴油发动机排放的污染物高达美国环境保护署标准允许量的40倍。
柴油发动机尾气含有多种有害污染物，如氮氧化物 (NOx) 和烟尘颗粒。但尽管存在这些污垢，柴油在短期内不会消失。例如，基于电化学电池和氢燃料电池的绿色替代品，目前还没有足够的能量来取代柴油在全球经济中的关键动力来源地位。柴油发动机坚固耐用、燃油效率高，并且至关重要的是，可以提供移动大型物体所需的大扭矩。如今高速公路上数亿辆中大型长途卡车中的大多数都使用柴油——世界上大多数火车、轮船、越野车辆和重型机械也是如此，更不用说许多发电机、家用皮卡和欧洲乘用车了。
如果柴油发动机真的可以从燃料燃烧开始就从根本上变得更清洁，而无需额外花费成本和麻烦去安装需要定期加注的尾气后处理系统，那会怎么样？桑迪亚国家实验室的燃烧科学家查尔斯·穆勒认为他已经找到了一种方法：将一个微型版的本生灯——高中科学课堂上学生熟悉的实验室加热器——放置在柴油燃烧室中，以促进更好的燃烧。
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现在的柴油发动机
要理解穆勒的发明，需要了解内燃机的工作原理。在汽油发动机中，一个电火花塞点燃气缸中的燃料以推动活塞。但是柴油发动机可以在没有火花的情况下产生点火。首先，喷油器以高达 200 兆帕的压力（大约是水刀切割机产生压力的一半）将柴油喷入气缸。在那里，喷出的燃料液滴分解成细菌大小，以每秒 600 米的速度（大约是超音速协和式客机的巡航速度）行进，并与空气混合形成“油气混合气”。紧随其后，一个下降的活塞挤压混合气以产生高压，从而产生热量，导致燃料自燃。
柴油燃烧过程比汽油燃烧过程提供更高的能量效率，但也释放有毒的 NOx 排放物。在典型的柴油发动机中，这些排放物通过一种称为稀释的技术来最小化，其中来自先前发动机循环的废旧、低氧燃烧气体被导回进气口。此过程降低了油气混合气中的温度和氧气浓度，从而减少了氮氧化物的产生。但在以这种常见的 NOx 减排策略为特征的较低温度下，并非所有燃料都被消耗掉。剩下的物质总是会产生更多的部分燃烧碳颗粒——俗称烟尘。这种长期存在的柴油工程困境被称为烟尘-NOx 权衡。“打破烟尘和氮氧化物之间的权衡是柴油发动机开发的首要研究领域，”桑迪亚发动机研究项目经理保罗·迈尔斯说。
图片来源：乔治·雷特塞克
蓝色火焰燃烧
为了绕过这个难题，工程师们必须找到一种方法来充分燃烧柴油燃料——从而避免产生烟尘——同时保持低温以避免过多的氮氧化物。几年前，穆勒意识到，在点火前更充分地将燃料与空气预混合可能是解决问题的关键，这可能允许混合气在较低温度下更稀薄地燃烧（意味着燃料较少）。但是，如何实现这种混合呢？标志性的本生灯及其产生清洁蓝色火焰的垂直管，浮现在脑海。
“如果你拧下管子并点燃气体喷嘴，你会得到一个高高的、多烟尘的橙色火焰，”穆勒说。“但是关掉气体，把管子拧回去，重新点燃燃烧器，你就会得到一个漂亮、短促的蓝色火焰。”他解释说，橙色火焰是由加热到白炽状态的烟尘颗粒着色的。相比之下，蓝色火焰的这些颗粒较少，因为当管子就位时，燃烧器消耗了更多的燃料。
本生灯之所以能够更充分地燃烧，归功于管子底部附近的槽。它们通过文丘里效应将空气吸入气态燃料流：高速流体流动在其周围产生低压区域，吸入附近的空气。在这种情况下，文丘里效应确保本生灯在其管子就位时将更多的氧气吸入燃料流中。并且随着更多氧气混合到气体流中，更多的燃料将被完全燃烧。
一旦穆勒将科学实验室工具与柴油发动机联系起来，剩下的事情就相对简单了。他看到，通过为柴油喷油器配备微型本生灯烟囱等效物——安装在喷油器喷嘴孔附近并与燃料流对齐的小金属管——燃料和空气可以更充分地预混合，从而实现均匀、无烟尘的蓝色火焰燃烧。并且它可以在反 NOx 稀释所需的较低温度下发生。
管道式燃料喷射
穆勒称他的专利技术为管道式燃料喷射，或 DFI。在过去的几年里，他的团队的 DFI 研究一直由美国能源部车辆技术办公室资助。现在，穆勒和他的同事希望利用他的概念，尝试制造出首批实用的低烟尘、低 NOx 柴油发动机，他说，这将需要更少或不需要尾气后处理。
汽车行业已经注意到这一点。福特和卡特彼勒刚刚重新签署了一项现有的合作研发协议，他们据此为桑迪亚对穆勒发明的调查提供支持。与此同时，在最近在日本举行的一次会议上，丰田汽车的燃烧科学家发表了一篇研究论文，证实 DFI 技术可以抑制烟尘。据报道，其他柴油发动机制造商也在尝试这项看似简单的创新。
“我们很高兴看到 DFI 管道在消除烟尘方面的效果如此显著，”佐治亚理工学院机械工程副教授卡罗琳·根扎勒回忆说，她研究直喷发动机中的燃烧，并与穆勒合作开发这项新技术。在她的实验室的燃烧室中演示了微型管的效果后，根扎勒和她的同事现在计划观察 DFI 在微观尺度上的工作原理。他们计划使用新型多光谱速度枪放大耐热透明石英管，该速度枪可以跟踪微小燃料液滴的超短程通道。佐治亚理工学院小组还使用计算机模拟了具有不同几何形状的其他喷雾修改装置的燃烧效果。
“桑迪亚的 DFI 技术处于新思想的前沿，”威斯康星大学麦迪逊分校发动机研究中心前主任、领先的柴油专家罗尔夫·雷茨说。“它代表了柴油燃烧中自然混合现象的替代方案。”但雷茨也警告说，由于固有的技术和批量生产挑战，以及紧张的市场经济，柴油发动机制造商出了名的不愿意采用新技术。“推动柴油行业需要付出很多努力，”他说。但即使 DFI 确实未能进入商用发动机，雷茨继续说道，“这也是朝着理解基本混合过程迈出的真正一步，一种工具。”
穆勒对这项新技术持乐观态度，尤其因为它不需要安装全新的发动机。“DFI 可以改装到现有发动机上，”他说。最初的应用之一可能是“船舶和机车中价值数百万美元的大型发动机，在这些发动机中，转换为电力动力成本过高。改装将是负担得起的，并且可以立即带来好处。”