新的PPPL发明可以提高汽车和卡车引擎的效率，同时减少污染物

自从1876年Nikolaus Otto发明了现代内燃机以来，汽车和卡车的发动机几乎没有什么变化。但至少在理论上，内燃机可能会发生巨大的变化。

研究人员在美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)已收到美国专利商标局的专利设计新颖,可以提高效率,减少有毒排放以汽油为燃料的内燃机,数以百万计的世界各地的汽车和卡车。这一理论设计为发动机用来驱动车辆的内燃机气缸内的气体快速旋转提供了方法。

Nat Fisch医生

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Elle Starkman, Princeton Plasma Physics Laboratory

PPPL物理学家、普林斯顿大学天体物理学教授纳特·菲斯奇(Nat Fisch)是这项专利技术的联合开发者，他说:“我们的想法是让发动机在比预想更低的温度下工作，从而减少有毒氮氧化物的排放。”首席开发人员是物理学家Vasily Geyko，他是普林斯顿等离子体物理项目(PPPL)的研究生，该项目由Fisch指导。

Fisch和Geyko最初在2014年申请了这项专利，这项专利源于物理学家们对等离子体快速旋转和压缩的研究，而不是汽油。在美国能源部国家核安全局(NNSA)和美国国防威胁减少局(U.S. Defense Threat Reduction Agency)的支持下，研究人员在研究过程中发现，快速旋转中性气体可以产生有利于汽油发动机的条件。

然而，Geyko和Fisch发现理想的旋转气体的热容，即它在被加热时吸收能量的能力，大于静止气体的热容。然后，科学家们意识到，在一个热力学循环中，一种大约以声速旋转的气体可以使发动机在较低的温度下比传统的内燃机更有效地运转。

瓦西里•Geyko

Photo courtesy of Vasily Geyko

正如Geyko所指出的那样，“利用奥托或柴油循环”为汽油或柴油发动机提供动力，“热容量效应提高了在固定的最高和最低工作温度下的热力学效率。此外，最大工作温度越小，相对效率增益越大。这使得该发明特别有利于在低温发动机中使用。”

旋转气体也修改了标准内燃机的设计。“这项发明的特点是一个八循环发动机，而不是一个四循环发动机，以便在循环的正确点旋转气体，”Fisch说。“这当然会使引擎变得复杂。传统发动机在传统温度下效率更高。

“但在非常低的温度下，传统发动机的效率很低，燃烧汽油时排放的有毒氮氧化物会显著减少。”在这样的温度下，我们的发明可能会发挥优势，提高效率和燃料经济性，并通过减少氮氧化物排放来改善空气质量，从而给公众健康带来相应的好处。”

目前，这项专利发现还停留在理论阶段。但是，例如，如果国会通过立法在全国范围内减少氮氧化物，理论上的可能性值得进一步发展，Fisch说。“原则上，”Geyko补充道，“即使将允许的燃烧温度适当降低，从2500摄氏度左右降低到1300 – 1800摄氏度左右，也足以使一个旋转的燃气发动机与传统的奥托循环发动机相比获得5- 10%的相对效率优势。””

位于新泽西州普兰斯伯勒的普林斯顿大学福雷斯特尔校区的PPPL致力于创造关于等离子体(超热、带电气体)物理学的新知识，并为聚变能的产生开发实用的解决方案。PPPL是由美国能源部科学办公室的大学管理的，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，并致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。