Водород прямо в цилиндре: двигатель, которому не нужны отдельные хранилища

Их концепция, опубликованная в журнале Joule, предлагает аммиачно-водородный двигатель, который работает на едином баке аммиака и сам вырабатывает водород прямо в цилиндре, полностью отказываясь от отдельного водородного питания и внешних реформеров. В многоцилиндровом моторе один цилиндр работает на обогащённой аммиаком смеси: под действием высокой температуры и давления сгорания часть аммиака разлагается на водород и азот. Водородосодержащий выхлоп затем рециркулирует в остальные цилиндры, обогащая их горение и повышая КПД — всё на одном топливе. Для стабильного воспламенения используется система активной форкамеры: небольшая легко воспламеняемая смесь поджигается в предкамере, а турбулентные высокотемпературные струи надёжно зажигают обогащённую аммиаком смесь в основной камере без вспомогательного дизельного топлива, исключая выбросы CO₂ от ископаемого розжига.

Эксперименты и моделирование показали, что такой внутрицилиндровый риформинг способен повысить термическую эффективность, снизить несгоревший аммиак и заметно уменьшить выбросы закиси азота, которая примерно в 273 раза сильнее углекислого газа по парниковому эффекту. Система упрощается: не нужны громоздкие реформеры, дорогие катализаторы, меньше энергетических потерь. Вместе с тем обнаружен важный баланс: избыток водорода не всегда идёт на пользу. Когда доля водорода в энергобалансе двигателя превышает примерно 12%, рост КПД прекращается, зато растут температуры горения и выбросы закиси азота. Предложенная конфигурация — один риформинговый цилиндр на три рабочих — обеспечивает эффективное содержание водорода без ухудшения эмиссионных характеристик.

Исследователи обозначили и ключевые вызовы: физика процессов в риформинговом цилиндре крайне сложна из-за быстро меняющихся потоков, турбулентных реакций и перепадов температур и давлений; понимание образования водорода в таких нестационарных условиях станет залогом точной доводки конструкции. Среди будущих направлений — обогащение воздуха кислородом (тем более что на судах уже есть воздухоразделительные установки) для расширения пределов работы на богатой аммиачной смеси, непосредственный впрыск жидкого аммиака под высоким давлением для улучшения конверсии у стенок цилиндра и интеграция небольшого дополнительного реформера, использующего тепло выхлопа для повышения общей эффективности без роста габаритов.

Впереди — создание первого прототипа двигателя с внутрицилиндровым риформингом и рециркуляцией газов при поддержке Сингапурского морского института, лабораторные и бортовые испытания, а затем и выход на коммерциализацию. «Декарбонизация судоходства потребует множества взаимодополняющих решений, — говорит доцент Ян. — Но если мы сможем спроектировать двигатели, которые вырабатывают водород из того же топлива, на котором работают, мы преодолеем один из главных практических барьеров — хранение водорода — и проложим курс к безуглеродному морскому сектору».