不用電池不用氫，一種靈活燃料發(fā)動機在研

加州空氣資源委員會通過了一項規(guī)定，要求卡車和發(fā)動機制造商從2027年開始將新型重型卡車的氮氧化物（NOx）排放減少90%。重型卡車排放的氮氧化物是空氣污染的主要來源之一，會產(chǎn)生煙霧，威脅呼吸道健康。這一規(guī)定要求加州實現(xiàn)十多年來較大的空氣污染削減。制造商如何才能有效且經(jīng)濟地實現(xiàn)這一雄心勃勃的目標(biāo)？

丹尼爾·科恩（Daniel Cohn）是麻省理工學(xué)院能源計劃的研究科學(xué)家，萊斯利·布朗伯格（Leslie Bromberg）是麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心的首席研究科學(xué)家，他們一直在研究一種高效的汽油-乙醇發(fā)動機，這種發(fā)動機比現(xiàn)有的柴油發(fā)動機技術(shù)更清潔，成本更低。

在這里，科恩解釋了靈活燃料發(fā)動機的方法，以及為什么它可能是現(xiàn)實的解決方案——在短期內(nèi)幫助加州實現(xiàn)其嚴(yán)格的車輛減排目標(biāo)。這項研究是由阿瑟·薩姆伯格麻省理工學(xué)院能源創(chuàng)新基金贊助的。

Q：你們的高效、靈活燃料汽油發(fā)動機技術(shù)是如何運作的？

A：我們的目標(biāo)是為重型車輛（HDV）發(fā)動機提供一種價格合理的解決方案，使其排放低水平的氮氧化物，滿足加州的氮氧化物排放規(guī)定，同時還能快速使HDV車隊中的汽油消耗大幅降低。

目前，大型卡車和其他重型卡車一般使用柴油發(fā)動機。其主要原因是它們的高效率，這降低了燃料成本——這是商用卡車（尤其是長途卡車）的關(guān)鍵因素，因為它們需要行駛大量的路程。

然而，這些柴油動力汽車的氮氧化物排放量大約是汽油或乙醇驅(qū)動的火花點火式發(fā)動機的10倍。

火花點火式汽油發(fā)動機主要用于轎車和輕型卡車，這些輕型車輛采用三元催化尾氣處理系統(tǒng)（通常稱為催化轉(zhuǎn)換器），以適度的成本將車輛的氮氧化物排放減少98%以上。

這種高效的排氣處理系統(tǒng)的使用，是由于火花點火式發(fā)動機能夠在一個化學(xué)計量的空氣/燃料比（空氣的總量與燃料完全燃燒所需的空氣量相匹配）下運行。

柴油發(fā)動機不按化學(xué)計量的空氣/燃料比運行，這使得減少氮氧化物的排放更加困難。它們優(yōu)先進(jìn)的尾氣處理系統(tǒng)比催化轉(zhuǎn)換器復(fù)雜和昂貴得多，即使有了這種先進(jìn)的尾氣處理系統(tǒng)，柴油發(fā)動機車輛所產(chǎn)生的氮氧化物排放量也比火花點火式發(fā)動機汽車高出約10倍。

因此，柴油發(fā)動機要進(jìn)一步減少氮氧化物排放，以滿足加州新法規(guī)的要求，是非常具有挑戰(zhàn)性的。

我們的方法是使用火花點火式發(fā)動機，它可以由汽油、乙醇或汽油和乙醇的混合物提供動力，作為HDV中柴油發(fā)動機的替代品。

汽油有一個很吸引人的特點，那就是它很容易獲得，而且價格與柴油相當(dāng)或更低。此外，美國現(xiàn)有的乙醇比柴油或汽油排放的溫室氣體（GHG）少40%，并有一個廣泛可用的分配系統(tǒng)。

為了使汽油和/或乙醇驅(qū)動的火花點火式發(fā)動機對HDV的廣泛應(yīng)用具有吸引力，我們開發(fā)了使火花點火式發(fā)動機更高效的方法，從而使其燃料成本更符合重型卡車車主的要求。

我們的做法是，通過使用各種方法來防止火花點火式汽油發(fā)動機的發(fā)動機爆震（不需要的自燃會損壞發(fā)動機），從而在汽油發(fā)動機中提供類似柴油的高效率和高功率。這使得渦輪增壓的水平更高，并使用更高的發(fā)動機壓縮比。

這些特點提供了高效率，與柴油發(fā)動機提供的類似。此外，當(dāng)發(fā)動機以乙醇為動力時，所需的爆震阻力由燃料本身固有的高爆震阻力提供。

Q：在加州實施你們的技術(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)是什么？

A：加州一直是空氣污染控制的先鋒，華盛頓、俄勒岡和紐約等州也經(jīng)常效仿。作為人口多的州，加州有很大的影響力——它是潮流的引領(lǐng)者。加州發(fā)生的事情會影響到美國其他地區(qū)。

實施這項技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是，有人認(rèn)為不需要更好的內(nèi)燃機技術(shù)，因為到2035年，電池驅(qū)動的HDV，尤其是長途卡車，可以在減少氮氧化物和溫室氣體排放方面發(fā)揮所需的作用。

我們認(rèn)為，純電動汽車在汽車行業(yè)的市場滲透還需要相當(dāng)長的時間。與輕型車輛相比，電池動力在HDV車隊中幾乎沒有滲透，特別是在柴油較大的用戶——長途卡車中。

其中一個原因是，使用電池供電的長途卡車面臨著由于電池重量過大而降低貨運能力的挑戰(zhàn)。另一個挑戰(zhàn)是，純電動汽車的充電時間比目前大多數(shù)HDV加油時間要長得多。

使用燃料電池的氫動力卡車也被提議作為純電動卡車的替代品，這可能會限制人們對采用改良內(nèi)燃機的興趣。

然而，氫動力卡車面臨著以負(fù)擔(dān)得起的成本生產(chǎn)零溫室氣體氫的艱巨挑戰(zhàn)，以及氫的儲存和運輸成本也帶來很大挑戰(zhàn)。目前，燃料電池所需的高純氫普遍價格昂貴。

Q：總的來說，你們的想法與電池驅(qū)動和氫驅(qū)動的HDV相比怎么樣？你們將如何說服人們相信這是一條有吸引力的道路？

A：我們的設(shè)計使用現(xiàn)有的動力系統(tǒng)，可以在現(xiàn)有的液體燃料上運行，由于這些原因，在短期內(nèi)，它將對長途卡車的運營商具有經(jīng)濟吸引力。

事實上，它甚至可以是一個比柴油動力更低成本的選擇，因為它的尾氣處理成本低得多，而且在相同的功率和扭矩下，發(fā)動機尺寸更小。這種經(jīng)濟吸引力可以使大規(guī)模市場滲透成為可能，這必然對減少空氣污染產(chǎn)生重大影響。

另外，我們認(rèn)為純電動汽車或氫動力汽車至少需要20年的時間才能獲得同等水平的市場滲透。

我們的方法還使用現(xiàn)有的基于玉米原料的乙醇，與電池或氫動力長途卡車相比，這種乙醇在短期內(nèi)可以提供更大的溫室氣體減排效益。

雖然使用現(xiàn)有乙醇可以減少20%到40%的溫室氣體排放，但在短期內(nèi)，這一市場滲透規(guī)?？赡鼙燃冸妱悠嚮驓鋭恿ζ嚰夹g(shù)大得多。這對減少溫室氣體的整體影響可能要大得多。

此外，我們還看到了2030年后的遷移路徑，即通過碳捕獲和封存來處理乙醇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳，可以進(jìn)一步減少玉米乙醇的溫室氣體排放。在這種情況下，二氧化碳的總排放量可能會減少80%或更多。

從廢物中以具有吸引力的成本生產(chǎn)乙醇（和另一種酒精燃料甲醇）的技術(shù)正在出現(xiàn)，可以提供零溫室氣體排放或負(fù)溫室氣體排放的燃料。

提供負(fù)溫室氣體影響的一個途徑是通過尋找替代垃圾填埋的方法，因為垃圾填埋的方法會導(dǎo)致嚴(yán)重的甲烷溫室氣體排放。將生物質(zhì)廢物轉(zhuǎn)化為清潔燃料也可以產(chǎn)生負(fù)溫室氣體影響，因為生物質(zhì)廢物可以是碳中性的，而且生產(chǎn)清潔燃料產(chǎn)生的二氧化碳可以捕獲和封存。

此外，我們的靈活燃料發(fā)動機技術(shù)還可以作為插電式混合動力HDV的增程器進(jìn)行協(xié)同使用，這種混合動力HDV使用有限的電池容量，避免了純電動長途卡車的載貨能力下降和燃料不足的問題。

隨著空氣污染和全球變暖的威脅日益增長，HDV解決方案是近期減少空氣污染的一個越來越重要的選擇，并為減少重型車隊的溫室氣體排放提供了一個更快的開端。它還為HDV領(lǐng)域提供了一條長期、更大幅度減排溫室氣體的誘人路徑。