不用電池不用氫，一種靈活燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在研

加州空氣資源委員會(huì)通過(guò)了一項(xiàng)規(guī)定，要求卡車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商從2027年開(kāi)始將新型重型卡車(chē)的氮氧化物（NOx）排放減少90%。重型卡車(chē)排放的氮氧化物是空氣污染的主要來(lái)源之一，會(huì)產(chǎn)生煙霧，威脅呼吸道健康。這一規(guī)定要求加州實(shí)現(xiàn)十多年來(lái)較大的空氣污染削減。制造商如何才能有效且經(jīng)濟(jì)地實(shí)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(jì)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(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)比現(xiàn)有的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的方法，以及為什么它可能是現(xiàn)實(shí)的解決方案——在短期內(nèi)幫助加州實(shí)現(xiàn)其嚴(yán)格的車(chē)輛減排目標(biāo)。這項(xiàng)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(dòng)機(jī)技術(shù)是如何運(yùn)作的？

A：我們的目標(biāo)是為重型車(chē)輛（HDV）發(fā)動(dòng)機(jī)提供一種價(jià)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(shí)還能快速使HDV車(chē)隊(duì)中的汽油消耗大幅降低。

目前，大型卡車(chē)和其他重型卡車(chē)一般使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。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(chē)（尤其是長(zhǎng)途卡車(chē)）的關(guān)鍵因素，因?yàn)樗鼈冃枰旭偞罅康穆烦獭?/p>

然而，這些柴油動(dòng)力汽車(chē)的氮氧化物排放量大約是汽油或乙醇驅(qū)動(dòng)的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍。

火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于轎車(chē)和輕型卡車(chē)，這些輕型車(chē)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(chē)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(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在一個(gè)化學(xué)計(jì)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(yùn)行。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)不按化學(xué)計(jì)量的空氣/燃料比運(yùn)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(dòng)機(jī)車(chē)輛所產(chǎn)生的氮氧化物排放量也比火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)高出約10倍。

因此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)，它可以由汽油、乙醇或汽油和乙醇的混合物提供動(dòng)力，作為HDV中柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的替代品。

汽油有一個(gè)很吸引人的特點(diǎn)，那就是它很容易獲得，而且價(jià)格與柴油相當(dāng)或更低。此外，美國(guó)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(gè)廣泛可用的分配系統(tǒng)。

為了使汽油和/或乙醇驅(qū)動(dòng)的火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)HDV的廣泛應(yīng)用具有吸引力，我們開(kāi)發(fā)了使火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)更高效的方法，從而使其燃料成本更符合重型卡車(chē)車(chē)主的要求。

我們的做法是，通過(guò)使用各種方法來(lái)防止火花點(diǎn)火式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)爆震（不需要的自燃會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)），從而在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)壓縮比。

這些特點(diǎn)提供了高效率，與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供的類似。此外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以乙醇為動(dòng)力時(shí)，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(shí)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(huì)影響到美國(guó)其他地區(qū)。

實(shí)施這項(xiàng)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(jī)技術(shù)，因?yàn)榈?035年，電池驅(qū)動(dòng)的HDV，尤其是長(zhǎng)途卡車(chē)，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(dòng)汽車(chē)在汽車(chē)行業(yè)的市場(chǎng)滲透還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。與輕型車(chē)輛相比，電池動(dòng)力在HDV車(chē)隊(duì)中幾乎沒(méi)有滲透，特別是在柴油較大的用戶——長(zhǎng)途卡車(chē)中。

其中一個(gè)原因是，使用電池供電的長(zhǎng)途卡車(chē)面臨著由于電池重量過(guò)大而降低貨運(yùn)能力的挑戰(zhàn)。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，純電動(dòng)汽車(chē)的充電時(shí)間比目前大多數(shù)HDV加油時(shí)間要長(zhǎng)得多。

使用燃料電池的氫動(dòng)力卡車(chē)也被提議作為純電動(dòng)卡車(chē)的替代品，這可能會(huì)限制人們對(duì)采用改良內(nèi)燃機(jī)的興趣。

然而，氫動(dòng)力卡車(chē)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(chǔ)存和運(yùn)輸成本也帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。目前，燃料電池所需的高純氫普遍價(jià)格昂貴。

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

A：我們的設(shè)計(jì)使用現(xiàn)有的動(dòng)力系統(tǒng)，可以在現(xiàn)有的液體燃料上運(yùn)行，由于這些原因，在短期內(nèi)，它將對(duì)長(zhǎng)途卡車(chē)的運(yùn)營(yíng)商具有經(jīng)濟(jì)吸引力。

事實(shí)上，它甚至可以是一個(gè)比柴油動(dòng)力更低成本的選擇，因?yàn)樗奈矚馓幚沓杀镜偷枚啵以谙嗤墓β屎团ぞ叵?，發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸更小。這種經(jīng)濟(jì)吸引力可以使大規(guī)模市場(chǎng)滲透成為可能，這必然對(duì)減少空氣污染產(chǎn)生重大影響。

另外，我們認(rèn)為純電動(dòng)汽車(chē)或氫動(dòng)力汽車(chē)至少需要20年的時(shí)間才能獲得同等水平的市場(chǎng)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(dòng)力長(zhǎng)途卡車(chē)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(chǎng)滲透規(guī)?？赡鼙燃冸妱?dòng)汽車(chē)或氫動(dòng)力汽車(chē)技術(shù)大得多。這對(duì)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(guò)碳捕獲和封存來(lái)處理乙醇生產(chǎn)過(guò)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(huì)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(gè)途徑是通過(guò)尋找替代垃圾填埋的方法，因?yàn)槔盥竦姆椒〞?huì)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?yàn)樯镔|(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(dòng)機(jī)技術(shù)還可以作為插電式混合動(dòng)力HDV的增程器進(jìn)行協(xié)同使用，這種混合動(dòng)力HDV使用有限的電池容量，避免了純電動(dòng)長(zhǎng)途卡車(chē)的載貨能力下降和燃料不足的問(wèn)題。

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