不用電池不用氫，一種靈活燃料發動機在研

加州空氣資源委員會通過了一項規定，要求卡車和發動機制造商從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，會產生煙霧，威脅呼吸道健康。這一規定要求加州實現十多年來較大的空氣污染削減。制造商如何才能有效且經濟地實現這一雄心勃勃的目標？

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

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

Q：你們的高效、靈活燃料汽油發動機技術是如何運作的？

A：我們的目標是為重型車輛（HDV）發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動的火花點火式發動機的10倍。

火花點火式汽油發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（通常稱為催化轉換器），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的使用，是由于火花點火式發動機能夠在一個化學計量的空氣/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。

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

因此，柴油發動機要進一步減少氮氧化物排放，以滿足加州新法規的要求，是非常具有挑戰性的。

我們的方法是使用火花點火式發動機，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或更低。此外，美國現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。

為了使汽油和/或乙醇驅動的火花點火式發動機對HDV的廣泛應用具有吸引力，我們開發了使火花點火式發動機更高效的方法，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動機的發動機爆震（不需要的自燃會損壞發動機），從而在汽油發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，并使用更高的發動機壓縮比。

這些特點提供了高效率，與柴油發動機提供的類似。此外，當發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所面臨的主要挑戰是什么？

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——它是潮流的引領者。加州發生的事情會影響到美國其他地區。

實施這項技術的主要挑戰是，有人認為不需要更好的內燃機技術，因為到2035年，電池驅動的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揮所需的作用。

我們認為，純電動汽車在汽車行業的市場滲透還需要相當長的時間。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。另一個挑戰是，純電動汽車的充電時間比目前大多數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燃機的興趣。

然而，氫動力卡車面臨著以負擔得起的成本生產零溫室氣體氫的艱巨挑戰，以及氫的儲存和運輸成本也帶來很大挑戰。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動和氫驅動的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：我們的設計使用現有的動力系統，可以在現有的液體燃料上運行，由于這些原因，在短期內，它將對長途卡車的運營商具有經濟吸引力。

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，發動機尺寸更小。這種經濟吸引力可以使大規模市場滲透成為可能，這必然對減少空氣污染產生重大影響。

另外，我們認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，這種乙醇在短期內可以提供更大的溫室氣體減排效益。

雖然使用現有乙醇可以減少20%到40%的溫室氣體排放，但在短期內，這一市場滲透規?？赡鼙燃冸妱悠嚮驓鋭恿ζ嚰夹g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過程中產生的二氧化碳，可以進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乙醇（和另一種酒精燃料甲醇）的技術正在出現，可以提供零溫室氣體排放或負溫室氣體排放的燃料。

提供負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致嚴重的甲烷溫室氣體排放。將生物質廢物轉化為清潔燃料也可以產生負溫室氣體影響，因為生物質廢物可以是碳中性的，而且生產清潔燃料產生的二氧化碳可以捕獲和封存。

此外，我們的靈活燃料發動機技術還可以作為插電式混合動力HDV的增程器進行協同使用，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領域提供了一條長期、更大幅度減排溫室氣體的誘人路徑。