不用电池不用氢，一种灵活燃料发动机在研

加州空气资源委员会通过了一项规定，要求卡车和发动机制造商从2027年开始将新型重型卡车的氮氧化物（NOx）排放减少90%。重型卡车排放的氮氧化物是空气污染的主要来源之一，会产生烟雾，威胁呼吸道健康。这一规定要求加州实现十多年来较大的空气污染削减。制造商如何才能有效且经济地实现这一雄心勃勃的目标？

丹尼尔·科恩（Daniel Cohn）是麻省理工学院能源计划的研究科学家，莱斯利·布朗伯格（Leslie Bromberg）是麻省理工学院等离子体科学与聚变中心的首席研究科学家，他们一直在研究一种高效的汽油-乙醇发动机，这种发动机比现有的柴油发动机技术更清洁，成本更低。

在这里，科恩解释了灵活燃料发动机的方法，以及为什么它可能是现实的解决方案——在短期内帮助加州实现其严格的车辆减排目标。这项研究是由阿瑟·萨姆伯格麻省理工学院能源创新基金赞助的。

Q：你们的高效、灵活燃料汽油发动机技术是如何运作的？

A：我们的目标是为重型车辆（HDV）发动机提供一种价格合理的解决方案，使其排放低水平的氮氧化物，满足加州的氮氧化物排放规定，同时还能快速使HDV车队中的汽油消耗大幅降低。

目前，大型卡车和其他重型卡车一般使用柴油发动机。其主要原因是它们的高效率，这降低了燃料成本——这是商用卡车（尤其是长途卡车）的关键因素，因为它们需要行驶大量的路程。

然而，这些柴油动力汽车的氮氧化物排放量大约是汽油或乙醇驱动的火花点火式发动机的10倍。

火花点火式汽油发动机主要用于轿车和轻型卡车，这些轻型车辆采用三元催化尾气处理系统（通常称为催化转换器），以适度的成本将车辆的氮氧化物排放减少98%以上。

这种高效的排气处理系统的使用，是由于火花点火式发动机能够在一个化学计量的空气/燃料比（空气的总量与燃料完全燃烧所需的空气量相匹配）下运行。

柴油发动机不按化学计量的空气/燃料比运行，这使得减少氮氧化物的排放更加困难。它们优先进的尾气处理系统比催化转换器复杂和昂贵得多，即使有了这种先进的尾气处理系统，柴油发动机车辆所产生的氮氧化物排放量也比火花点火式发动机汽车高出约10倍。

因此，柴油发动机要进一步减少氮氧化物排放，以满足加州新法规的要求，是非常具有挑战性的。

我们的方法是使用火花点火式发动机，它可以由汽油、乙醇或汽油和乙醇的混合物提供动力，作为HDV中柴油发动机的替代品。

汽油有一个很吸引人的特点，那就是它很容易获得，而且价格与柴油相当或更低。此外，美国现有的乙醇比柴油或汽油排放的温室气体（GHG）少40%，并有一个广泛可用的分配系统。

为了使汽油和/或乙醇驱动的火花点火式发动机对HDV的广泛应用具有吸引力，我们开发了使火花点火式发动机更高效的方法，从而使其燃料成本更符合重型卡车车主的要求。

我们的做法是，通过使用各种方法来防止火花点火式汽油发动机的发动机爆震（不需要的自燃会损坏发动机），从而在汽油发动机中提供类似柴油的高效率和高功率。这使得涡轮增压的水平更高，并使用更高的发动机压缩比。

这些特点提供了高效率，与柴油发动机提供的类似。此外，当发动机以乙醇为动力时，所需的爆震阻力由燃料本身固有的高爆震阻力提供。

Q：在加州实施你们的技术所面临的主要挑战是什么？

A：加州一直是空气污染控制的先锋，华盛顿、俄勒冈和纽约等州也经常效仿。作为人口多的州，加州有很大的影响力——它是潮流的引领者。加州发生的事情会影响到美国其他地区。

实施这项技术的主要挑战是，有人认为不需要更好的内燃机技术，因为到2035年，电池驱动的HDV，尤其是长途卡车，可以在减少氮氧化物和温室气体排放方面发挥所需的作用。

我们认为，纯电动汽车在汽车行业的市场渗透还需要相当长的时间。与轻型车辆相比，电池动力在HDV车队中几乎没有渗透，特别是在柴油较大的用户——长途卡车中。

其中一个原因是，使用电池供电的长途卡车面临着由于电池重量过大而降低货运能力的挑战。另一个挑战是，纯电动汽车的充电时间比目前大多数HDV加油时间要长得多。

使用燃料电池的氢动力卡车也被提议作为纯电动卡车的替代品，这可能会限制人们对采用改良内燃机的兴趣。

然而，氢动力卡车面临着以负担得起的成本生产零温室气体氢的艰巨挑战，以及氢的储存和运输成本也带来很大挑战。目前，燃料电池所需的高纯氢普遍价格昂贵。

Q：总的来说，你们的想法与电池驱动和氢驱动的HDV相比怎么样？你们将如何说服人们相信这是一条有吸引力的道路？

A：我们的设计使用现有的动力系统，可以在现有的液体燃料上运行，由于这些原因，在短期内，它将对长途卡车的运营商具有经济吸引力。

事实上，它甚至可以是一个比柴油动力更低成本的选择，因为它的尾气处理成本低得多，而且在相同的功率和扭矩下，发动机尺寸更小。这种经济吸引力可以使大规模市场渗透成为可能，这必然对减少空气污染产生重大影响。

另外，我们认为纯电动汽车或氢动力汽车至少需要20年的时间才能获得同等水平的市场渗透。

我们的方法还使用现有的基于玉米原料的乙醇，与电池或氢动力长途卡车相比，这种乙醇在短期内可以提供更大的温室气体减排效益。

虽然使用现有乙醇可以减少20%到40%的温室气体排放，但在短期内，这一市场渗透规模可能比纯电动汽车或氢动力汽车技术大得多。这对减少温室气体的整体影响可能要大得多。

此外，我们还看到了2030年后的迁移路径，即通过碳捕获和封存来处理乙醇生产过程中产生的二氧化碳，可以进一步减少玉米乙醇的温室气体排放。在这种情况下，二氧化碳的总排放量可能会减少80%或更多。

从废物中以具有吸引力的成本生产乙醇（和另一种酒精燃料甲醇）的技术正在出现，可以提供零温室气体排放或负温室气体排放的燃料。

提供负温室气体影响的一个途径是通过寻找替代垃圾填埋的方法，因为垃圾填埋的方法会导致严重的甲烷温室气体排放。将生物质废物转化为清洁燃料也可以产生负温室气体影响，因为生物质废物可以是碳中性的，而且生产清洁燃料产生的二氧化碳可以捕获和封存。

此外，我们的灵活燃料发动机技术还可以作为插电式混合动力HDV的增程器进行协同使用，这种混合动力HDV使用有限的电池容量，避免了纯电动长途卡车的载货能力下降和燃料不足的问题。

随着空气污染和全球变暖的威胁日益增长，HDV解决方案是近期减少空气污染的一个越来越重要的选择，并为减少重型车队的温室气体排放提供了一个更快的开端。它还为HDV领域提供了一条长期、更大幅度减排温室气体的诱人路径。