MIT工程师开发混合燃料重型卡车发动机系统

作者：MIT

重型卡车，如将世界上许多商品从农场或工厂运输到市场的18轮卡车，实际上全部由柴油发动机驱动。它们占全球温室气体排放量的很大一部分，但迄今为止还没有采取什么有效措施来遏制它们导致气候变化的排放。

现在，麻省理工学院的研究人员发明了一种新的方法来给这些卡车提供动力，这种方法可以彻底控制污染，提高效率，减少甚至消除它们的净温室气体排放。

这个概念涉及到使用一个插入式混合动力发动机系统，在这个系统中，卡车主要由电池供电，但使用的是火花点火发动机（而不是柴油发动机）。这种发动机可以使卡车方便地行驶与现在的传统柴油卡车相同的距离，它将是一种弹性燃料模型，可以使用纯汽油、纯酒精或这些燃料的混合物。

研究人员说，虽然最终的目标是完全用电池为卡车提供动力，但选择这种灵活的混合燃料为此类卡车提供动力的一种方式，能够克服对有限的行驶里程、成本或过度使用电池重量以实现更长的行驶里程的担忧，从而早日进入市场。

这一新概念是由麻省理工学院能源倡议和等离子体融合与科学研究中心的科学家丹尼尔·科恩和首席研究工程师莱斯利·布罗姆伯格（LeslieBromberg）提出的，他们于4月11日在美国汽车工程师学会（SAE）国际年会上介绍这一概念。

科恩说：“多年来，我们一直在努力使汽车和卡车的发动机更清洁、更高效，我们对火花点火（与柴油机使用的压燃式点火相比）的使用特别感兴趣，因为它本质上更清洁。”与柴油机车辆相比，汽油动力车辆只产生十分之一的氮氧化物（NOX）污染，这是空气污染的主要组成部分。

此外，科恩和布罗姆伯格说，通过使用可在汽油、乙醇、甲醇或它们的混合物上运行的弹性燃料配置，这种发动机比纯汽油发动机排放的温室气体可能要少得多，而且燃料灵活性的增量成本非常小。如果使用纯甲醇或来自可再生资源（如农业废物或城市垃圾）的乙醇，温室气体净排放量甚至可能为零。科恩说，这是一种利用低温室气体燃料的方式，当它可用时，也可以选择只用汽油来运行它，以确保最大的灵活性。

“虽然特斯拉汽车公司宣布将生产全电动重型卡车，但是我们认为这将是非常具有挑战性的，因为电池的成本和重量需要提供足够的范围。这是有效载荷的一个重要部分。”科恩和布罗姆伯格估计，为了满足传统柴油卡车的预期行驶里程，一辆卡车需要携带10到15吨的电池。

“为了解决这个问题，我们认为在这些汽车中使用电力的方法是使用插入式混合动力。”他说。他们提出的这种混合动力汽车的发动机是两位研究人员多年来一直致力于开发的一种新型发动机，这种发动机具有高效、灵活的燃料汽油发动机，重量轻，燃油效率高，产生的空气污染仅仅只是当今最好的柴油动力汽车的十分之一。

科恩和布罗姆伯格对开发这样一种发动机以满足现有卡车运营商的需求所需的工程和经济性进行了详细的分析。他们发现，为了与柴油机的效率相匹配，可以使用酒精与汽油甚至纯酒精的混合物，这些都可以通过可再生能源加工处理。对一系列理想发动机特性进行详细的计算机建模，结合使用人工智能系统筛选结果，得出了最有希望的途径的明确指示，并表明这种替代在实际和经济上是可行的。

在目前的柴油机和拟议的柔性燃料车辆中，排放量都是在排气尾管处测量的，在两种情况下，各种排放控制系统都完成了各自的工作，因此得到的是比较真实排放量数据。科恩说，混合动力驱动和柔性燃料发动机的结合是“一种将电力驱动引入重型卡车领域的方法，使其能够满足范围和成本要求，并以清洁的方式进行。”

布罗姆伯格说，多年来，汽油发动机变得更加高效和清洁，柴油的相对成本也上升了，因此导致重型卡车几乎普遍采用柴油机的成本优势不再盛行。”随着时间的推移，燃气发动机的效率越来越高，而且它们在减少空气污染方面具有固有的优势，”他说。通过在混合动力系统中使用发动机，它可以始终以最佳速度运行，从而最大限度地提高效率。

甲烷是一种极强的温室气体，因此，如果通过一个简单的化学过程将甲烷转化为甲醇，就能将甲烷转化为有用的燃料，“这是制造清洁燃料最有吸引力的方法之一，”Bromberg说。我认为酒精燃料总的来说有很多希望。”

他指出，加利福尼亚州已经计划出台新的卡车排放法规，这些法规很难与柴油发动机车辆相适应。”科恩说：“我们认为卡车运输公司使用汽油或弹性燃料是有充分理由的。发动机更便宜，排气处理系统更便宜，这是一种确保它们能够满足预期法规的方法。再加上混合动力系统中的电力推进系统，再加上更加清洁的电网，可以进一步减少卡车运输部门的排放和污染。”

纯电力推进卡车是最终的目标，但今天的电池还没有使这成为一个现实的选择，科恩说：“电池是伟大的，但让我们现实一点，他们可以提供什么。”

他们说，他们提出的组合可以同时解决两个主要挑战。“我们不知道哪一个会更强大，减少温室气体的愿望，或者减少空气污染的愿望。在美国，气候变化可能是更大的推动力，而在印度和中国，空气污染可能更为紧迫，但这项技术对这两个挑战都有价值，”科恩说。

这项研究得到了麻省理工学院阿瑟·桑伯格能源创新基金的支持。