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沙龙怎么代理: 内燃机穷途末路?丰田开发 0 排放发动机

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[ 爱卡汽车 技术解析 原创 ]

今年上海车展的主题叫 " 拥抱变化 ",纯电动车成为本届车展最大亮点,极氪 001、奔驰 EQS、宝马 iX、蔚来 ET7 ( 参数 | 询价 ) 等纯电动车热度空前高涨,而往届车展备受关注的高性能燃油车却成了难兄难弟,排放法规日趋严格,8 缸与 6 缸或成绝唱,甚至连 4 缸车也无暇自顾赶紧往 3 缸路线靠拢,这让人不禁为内燃机的命运感到担忧。

由于发动机产生尾气排放,因此被贴上高污染标签,尾气排放物与发动机本身无关而是由它使用的燃料性质决定。如果内燃机使用清洁燃料,它也可以摇身一变成为清洁动力,因此发动机工程师一直在努力寻找一种能代替石油的燃料,业内将石油以外的能源叫代用燃料。

了解过新能源技术,应该知道新能源理想方向不是电池电动车(BEV),而是燃料电池电动车(FCEV),燃料电池发电所需的能源就是氢气。不要认为氢气只能给燃料电池电动车用,事实上发动机也可以通过燃烧氢气产生动力,因此工程师们纷纷将目光投向了氢燃料。

4 月 22 日,丰田宣布正在开发氢燃料发动机,官方选择1.6L 3 缸涡轮增发动机作为测试机型,丰田期望通过此技术减少碳排放实现碳中和愿景,并与氢燃料电池一同推动氢燃料普及。为什么丰田选在这个时间点研发氢燃料发动机,这项技术一旦实现量产,会给行业带来哪些变化?

氢燃料燃烧速度更快,使用氢燃料的发动机动力响应要好过汽油机,而且发动机运转声和振动这些特征仍能得以保留,氢燃料可以说是车迷的福音。这里产生一个疑问,既然氢燃料发动机这么好,为什么没有早推广这项技术,这项技术要实现量产又有哪些难题?

氢燃料发动机技术探索并不晚,2003 年马自达发布了 RX-8 Hydrogen RE 概念车,氢燃料发动机成为行业关注的焦点,2004 年这款车开始进行道路测试,可见马自达对这项技术充满期待。

重新设计的转子发动机可使用高压氢气和汽油作为燃料,驾驶者可以随时切换燃料类型。由于测试车高压储氢罐(110L / 35MPa)容量有限,使用氢燃料时续航里程只有 100 公里。切换成汽油驱动模式后,发动机最大功率 154kW ( 210 马力 ) ,峰值扭矩 222Nm,续航里程 549 公里(油箱容积 61L)。

氢气体积密不如汽油高,高压储氢罐体积非常庞大,而发动机烧氢气效率也不如氢燃料电池电动车高,但马自达认为汽油发动机与氢燃料发动机可以共用大部分零件,相比氢燃料电池电动车成本优势更显著。

宝马 2005 年也推出 7 系氢燃料概念车,该车搭载 6.0L V12 双燃料发动机,相比马自达的转子技术,宝马的方案更有具代表性。宝马氢燃料发动机技术信息非常多,借助官方资料可以了解氢燃料发动机的特点。

氢气窜入曲轴箱会产生很多麻烦,因此得重新设计活塞环增加密封性能。气态燃料不具备润滑作用,气门座也得使用更耐磨的合金材料。

降压缩比也没法完全抑制爆震,宝马的方法是采用延迟点火控制策略,但延迟点火会导致排气温度过高,因此进排气门需要使用耐高温的镍合金材料。

7 系双燃料版使用 98 号汽油时,百公里油耗 13.9L,每公里二氧化碳排放量为 332g,而采用氢燃料驱动时,每公里二氧化碳排放量仅为 5.2g,减排效果非常明显。

氢燃料发动机几乎不排放二氧化碳,但仍会产生氮氧化合物,不过氢气可以在稀薄环境下点燃,所以能使用高空燃比降低氮氧化合物排放。总而言之,氢燃料发动机排放接近于理想水平,使用氢燃料的确可以让发动机摆脱排放法规束缚。

商用车是汽车尾气排放大户,但现在的电池技术很难满足商用车需求,随着各国对碳排放限制加码,商用车一定会成为打压对象,氢燃料将成为商用车减排的理想方案,推动商用车减排,会提高氢燃料普及速度。

除了氢燃料外 还有啥选择

除了氢燃料以外,代用燃料其实早已开始普及,比如乙醇汽油。乙醇就是指酒精,酒精是通过酵母发酵得来,含淀粉和糖的植物都可以用来生产乙醇,比如玉米、甘蔗、甜菜、土豆等等

乙醇燃料用字母 E 作为简称,后面的数字代表百分比,比如 E15 就是指乙醇浓度为 15%,美国、巴西、欧盟是世界三大乙醇生产地,因此乙醇燃料在当地普及度非常高。不过,乙醇燃料低温冷启动性能不好,所以 E85 燃料夏季乙醇浓度为 85%,到了冬季会降到 75%。

巴西大力推广乙醇燃料,甚至推出了 E100 燃料(乙醇浓度 97%),不少汽车厂商正在开发测试能使用 E100 燃料的车。与氢燃料不同的是,发动机燃烧乙醇会产生二氧化碳排放,但植物生长过程吸收的二氧化碳与乙醇燃烧产生的二氧化碳基本保持平衡,所以乙醇仍被认为是清洁能源。

各国比较普遍的做法是在汽油中掺入 10% 的乙醇,而大部分人比较担心乙醇汽油给车带来的影响,比如是否会损坏发动机或燃油系统,使用乙醇汽油是否会降低燃油经济性。

乙醇汽油对燃油经济性的影响说法不一,美国 EPA 给出了一个参考值,使用乙醇含量 10% 的汽油,与纯汽油相比,续航里程会减少 3-4%。尽管乙醇燃料已经应用了几十年,但它不大可能在全球范围内普及,生产乙醇的原料大部分是粮食,在粮食有限的情况下,大量使用乙醇燃料并不现实,全世界只有美国和巴西大量生产乙醇。

地沟油变废为宝—生物柴油

最让人感到新奇的燃料是生物柴油,它可以用植物油或者动物脂肪作为原料,欧洲一般用菜籽油,美国主要用大豆油,也可以用废弃油脂,这些油脂经过甲醇或乙醇酯化,就成了生物柴油,业内将采用乙醇酯化的生物柴油视为真正的清洁环保无污染能源。

生物柴油用字母 B 作为简称,B100 表示生物柴油浓度为 100%,生物柴油润滑性好但容易老化,欧洲以前只在商用车上使用,后来渐渐采用生物柴油与柴油(石油提炼)混合,一般浓度为 7%,所以就叫 B7。

由于生物柴油比乙醇生产工艺更复杂,而且与柴油比没有价格优势,所以至今都没有被大规模的推广。

编辑总结:发动机还有很多代用燃料,比如天然气、液化石油气、甲醇。从环保角度看,这三类燃料生产和使用过程中产生的二氧化碳较多,相比乙醇和生物柴油,节能减排能力有限,很难成为主流选择。氢燃料虽然是理想的能源,但距离普及还有一段很长的路要走。

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