大多数减少当今汽车不利空气污染和气候影响的努力都集中在通常以汽油为燃料的汽车和轻型卡车上，其战略范围从电气化和拼车到自动驾驶汽车。
“这些策略可以成为整体解决方案的重要组成部分，”麻省理工学院能源倡议研究科学家Daniel Cohn说。“但考虑重型和中型卡车也越来越重要。找到一种清理它的方法实际上可以在未来几十年内带来全球空气质量的更大改善。”
这些卡车主要由柴油发动机提供动力，现在是运输部门中最大的氮氧化物(NOx)排放生产商，导致地面臭氧，呼吸问题和城市地区的过早死亡。一些人估计，用于卡车和汽车的柴油将在未来十年内在全球范围内销售汽油，这有可能进一步加剧已经严重的城市空气污染以及温室气体(GHG)浓度。
今天的重型柴油发动机提供燃油效率和高功率，使其成为长途，高里程商用车的理想选择。但科恩说，找到另一种选择至关重要。“我们需要将柴油发动机替换为更清洁，产生更少温室气体的其他内燃机。”
使用计算机模拟分析，Cohn和他的同事Leslie Bromberg，等离子体科学与融合中心和斯隆汽车实验室的首席研究工程师，设计了一种替代的半尺寸汽油 - 酒精发动机，它不仅应该更清洁，而且成本更低并且表现更好 - 并且很快就会被引入到车辆的车队中。
更换重型柴油机
在美国，卡车运输业应对柴油机排放的压力越来越大。事实上，加利福尼亚的预期法规要求中型和重型卡车的氮氧化物排放量相对于目前最干净的柴油机减少约90%，这些柴油机使用复杂且昂贵的废气处理系统，只是为了满足现行法规。在世界的某些地方，例如印度和中国，通常不使用那些清理系统。因此，氮氧化物排放量高出约10倍，并且将其降低到未来加利福尼亚州法规的水平将需要减少约98%。
在美国，一些卡车已开始使用由天然气为燃料的大型火花点火(SI)发动机满足预期的严格NOx限值。但是大规模采用这些引擎会有问题。储存和分配气体燃料会增加车辆成本并带来基础设施挑战，并且由于甲烷(一种具有高全球变暖潜能的温室气体)的泄漏，天然气的使用可能导致气候影响加剧。
为了避免处理天然气的挑战，Cohn和Bromberg决定采用另一种方法：一种重型SI发动机，而不是汽油。通常，汽油SI发动机产生低NOx排放。在他们的计算机模型的指导下，Cohn和Bromberg采取了一系列措施来提高设计的功效和效率，同时又不牺牲其排放优势。
在正常的汽油发动机运行期间，将气体燃烧转换成车轮的扭矩(旋转力)的过程平稳地进行 - 直到需要高扭矩操作，例如，以高速或高速拉动重负荷一座山丘。然后，气缸内的压力和温度可以升高到使未燃烧的燃烧气体自发点燃。结果是爆震，这会导致金属叮当声，并可能损坏发动机。迄今为止，防止爆震的需要限制了汽油发动机与柴油机竞争所需的效率和性能的改进。
科恩和布朗伯格用酒精处理这个问题。当SI发动机努力工作并且否则会发生爆震时，将少量乙醇或甲醇喷射到热燃烧室中，在那里它迅速蒸发，冷却燃料和空气并且更不可能进行自燃。此外，由于酒精的化学成分，其固有的抗爆性高于汽油。酒精可以存储在小的单独的燃料箱中 - 因为排气净化流体存储在柴油发动机车辆中。或者，可以通过常规燃料箱中的汽油与汽油的车载分离来提供。(几乎所有在美国销售的汽油现在都是90%汽油和10%乙醇的混合物。)
由于担心敲除了爆震，研究人员能够充分利用当今乘用车中使用的两种技术。首先，他们使用涡轮增压，但水平更高。涡轮增压涉及压缩进入的空气，使得更多的空气和燃料分子适合于汽缸内部。结果是，使用较小的总气缸容积可以实现给定的功率输出。其次，他们使用高压缩比，即压缩前燃烧室的体积与之后的体积之比。在更高的压缩比下，燃烧气体在每个循环中膨胀更多，因此对于给定量的燃料输送更多能量。
研究人员还利用了由天然气驱动的低NOx重型SI发动机的一个重要特征：他们认为发动机内的空气和燃料混合物中含有足够的空气来燃烧所有燃料 - 不再多，不会少。这种化学计量操作允许柴油中不可能进行的重要改变，柴油必须使用大量额外的空气来控制排放。通过化学计量操作，他们可以使用三元催化剂来清洁发动机排气。三相催化剂是一种相对便宜的系统，可从发动机排气中去除NOx，一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物，是当今SI发动机中实现的低NOx排放的关键。
然后，考虑到化学计量操作以及更高水平的涡轮增压和高压缩比，研究人员能够收缩整个发动机。SI发动机不包含柴油中的所有多余空气，因此其气缸的总体积可以更小。
“由于存在这种差异，你可以用SI发动机替换柴油发动机的一半大，”Bromberg说。
随着尺寸的减小，燃料效率也会提高。在任何发动机中，将空气泵入汽缸和各种摩擦源的过程不可避免地降低燃料效率。那些泵送损失取决于发动机尺寸。使发动机更小，摩擦更少，燃料浪费更少。
总而言之，低成本的三元催化剂和更小的整体尺寸有助于使汽油 - 酒精发动机比最先进的排气净化系统的最干净的柴油发动机更便宜。事实上，根据研究人员的估计，汽油 - 酒精发动机加上其废气处理系统的成本大约是最干净的柴油发动机的一半。
功率，效率和酒精使用
半尺寸汽油 - 酒精SI发动机与当今最干净的全尺寸柴油在效率和功率方面相比如何?为了回答这个问题，研究人员使用了Bromberg开发的一系列先进的发动机和车辆模拟以及化学动力学模型。
为了进行比较，他们使用了基于6.7升发动机的发动机的说明性版本，该发动机现在已经制造并且可以通过相对较小的改变转换成汽油 - 酒精配置。他们的分析假设6.7汽油 - 酒精SI发动机的压缩比和发动机扭矩与12升柴油发动机的压缩比和发动机扭矩大致相同。但SI发动机的运行速度远远超过柴油发动机。(火花点火比柴油发动机中使用的压缩点火更快。)由于更快的操作和大致相等的扭矩，小型发动机可以产生比柴油机多近50%的功率。虽然汽油 - 酒精发动机在高扭矩下比柴油更有效，而在低扭矩下效率更低，但通常小型SI发动机与柴油发动机效率相当。
然而，由于需要更大的扭矩，更可能发生爆震，因此需要更多的乙醇。在最高扭矩下，大约80%的总燃料必须是乙醇以防止爆震。这一估计值引起了人们的关注：在美国，乙醇被广泛用于与汽油的低浓度混合物中，但纯乙醇或高浓度乙醇 - 汽油混合物可能无法获得或者成本太高。那么特定旅行可能需要多少乙醇?
作为一个例子，研究人员考虑了长途重型车辆的行程，大多数时候需要高扭矩。根据压缩比，乙醇可占其总燃料消耗的20%至40%。相比之下，运输卡车可能在大多数时间以低扭矩运行，并且在驾驶期间使用乙醇作为其总燃料的10%就可以了。
“这种乙醇消费水平是可行的，”科恩指出。“但如果你有一个可以少用乙醇的情况，那么这个系统对人们会更有吸引力。”
减少乙醇使用的一种方法是用水稀释乙醇。使用爆震模型，科恩和布朗伯格确定，当水占二次燃料的三分之一时，爆震阻力实际上更高。“在某些情况下，你不需要任何乙醇作为防冻剂，你可能只能用水作为辅助流体，”科恩说。
减少酒精使用的另一种方法 - 称为上升 - 涉及以更高的速度操作发动机。更快地运行发动机并调节变速器中的传动装置以增加发动机转速与车轮转速的比率使得可以在汽油发动机中使用较少的发动机扭矩以在车轮上获得与柴油机相同的扭矩。根据研究人员的计算，发动机扭矩的减少可以将驾驶期间的乙醇使用量减少到不到总燃料消耗量的10%，这可以通过车载燃料分离来提供。
减少气候影响
科恩指出了汽油 - 酒精SI发动机的另一个好处：减少温室气体排放的途径。
“在评估运输车辆的环境影响方面，一个有些未被充分认识的方面是，全球卡车的温室气体排放将在2020年至2030年之间的某个时候超过汽车的温室气体排放，”他指出。
汽油 - 酒精SI发动机可以在灵活燃料模式下运行，如果需要，它仅使用纯酒精。目前，通过观察燃料的生命周期并假设发动机效率相当，使用最先进方法从玉米中生产的乙醇产生的温室气体排放量比使用汽油或柴油 燃料低约20%。当乙醇和甲醇燃料由农业，林业和城市废物或特种生物质生产时，温室气体排放量可能会大幅减少。
“通过寻找替代能源来减少卡车的温室气体排放 - 例如，通过电气化 - 可能需要很长时间，”科恩说。“但如果你可以用乙醇或完全用乙醇来部分操作你的发动机，这是立即开始的好方法。”