内燃机：永不熄灭的动力源泉

　　Marc-IV（M4）咨询公司创始人兼美国试验与材料学会生物柴油工作组主席Steve Howell表示：“生物柴油推动了食品和燃业的可持续发展，”因为生物柴油燃料可由动物脂肪或大豆油和蒸馏玉米油等各种油脂制成。

　　2022 年，美国生产了 16.2 亿加仑生物柴油、15.0 亿加仑可再生柴油和 2 亿加仑其他生物燃料。（U.S. EIA）

　　在过去15年间，生物柴油和可再生柴油的产量大幅度增长。2010年，二者总产量达到2亿加仑，并在2023年暴涨至45亿加仑以上。Howell表示：“目前，北美地区的可再生柴油和生物柴油的产量大致各占一半。”长期预测显示，两种柴油的总产量将在2030年达到60亿加仑，并在2050年飙升至150亿加仑。根据行业研究，到2025年，原料产能可支持额外生产18亿加仑生物柴油。

　　Howell指出，将低碳生物柴油用作内燃机燃料可减少大气中70%的碳排放。Howell称：“目前，行业正积极推广生物柴油的使用。我们预期100%生物柴油（B100）、可再生柴油（RD100）或两者的混合物会成为2030年、2050年乃至更遥远的未来实现低净碳排放的可行燃料方案。”

　　美国市场的柴油硫含量上限为15ppm，尽管某些越野车可使用硫含量更高的柴油。英诺斯派（Innospec）高性能添加剂首席技术官Mary Dery指出，未经处理的柴油可能会影响发动机性能。例如，如果喷油器喷出的是直射流而非气溶胶喷雾，便会损害发动机性能。“这在某种程度上预示着燃油无法在燃烧室内充分燃烧，以此来降低燃油经济性，最终还会产生更多颗粒物。”不过，燃料除垢剂能够解决这一个问题，Dery补充道。

　　Dery援引了数个现场试验的实例来说明柴油燃料添加剂对改善发动机性能的作用。在一项针对上班时间超过1,800小时的约翰迪尔5100E农用牵引机的现场测试中，当研究人员拆下未经处理的喷油嘴时，底部露出了大量污垢形成的深坑。”

　　Dery 介绍说：“其形状酷似一座火山。但在燃料中添加除垢剂并运行仅仅100小时后，喷油孔周围的污垢就被清除了，氮氧化物排放量也减少了30%。”她还指出，使用除垢剂后，PM2.5颗粒物排放和烟炱排放也分别减少了34%和30%。

　　菲亚特动力科技（FPT Industrial）的工程师设计了一款全新重型发动机，与上一代发动机相比，新款发动机在提升性能和制动功率的同时也降低了油耗和重量。XCursor 13（XC13）不仅是菲亚特动力科技的首款单平台多燃料发动机，还满足了2025年欧盟重型卡车二氧化碳减排目标的要求。“XC13无疑是行业有史以来最令人期待的技术之一，”菲亚特动力科技的技术中心总监Ivan Tate表示，该公司总部在意大利都灵。

　　FPT的XC13发动机在2024年 ACT Expo展出，可使用多种燃料，包括柴油（左）、天然气和氢（右）。（SAE/Ryan Gehm）

　　全新XC13发动机采用了13升直列六缸设计，缸体和缸盖采用了高密度石墨铸铁件。“该材料不仅减轻了发动机重量，还增强了其刚度”，还有助于减排和保持气缸压力，Tate补充道。此外，采用新材料制造的连杆销和曲轴销也有实际效果的减少了摩擦。新型气门机构系统、可变油泵和水泵，以及先进的燃烧控制和热管理技术也都应用在了XC13上。

　　与上一代车型相比，XC13天然气版的功率提高了9%，扭矩提高了10%，燃料消耗减少了8%，制动功率提高了300%。（SAE/Ryan Gehm）

　　与上一代柴油发动机C13相比，柴油版XC13的功率提升了2%，扭矩增加了12%，油耗降低了7%，重量减轻了10%，制动力提升了29%。相比之下，天然气版XC13的功率提升了9%，扭矩增加了10%，油耗降低了8%，重量减轻了10%，制动力更是提升了300%。

　　Tate表示：“我们最主要的需求之一是提高发动机制动的制动力。”柴油版XC13发动机的上限功率和扭矩可达到600 hp（442kW）和2,100磅英尺（2,850牛米），而天然气版达到了520 hp（382kW）和1,840磅英尺（2,500牛米）。

　　思达奈（Stanadyne）、韩国汽车技术研究院（Katech Engineering）和美国丙烷教育与研究委员会（PERC）联合研究的液化丙烷气（LPG）发动机项目在2023年进入了关键阶段：在GM L8T发动机上测试新型LPG组件/系统。（基准发动机为一款中重型皮卡专用的6.6升V8直喷式汽油发动机。）

　　测试采用了一套气阻抑制系统（采用了韩国汽车技术研究院设计开发的软硬件策略）以确保LPG被输送至思达奈开发的LPG直喷燃油泵（具有独特的液化气流径设计）和喷油系统（包括为增加喷油器耐磨性的额外镀层）。测试证实，LPG系统能够以350bar的恒定压力直接将丙烷燃料输送到发动机中，同时减少潜在的气阻风险。

　　测试内容还包括在已启动的发动机上进行连续250小时的性能和耐久性测试，包括热浸、热停机、加油以及适用于道路模式和越野模式的负载点等多项测试。在测试期间，LPG直喷系统展示出了与基准直喷汽油发动机相当或更出色的功率和扭矩性能。

　　与传统柴油燃料相比，LPG通常可减少大约5% - 10%的二氧化碳排放。思达奈首席工程师Srinu Gunturu表示：“这项新技术有望助力行业利用可再生二甲基醚（rDME）混合物和可再生丙烷来实现零碳排放。”Gunturu认为LPG直喷发动机已具备了商业化推广的技术基础。

　　三元催化剂早在20世纪70年代就已进入市场，并在过去数十年间一直在改进。庄信万丰（Johnson Matthey）的产品线经理Louise Arnold表示：“我们一定要确保催化剂能够在低温范围内发挥催化作用，同时具备耐高温性能。这项一直存在的挑战积极推动了我们的催化剂研发工作。”这家成立了207年的老牌公司已在排放控制领域深耕了50多年。

　　三元催化剂适用于汽油、汽油混合燃料、乙醇、液化石油气和压缩天然气燃料，这些燃料在 AFR（空燃比）= 1 的条件下工作。催化剂的尺寸和 PGM 含量根据用途和目标法规进行了优化。（Johnson Matthey）

　　庄信万丰研发的下一代三元催化剂可通过提高点火速度增强排放性能，并降低30%的铂族金属（PGM）成本。Arnold还指出，汽油发动机的颗粒物过滤器正在加速推广应用。Arnold表示：“这项技术已在欧洲和中国市场上经过了检验，因此我们很看好该技术在美国市场上的推广应用。”

　　天纳克（Tenneco）控制与先进的技术工程总监Nick Morley简要介绍了三种减排技术：燃料燃烧器、电加热器和双燃料先进混合系统。燃料燃烧器可迅速加热后处理装置，将效率提升至顶配水平，从而令发动机更快地进入燃油经济模式。在一个实际应用中，一辆柴油机商用车在安装了该装置后，其进入燃油经济模式的时间缩短了6分钟。

　　Morley同时提到：“尽管在不同测试循环下具体表现不同，使用燃料加热器的确可以在一定程度上完成碳中和，并减少近90%的氮氧化物。”

　　电加热器适用于搭载48V电池架构的电动车。Morley称：“电加热器比燃料燃烧器更容易集成至车辆。”安装电加热器对插电式混合动力汽车（PHEV）的燃油经济性几乎不会造成负担，甚至在必要的情况下还可安装多台电加热器。

　　双剂量选择性催化还原（SCR）系统是柴油发动机可选的另一种减排技术。该系统比传统的SCR系统更靠近发动机，以利用发动机产生的热量。该技术可实现灵活布局，并在被动再生过程中控制二氧化氮和氮氧化物的比例。

　　Morley表示：“除了后处理领域，燃料与发动机领域还存在许多行之有效的减排技术，可让我们实现当下和未来的排放目标。”