汽车技术如何提升摩托车、船舶和工具性能

汽油发动机在汽车领域有着令人惊叹的发展史：最初的发展动力源于人们对高功率和舒适度的追求，而后在更严苛的能耗和排放标准下，它逐步演变为如今复杂的技术系统，针对使用目的达到了高程度的优化。多项技术在这一过程中发挥作用，其中包括缸内直喷、废气处理、小排量化和混合动力化。即使电动汽车乃未来的潮流，2050 年预计七成汽车依然将通过汽油发动机来驱动，其中大部分为搭载电动发动机的混合动力车。

摩托车、轻便摩托车和船艇在未来很长时间也将沿用汽油发动机。而在这些领域内，法规日益严苛，客户要求也更高。“欧盟极大幅度降低了摩托车的排放限值，”保时捷工程集团发动机部门主管克劳斯·富奥斯（Klaus Fuoss）说：“到2020 年，一氧化碳排放量每公里不超过 1,000 毫克，碳氢化合物不超过 100 毫克，与 2005 年汽车限值持平。”而氧化氮每公里最大排放量仅 60 毫克，与 2009 年汽车限值一致。

小型电器（手持和非手持）如电锯、割草机等也有着类似的趋势。依据美国和欧盟标准，手持电器将根据不同的气缸容量，每次使用时最多排放50-72 克碳氢化合物和氧化氮（混合）。非手持电器每千瓦时排放量则介于 8-10 克之间。

除法规制定者外，客户的要求也越发严苛。以大功率摩托车为例，“一方面客户希望通过提高转数提升功率，另一方面却追求低转数下的更佳驾驶性能。”富奥斯说道。而在发展中国家，节能结实的轻便型摩托车依然是许多人的选择，它们也将以更低成本的技术满足更严苛的废气标准。

劳动工具的使用者也希望获得更好的保护：德国工业工伤事故保险联合会规定每立方米空气中一氧化碳含量不超过 35 毫克。这一无味气体会聚积在如沟槽等地方，具有毒性。废气中的碳氢化合物也隐患无穷：它们不仅散发着让人很不舒适的气味，还含有致癌的苯环。

汽油发动机也应该更为洁净——不仅在汽车中。但非汽车领域的企业并不像汽车制造商那样拥有充裕的研发资金。“因此将汽车的成熟技术转移到其他应用中备受追捧，”富奥斯说：“其中影响最深远的是摩托车制造商，因为与摩托车相关的法规往往迟于汽车 6-8 年。”汽车中很多技术如今也陆续出现在高造价的摩托车中，例如通过增压器进行机械增压。

保时捷工程集团深谙汽油发动机领域的节能环保技术，可协助非汽车领域的企业将这些技术应用在相关产品中，并将比如低成本和减重等特殊要求纳入考量。但并非每一种技术都适宜于每一种产品。“我们必须针对不同情况精准地分析，从经济层面来衡量是否有实现目标的必要性。”富奥斯说道。为了更好地作出判断，保时捷工程集团的专家们对运用在摩托车、手持和非手持电器中的技术进行检验：可替代能源、直喷技术、废气再利用、可变配气机构、可变压缩、小排量化或者适度小排量化、电气化和水冷技术。

使用替代燃料，是降低二氧化碳排放的最快方式，例如以甲烷取代汽油：因为氢原子和碳原子的有利比例，发动机二氧化碳排放量可降低 25%。通过电解从再生电和甲烷处理中获得的再生 CH4 ，更是一种“气候中性”的气体。此外，替代能源中所含危害健康的物质更少。“从技术层面来看，这些替代能源取代汽油绝对有意义。”富奥斯表示道，“发动机所需改动也极小。”

直喷技术在非汽车领域也蕴藏着无穷潜力，甚至适用于电锯。因为可准确定时和精确碳化，该技术能有效降低能耗和排放量，其中碳氢化合物排放量的降幅尤为明显。这一已经过摩托车和摩托艇检验的技术，未来也可运用在手持和非手持电器中。“研发成本在合理范围内，因此而增加的 100-200 克重量即使对于手持电器也是可接受的。”富奥斯认为：“直喷技术何时并以怎样的速度进入这一领域，取决于未来的排放限值。”

这一技术尤其适合与废气再处理系统结合使用。三元催化器已应用在摩托车中，以降低碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物的排放。原则上，它们也可以帮助手持电器、固定式机械设备变得更为环保。但一切都有代价：废气温度的控制往往伴随性能的降低，此外的能耗也会相应提高。“三元催化器中昂贵的贵金属增加了成本，”富奥斯解释说，“在手持和非手持电器中，废气再利用虽然没有任何技术上的障碍，但只有在相应法规出台后，这一技术才能走向现实。”

对于大功率的摩托车，可变配气机构是一项非常有意思的技术。它让负荷变化更为灵活，从而提升性能，降低排放和能耗。但因为成本过高，这一技术无法在手持和非手持电器中推广。而对于摩托车，可变压缩比也可以带来类似的效力。富奥斯说：“如果能将效率提升百分之七至八，对于未来摩托车非常具有吸引力。”此外，还可以借助米勒循环和增压显著减少排放。“在手持和非手持电器领域，该技术仍然过于复杂且昂贵。”对于摩托车的小排量化或者适度小排量化，也将如汽车一样实现更低的能耗。

电力驱动可以帮助摩托车和工作电器实现零排放。但这也带来了许多问题，如运行时间。“电动摩托车虽然在加速方面表现良好，但是目前续航能力有限，不适合长途驾驶。”富奥斯解释说，“因此目前还很难断言，它们是否能取得成功。”如果想要电动运行手持和非手持电器，则必须购买更多电池以确保充足的运行时间。这将导致成本的大幅飙升。”

水冷技术可帮助内燃机有效节能，现在几乎所有的重型机车中（如摩托车、船艇和四轮摩托车）都能找到它的身影。简化的水冷系统也零星地出现在小型设备中，但因成本和重量而无法推广。

简言之，依保时捷工程集团专家之见，汽油发动机在汽车之外的领域依然有很广的用途。因此，将汽车中成熟且经济的节能技术引入新的应用中，可谓意义深远。

与汽车领域一样，摩托车、手持和非手持电器的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的排放限值也越发严苛，因此引入汽车领域的节能技术势在必行。

并非汽车领域的每项节能技术都适宜于引入到其他领域。在不同的情况下，成本、重量或安装空间等因素起着决定性作用。

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2019年第1期。

作者：Christian Buck

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