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中国工程院院士曹湘洪:汽车动力渐趋多样化 内燃机技术仍会占主体地位

2018-11-13 14:41:58 盖世汽车综合
核心提示:2018中国汽车工程学会年会暨展览会现场实录!

自主创新是当前我国汽车发展的核心和关键。为了进一步发挥科技创新的引领作用,凝聚顶级专家学者的智力优势,进一步推进中国汽车自主创新,在中国工程院指导下,中国工程院机械与运载工程学部、中国汽车工程学会、同济大学、中国工程院战略咨询中心联合打造第二届“汽车强国与自主创新”论坛。本届论坛将紧扣中国汽车产业发展新形势和新需求,围绕事关汽车强国和转型升级的重大战略问题和核心技术发展问题,组织相关院士、行业领袖和企业 CEO 进行深度研讨和交流。下面是中国工程院院士曹湘洪在本次论坛上的发言:

电动汽车,电池,内燃机技术,燃料电池汽车,油价上涨

中国工程院院士 曹湘洪

非常高兴应邀参加今天的论坛。我是搞炼油和石化工业的,炼油跟汽车有密切的关系,新能源汽车的发展会影响我们石油行业,在这里我想就汽车动力革命和油品消费做一个发言。

  一、电动汽车拉开了汽车动力革命的大幕

大家对这几年电动汽车的发展形成比较熟悉。

 二、燃料电池汽车开始加入汽车动力革命

氢气能量密度每公斤140MG,是汽油能量密度的3.25倍,氢气可以从可再生能源获得,利用化石能源制氢,过程转化的能效高,采用先进流程的煤制氢当量热效率可以达到75.5%,天然气部分氧化制氢当量热效率可以达到87.4%,化石能源制氢过程非常清洁和环保,可以实现污染物的近零排放,氢气和电力相比,容易大规模存储,氢气和氧气通过燃料电池发生电化学反应,产生电流,能效高,如果热量加以利用以后能效可以高大90%,而且过程只排放水。上世纪90年代世界知名的汽车制造商都开始了燃料电池的研究开发,上世纪末和本世纪初燃料电池汽车先后上路运行,围绕清晰的使用过程中的安全问题,国外都进行了比较系统的实验研究,像日本提出来只要和天然气一样管理,氢气使用过程中的安全风险是可防可控的。天然气、汽油、氢气物理化学性能的比较,注意燃烧浓度范围和爆炸浓度范围的比值,氢气燃烧范围和浓度范围最低的限是4%,可是爆炸浓度范围低限是18.3%,这和汽油跟天然气有明显的不同,氢气的比重明显低于汽油和天然气,是空气比重的1/14,这为氢气怎么样实现使用过程的安全创造了很好的条件。

日本政府制定了建设氢能社会的规划,提出了2030年燃料电池汽车的产销量达到80万辆,我们国家也提出了2030年建设加氢站1000座,燃料电池汽车产销量达到100万辆的发展目标,目前多地开始公交车和物流车燃料电池示范运行。十天前我在上海参观了一个做电堆的企业,也参观了一个运行燃料电池货用车的企业,据这个电堆企业介绍,现在每千瓦电堆成本大概在3000块钱,维持目前的水平把搜索规模扩大,掂对成本完全可以降到1000块钱,运行燃料电池货用车的企业建立了一个加氢站,每天货用车加氢车的数字大概在80-90辆,2-9月份这个站已经加了45.6吨的氢气,氢燃料的发展在我们国家速度还是很快的。

三、内燃机技术已经并将继续取得重大的进步

汽车制造商围绕着清洁低碳,加强内燃机技术的创新开发,不断取得新的进展,销售的汽车污染物排放大幅度下降,国1到国家6和对应的欧Ⅰ到欧Ⅵ汽油车污染物排放的限值,前面五个阶段我们完全是等效采用欧洲的标准,第六阶段是我们自己制定的标准,我们的标准比欧Ⅵ进一步严格。这是柴油车污染物排放标准的限值,这个标准是2016年12月公布的,现在我们已经有一批汽车企业公布了达到了国6b阶段要求的新车。内燃气汽车随着效率的提高,二氧化碳排放也在持续的下降,据报道,效率超过40%的汽油机已经在日本量产,我国天津大学苏万华院士团队研发的柴油机多脉冲燃油喷射高混合率技术,然效率达到了45.5%,在国内汽车企业有应用,已经用到国6车的制造当中。目前先进燃烧高增压和小型强化多系统多变量控制、余热回收、智能停缸、缸内喷水等新技术在加速开发,国际内燃机界把有效热效率提高到60%作为“短期”的奋斗目标,长期的期限是热效率达到85%,内燃机和发电机电池、电动机集成的油电混合动力汽车只加油、不充电,使内然发动机和电动机始终保持在最高效率点运行,汽油可以到30-50%,二氧化碳排放也可以明显低于传统的内燃机汽车和使用煤电的电动汽车。这是跟丰田公司交流的时候他们提供的油电混合动力汽车的测试排放结果,最里面的黄框是根据国6b设定的排放限值,可以看到油电混合动力汽车排放明显低于国6b的要求。内燃机汽车在减少二氧化碳排放上和减少污染物排放上都有很大的潜力。

 四、面向2050年,汽车动力渐趋多样化,内燃机动力仍会占主体地位

电动汽车、燃料电池汽车优势明显,问题也客观存在。有研究认为由于电动汽车重量明显高于内燃机,行驶过程中车辆和道路的摩擦产生的总的PM排放并不比内燃机总的PM排放低,这是相关的研究结果。日本东京大学专门研究了基于日本电力构成的全寿命NOx、PM、SOx等污染物排放和电动汽车的比较,电动汽车全寿命周期的污染物排放并不比汽油车低,电动汽车废电池的回收到现在还没有成熟可靠、环境污染小的技术,全面推广快充技术可以提高电动汽车使用的方便性,但对电网的冲击比较大,尤其在我国从漠河-腾冲线东南部43%居住了94%的人口,现在我们在积极推进城镇化的建设,新型城镇化的居民也都是住在多层建筑和高层建筑,对电动汽车的充电和使用方便是有难度的,电动汽车和燃油汽车会受到原油资源的约束,电动汽车的发展也会受到资源的约束,电动汽车电池的成本既和它的生产规模有关,还受控于资源,下降还是有很大的不确定性的,近几年电动汽车快速发展,锂的价格在快速上升,钴的价格也在暴涨,钴价格暴涨的过程当中钴的产量由于受制于资源并没有明显增长,所以面向未来,电动汽车发展同样会受到资源的约束。

当电动汽车行车里程短、受环境影响大、充电时间长、使用不方便和电池寿命短等问题得到比较好解决的时候,电动汽车才容易被广大消费者接受,当然我们还要解决好废电池回收的问题,当燃料电池汽车、电堆铂用量高、储氢瓶造价高、氢气运输、储存成本高、加氢站投资高等问题,随着技术进步和生产规模扩大逐步得到解决时才具备大力推广条件。面对正在出现的汽车多元化的趋势,国际上知名的汽车生产企业、石油开采企业和油品生产企业、能源和金融机构都在研究汽车革命的进程,思考如何应对这场革命,但是研究的结果是差异很大的。这是不同单位对电动汽车发展的预测,这是世界知名的一些公司,这是丰田汽车对未来汽车发展趋势的预测。这张图是汽车污染物排放要求十分严格的加州被载入轻负荷车情景的研究。

多数研究认为,面向未来传统内燃机车会逐步退出市。?偷缁旌隙?ζ?凳侵髁鞯姆⒄狗较,电动汽车和燃料电池汽车将发挥各自的优势,占据自己相应的市场。未来几十年是内燃机车和新能源汽车并存汽车动力多元化的时代,电动汽车、燃料电池汽车的产销量及市场保有量会逐步增长,但内燃机动力仍然会占主导地位,我们必须加大投入,加强创新,扎实推进内燃机技术的进步。

 五、面向未来,我国车用燃料的消费趋势

一是我国汽车保有量的发展趋势,2017年千人汽车保有量155辆,远低于发达国家的水平,面向未来我国汽车保有量还将会持续的增长,在我们国家高速铁路在快速发展,四纵四横的高速铁路干线网及客运专线在加快建设,人货分运、货运能力增加。城市轨道交通发展,都会抑制商用车增长,保有量预测在2020年会达到6100万辆左右的峰值,未来增加的主要是乘用车。公共交通逐步成为人们出行的首选方式,我国千人汽车保有量饱和值会明显低于发达国家,预计一线城市的饱和值在每千人250辆左右,全国平均饱和值在每千人350辆左右。预测全国汽车保有量2020年、2030年分别在2.6-2.8和3.8-4.0亿辆,2040年前后达到饱和值,4.8-5亿辆左右。

二是汽车革命对车用燃料消费的影响,电动汽车及燃料电池汽车的产量、销售量、保有量的增长对车用燃料消费的影响,2030和2040年分别在2%和10%左右,2050年不会超过40%。内燃机技术的进步和油电混合动力汽车的大面积推广会明显减少车用燃料的消费。

三是我们国家柴油的消费峰值大概在1.75亿吨左右,现在已经进入峰值平台期,从2014-2017年我们国家的柴油消费量基本在1.72-1.73亿吨,这两年还到不了1.7亿吨,汽油是在增长的。预测汽油消费量2025年前后会达到1.7亿吨左右的峰值,预测我国的航煤消费2020、2030年都会持续增长,到2030年可能在5700-5800万吨/年,船用燃料油在2200万吨/年。综合上述预测和未来乙烯、PX等化工用油需求增长,我国原油消费量2030年前后达到7亿吨左右的峰值。

 六、扎实推进炼油工业与汽车工业的协同发展

一是要开展燃料在内燃机中燃烧反应机理的研究,为内燃机汽车提高能效,减少污染物排放提供新的思路。长期以来我国炼油技术专家一直专注炼油工艺技术、催化剂和工程技术的研究开发与应用,进行油品标准研究,考虑的也是油品的不同技术指标对污染物排放的影响,没有关注过生产的油品在内燃机中的燃烧行为。要求内燃机汽车有更高的能效、更低的排放,从分子层面开展燃料在内燃机中的燃烧机理研究就显得十分的必要。从化学反应的角度,内燃机是一台燃料与空气中的氧气发生化学反应,将化学能转化成机械能的反应器,燃料和空气是反应器的进料。燃料的组成、组分的性质、氧燃比等和反应器的设计必须优化匹配,使燃料在反应器中的质量、能量、热量传递瞬间完成,实现高速高效反应。

汽油和柴油是不同分子量和分子结构的烃类的混合物,汽油主要由5-11个碳原子的烃分子组成,包括了正构烃、异构烃、环烷烃、短侧链单环芳烃;柴油主要由12-20个碳原子的烃分子组成,烃分子更多,包括正构烃、异构烃、长侧链的环烷烃、长侧链的单环芳烃、双环芳烃、三环芳烃。燃料进入发动机气缸以后要在极短的时间内和空气中的氧均匀混合。不同结构不同分子量的烃分子有不同沸点、闪点、气化热、燃烧热,会存在气化速度与氧混合速度的差异,不同烃分子和氧发生燃烧反应的历程也会不同,主反应的产物是水和二氧化碳,同时存在生成一氧化碳、碳氢化合物、PM及在发动机某些部位生成沉积物的副反应。

统计了一下,汽油中大概有365种分子,研究燃料中不同烃分子在内燃机中与氧混合发生燃烧反应的机理和历程,优化内燃机结构设计和开发新一代内燃机、控制反应路径和防止副反应、提高热效率实现零排放有重要指导意义,能启迪我们寻找防止非正常燃烧的新技术途径,可以从内燃机结构要求出发,提出优化烃分子结构和组成的信息,有目的地发展分子炼油理论和技术,为内燃机生产出适用的油品。

二是不断改善油品的品质,支持车用内燃机提高能效和污染物达到近零的水平。根据统计,到2020年我国将形成9.6亿吨/年左右的原油加工能力,不仅可满足2030年原油消费峰值的需求,而且还有过剩,所以今后我国炼油工业与汽车工业协同发展主要一是优化装置结构和加工流程,二是继续提升油品质量。过去,我国炼油工业一直承担着为城镇居民提供民用液化气的繁重任务,现在我国城镇居民民用燃料逐步天然气化,有条件利用液化气资源生产更多高辛烷值汽油调和组份。生物乙醇是可再生的汽油高辛烷值调和组份,为了消除陈化粮和重金属污染的问题粮食,我国决定加快发展生物乙醇,全面推广乙醇汽油,我国还有足够的粮食加工废弃物及农作物秸秆可通过纤维素乙醇途径生产生物乙醇。所以炼油企业要充分利用资源,努力汽油的辛烷值,尽早实现市售汽油取消89号、92号,多产95号,增公98号。为了实现内燃机汽车污染物的更低排放,要采用新技术和优化生产流程,进一步优化汽油组成,尽早将T50从110摄氏度降低到105摄氏度以下,将柴油中的多环芳烃降低到比7v%更低的水平。

三是紧密结合高效、节能、清洁内燃机新技术的研究,协同开发新规格的燃料,内燃机界正在致力于开发GCI、RCCI、CPCC、HCCI、GDCI等先进的燃烧技术。炼油专家要和内燃机专家共同组成内燃机燃烧新技术创新开发团队,主动承接新燃料的研制开发任务。要及时将研制开发的新燃料标准化,同步开展生产新燃料的炼油工艺开发和总流程优化研究,为新燃料生产做好技术准备。要适时建立新燃料的生产和市场供应系统,支持采用先进燃烧技术的内燃机汽车的市场推广。

四是增产高档润滑油,研制开发发动机油技术标准体系。车用高档润滑油消费增长已成为我国高档润滑油消费增长的主要推动力,随着高效低排放内燃机汽车的增加,炼油行业要加快润滑油品种结构调整,增产高档内燃机油。还要配合新一代内燃机研制,同步做好润滑油开发。

最后我想说,在已经开启并逐步演进的汽车多元化时代中,相当长时间内内燃机仍占主体地位,必须加强高效、清洁、近零排放内燃机技术的开发及推广应用,炼油企业要积极开展燃料在内燃机中燃烧机理的研究,发展分子炼油理论和技术,不断提升油品质量和开发新燃料,大力支持内燃机技术的进步。

谢谢。

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