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    天津大學堯命發:雙碳目標下的車用內燃機技術趨勢

    發布時間:2021-09-05 16:00    來源:泰達汽車論壇

    關鍵詞:技術趨勢 泰達汽車論壇 前沿瞭望 天津大學 堯命發 雙碳目標 車用內燃機

    摘要:2021年9月3日-5日,第十七屆中國汽車產業發展(泰達)國際論壇(以下簡稱泰達汽車論壇)在天津市濱海新區召開。本屆論壇圍繞“融合?創新?綠色”的年度主題,聚焦行業熱點話題展開研討。在9月5日 “前沿瞭望:‘雙碳’驅動技術創新”中,天津大學講席教授堯命發發表了題為“雙碳目標下的車用內燃機技術趨勢”的演講。

      2021年9月3日-5日,由中國汽車技術研究中心有限公司、中國汽車工程學會、中國汽車工業協會、中國汽車報社聯合主辦,天津經濟技術開發區管理委員會特別支持,日本汽車工業協會、德國汽車工業協會聯合協辦的第十七屆中國汽車產業發展(泰達)國際論壇(以下簡稱泰達汽車論壇)在天津市濱海新區召開。本屆論壇圍繞“融合•創新•綠色”的年度主題,聚焦行業熱點話題展開研討。

      在9月5日 “前沿瞭望:‘雙碳’驅動技術創新”中,天津大學講席教授堯命發發表了題為“雙碳目標下的車用內燃機技術趨勢”的演講。

    天津大學講席教授  堯命發

      以下為演講實錄:

      實際上內燃機現在面臨很嚴峻的挑戰。在2020年,基本上像包括國際能源署、美國、歐洲都宣布了2050年碳中和的目標。國家提出的3060目標,“60”的目標國際上認為是比較慢的,對我國的壓力還是比較大,我們從碳達峰到碳中和只有30年的時間,而且基于我國能源結構,這個壓力還是很大的。

      實際上過去一年,整個世界形勢發生了很大變化,最大的變化就是國際能源署發布的2050年碳中和目標路線圖,因為國際能源署都會發布對于未來能源的報告。有很大的變化,它計劃到2030年全球銷售的汽車60%達到電動車,2035年50%的重型車也變為電動,發達國家要實現凈零排放。

      相對應的,對于車用動力的預測,路線圖也提出來,我們可以看到這里基本上找不到發動機的影子,基本上就是由電動、燃料電池來分擔??梢詫Ρ纫幌?,在2020年彭博社對于未來車用動力的發展預測。2020年的預測里,未來的內燃機還有相當的數量,尤其乘用車,像重型車、船、飛機。所以說,這里給我們的一個挑戰,也就是說我們整個內燃機在未來車用動力方面面臨著嚴酷的環境,去內燃機化的思潮在國際上蔓延。完全電動化還是有一些爭議,今年的G7會議,原來要把汽車行業的綠色轉型寫入到公告,但是最后沒有寫,只是承諾采用更多的措施實現交通運輸的電氣化,并且沒有具體的日期和時間。

      第二,今年六七月份,我們也參與了歐盟組織的全球專家給歐盟議會的一個建議,還是反對在2035年禁售內燃機汽車。歐洲有一個特點,歐洲因為差異很大,比如說挪威,它的水電占了98%,所以它對降碳是最熱衷的。法國是核電占50%,德國政府還是堅持要內燃機汽車,這和國家的一些能源結構、工業基礎是息息相關的。

      所以,對我國來講,我國未來內燃機降碳和碳中和的過程中將發揮什么作用?以及未來在碳中和方面,內燃機的技術趨勢是什么?這個報告我主要闡述這兩個問題。

      第一個觀點,內燃機在汽車實現碳中和中占主要的因素。盡管我國這兩年,新能源、風能、太陽能裝機量逐年增長,可能占到總裝機量的30%-40%,但是裝機量和發電量是不一樣的,因為風和太陽能不是24小時發電,也不是全氣候的發電,即使這樣,可以看到2018-2019年的電力發布,我國在可再生能源增長很快的情況下,整個電力結構并沒有發生根本性改變。也就決定了我國電網的碳排放水平遠遠高于世界的排放水平,這是國際內燃機組織提供的報告。德國一直是可再生能源電做得最好的一個國家。

      整個新能源替代石化能源是一個漫長的過程,主要有幾個原因。第一,水電和火電實際上是可以穩定的電網調節和無功調節能力是這個電網的基礎。風、光電有隨機性,必須有調節電源。即使電動車成為儲能裝置的話有一個條件,還要能夠上網才能夠存儲。當然,如果有別墅是可以的,房頂上裝太陽能板,裝一個充電是可以的,但是集中的能源供給不太可能,首先要保證上面網的問題。如果不穩定電源超過20%,電網安全的風險很大。要解決這個問題,德國可再生能源用得很好,主要得益于可以充分利用北歐的水電,北歐的水電是可再生電的調節結構。美國大概有50%的調峰電源,主要是燃氣,煤的火電調節難度差一點。所以要解決新能源的穩定性,一個是發展新能源的儲能,另一方面要把現在的火力電功能進行轉換,改造和擴容配套更多的調節電源,仍然為新能源服務。我聽到一個人介紹,張家口做了很多風電場,同時相應建了好多火力發電廠,就是用來調峰的。

      所以我國更適合能源動力多元化的發展趨勢,這主要是我國能源稟賦決定的。我想煤炭能源在中國的主導地位沒有改變之前,油氣的高效清潔利用是對減排做出貢獻。因為我們不能用煤電,我們也知道國家最近電出現緊張了,為什么?限制煤了。上個月國家發改委剛剛又重新準許了6000多萬噸煤的產能可以投入,說明什么?如果電不夠我們要用煤,用煤就有碳,碳肯定比油氣更高,這是我國的資源稟賦和電力需求特點決定的。

      另外對于氫能,我們還是可以看到,藍氫還是綠氫是不確定的,會影響到基礎設施的投入。另外氫的儲運,下面這個觀點是清華大學李震教授提到的,他說一個20噸的卡車只能裝幾百公斤的氫,運輸能力還是一個很大的問題。另外一個,在終端的應用方面,我們還需要有很多探索。所以說,我們在新能源技術存在不確定性的時候需要探索降碳和碳中和的多種技術路線。

      由于我國的能源特點,在2021年全球能源互聯網組織發布的一個《中國2030年能源電力發展規劃研究及2060年展望》,煤炭依然是未來10-15年力主要的一個來源,他們預計煤炭在2030年每年消耗25億噸。我國的整個電力結構短期很難得到根本性改變。

      基于我國電力的情況,可以看到這里面如果我們把一輛特斯拉汽車,大概百公里17度的耗電,折合為燃油,基本上在油箱到車輪的狀態下為4.72L,左邊這個圖是我國的電力排放水平,可以看到,我國在燃油電動車的過程當中,遠遠高于歐盟的國家,這是目前基本的一個現實。

      如果我們來比較一下,國內現在已經用的比較好的一款混動汽車,工信部的油耗是4.1L,綜合工況油耗是5.37L,顯然油箱到車輪在目前的狀況下,電動車仍然是要比混動高,這是一個現實。

      但是,如果把電動車在制造過程中的碳排放折算起來,電動車涉及到很多礦物質,按照中國的制造技術背景條件下,基本上它折合油耗大概是5.86L,也就是說如果要考慮全生命周期的話,實際上電動車仍然會比目前的混合動力汽車要高的碳排放。如果我們高效發動機的話,實際上結合混合動力,可以助力于汽車降低碳排放。實際上內燃機達到什么水平呢?如果目前用41%的熱效率用在混合動力條件下,NEDC的循環基本可以達到4.2L,2025年相當于3.6L。意味著2030年之前,內燃機還是一個主流,但是到了2L以后,要不然就是用插入式混合動力,要不然和燃料結合。

      今年4月份在維也納召開的會議,對于氫的可再生燃料歐洲還是很重視的。另外還有小部分的生物質燃料,比如加了10%的乙醇,就是生物質燃料,從本質來講就是碳中和的一種構成。

      國際上普遍認為,內燃機本身不是碳排放產生的原因,是因為用了化石燃料,禁止內燃機不是一種解決方案,如果采用生物質燃料,它的碳排放水平可能比來自于風電的電動車還要低。禁止內燃機將關閉作為生物燃料和可再生燃料的幾種可持續解決碳排放方案的大門。

      在近十年來,提高效率和電氣化,也就是混合動力化,可能是降低乘用車碳排放的一個重要技術途徑。到2035年以后,隨著技術的發展,那個時候新能源技術可能更加清晰了,電池技術也可能得到很大的一個突破,可能內燃機真要進博物館了。也有可能燃料的制備技術作為儲備,內燃機可能用更多的可再生燃料。

      面向低碳和碳中和的車用內燃機的趨勢。

      第一,提高熱效率是內然動力系統長期的技術需求,當然這個要保證發動機的效率,包括整車效率,無論是采用什么能源,都是長期的技術需求。

      第二,在使用過程中,我們必須減少或者進一步降低內燃機的排放,也就是說零環境影響的排放控制是內燃機生存的基礎。因為必須要滿足發動機的要求,滿足環境的要求。

      第三,混合動力將會是車用內燃機的系統應用的主要方式。純內燃機的汽車將會逐步退出歷史舞臺,內燃機一定要加電?,F在國際上最新的報道也認為,內燃機與電系統的結合,整體熱效率提高的潛力可以超過65%。

      第四,碳中和燃料是內燃機實現凈零排放的根本。

      這張圖是從國家統計局查到的,在交通運輸領域近二十年,柴油、汽油和天然氣的消耗情況折算的二氧化碳排放。我國汽車保有量在逐步增長,電動車也在增長,但是比例還是比較小。由于技術的進步,所以我國在2015年的時候,交通領域的碳排放變得減緩的趨勢,到了2018、2019年,成品油的消耗是在逐步降低,這里把天然氣也算上了,因為有的卡車用天然氣。節能還是我國最近實現交通運輸或者汽車降碳的一個最現實、最重要的途徑。我們也知道,在國內外,發動機的高效率技術這幾年發展也很快,我昨天跟一些不搞發動機技術的人聊天,他都有一個感受,他說我國汽車技術的進步就是動力總成,發動機技術進步很大。我說本世紀初,一汽提出二十年的進步,我說這就是二十年。2000年到現在,發動機基本可以實現自主開發,所以進步還是很大的。

      這里面有一些國際上最先進的技術,包括超稀薄燃燒,實際上汽油壓燃效率也可以達到45%,但它有一個最大的優點,把負荷提上去了,滿足更大的動力需求。

      同樣,商用車像美國超級卡車計劃可以達到55%的熱效率,我國濰柴去年宣布的50%的熱效率,所以我們在熱效率技術方面,國內也取得了很大的進步,包括去年很多乘用車企業分別宣布了41%、42%的熱效率,未來可能還會有45%的熱效率的公布。

      發動機面臨另外一個問題是汽車排放向近零排放的發展。目前我們說國六很嚴,在2020年6月份美國加州通過了一個法規,在現有排放的基礎上達到90%。如果到了這個排放水平,實際上基本不會超過5個PPM,達到零環境影響,對環境沒有負面作用了。乘用車也是一樣的,歐洲在討論歐7的問題,我國也在討論國七的問題。當然這里我們會涉及到相關的后處理技術,比如說對于后處理系統可能越來越復雜,重型車采用兩級的SCR系統,汽油機也會采用防氨泄露。

      另外在發動機里面,最重要的是RDE,就是實際的駕駛工況的控制技術。實際上現在商用車在很多時候,道路行駛的排放遠遠高于法規規定的排放,這是面臨的問題。另外對于乘用車的油耗,實際道路的油耗往往比工況高20%-30%,如何縮小差距很重要。

      第三,混動化是車用內燃動力的方向?;靹踊莾热紮C未來內然動力應用的方向,比如說以重載載貨物流的插電式混動系統,它的系統效率提高了30%。還有像18噸的混動客車,能效改善18%,另外還有康明斯,皮卡和物流車可以實現65.2%的接入效率。

      我們也在開展混動客車的研究,比如重型牽引貨車的混動系統,目前的狀態是實現47噸百公里油耗小于29L,還有物流車,ECVT功率分流式混合動力系統,節油率可以達到25%,所以有很大的潛力。當然這里的技術包括混動系統專用發動機技術,系統構型與機電協同匹配等等。

      最終實現碳中和只有依賴于生物質和碳中和燃料,當然低碳燃料也是降低碳排放的途徑。另外可再生燃料部分摻混。從燃料的角度來講是實現碳排放的最重要的。

      燃料儲能是通過燃料的方式把它轉化為穩定的電。氫發動機將來也是一個很好的混合動力系統方案。比如說傳統動力,像博世達到39%的熱效率。實際上這個效率已經很接近燃料電池的效率,所以氫發動機還是有很大的空間。所以我想這個是未來的四大技術方向。

      第一,高效內燃機仍然要發揮很重要的作用。

      第二,提高效率,減少石化能源的使用并降低碳排放是推動交通運輸能源結構轉型的動力之一。

      第三,要滿足近零排放法規。

      第四,混合動力是我們內燃機的發展方向。

      第五,拓展生物質燃料、碳中和燃料,是實現碳達峰、碳中和的必然途徑。

     

      【延伸閱讀】

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    (責編:yangbo)
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