尧命发:双碳目标下的车用内燃机技术趋势

文章来源:AI 汽车制造业 发布时间:2021-09-05
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在9月5日 “前沿瞭望:‘双碳’驱动技术创新”中,天津大学讲席教授尧命发发表了题为“双碳目标下的车用内燃机技术趋势”的演讲。

2021年9月3日-5日,由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社联合主办,天津经济技术开发区管理委员会特别支持,日本汽车工业协会、德国汽车工业协会联合协办的第十七届中国汽车产业发展(泰达)国际论坛(以下简称泰达汽车论坛)在天津市滨海新区召开。本届论坛围绕“融合•创新•绿色”的年度主题,聚焦行业热点话题展开研讨。

9月5 前沿瞭望双碳驱动技术创新”中,天津大学讲席教授尧命发发表了题为双碳目标下的车用内燃机技术趋势”的演讲。

天津大学讲席教授  尧命发

以下为演讲实录:

实际上内燃机现在面临很严峻的挑战。在2020年,基本上像包括国际能源署、美国、欧洲都宣布了2050年碳中和的目标。国家提出的3060目标“60”的目标国际上认为是比较慢的,对我国的压力还是比较大,我们从达峰到中和只有30年的时间,而且基于我国能源结构,这个压力还是很大的。

    实际上过去一年,整个世界形势发生了很大变化,最大的变化就是国际能源署发布的2050年碳中和目标路线图,因为国际能源署都会发布对于未来能源的报告。很大的变化,它计划到2030年全球销售的汽车60%达到电动车,2035年50%的重型车也变为电动,发达国家要实现净零排放。

    相对应的,对于车用动力的预测,路线图也提出来,我们可以看到这里基本上找不到发动机的影子,基本上就是由电动、燃料电池来分担。可以对比一下,在2020年彭博社对于未来车用动力的发展预测。2020年的预测里,未来的内燃机还有相当的数量,尤其乘用车,像重型车、船、飞机。所以说,这里给我们的一个挑战,也就是说我们整个内燃机在未来车用动力方面面临着严酷的环境,去内燃机化的思潮在国际上蔓延。完全电动化还是有一些争议,今年的G7会议,原来要把汽车行业的绿色转型写入到公告,但是最后没有写,只是承诺采用更多的措施实现交通运输的电气化,并且没有具体的日期和时间。

    第二,今年六七月份,我们也参与了欧盟组织的全球专家给欧盟议会的一个建议,还是反对在2035年禁售内燃机汽车。欧洲有一个特点,欧洲因为差异很大,比如说挪威,它的水电占了98%,所以它降碳是最热衷的。法国是核电占50%,德国政府还是坚持要内燃机汽车,这和国家的一些能源结构、工业基础是息息相关的。

    所以,对我国来讲,我国未来内燃机降碳和碳中和的过程中将发挥什么作用?以及未来在碳中和方面,内燃机的技术趋势是什么?这个报告我主要阐述这两个问题。

    第一个观点,内燃机在汽车实现碳中和中主要的因素。尽管我国这两年,新能源、风能、太阳能装机量逐年增长,可能占到总装机量的30%-40%,但是装机量和发电量是不一样的,因为风和太阳能不是24小时发电,也不是全气候的发电,即使这样,可以看到2018-2019的电力发布,我国在可再生能源增长很快的情况下,整个电力结构并没有发生根本性改变。也就决定了我国电网的碳排放水平远远高于世界的排放水平,这是国际内燃机组织提供的报告。德国一直可再生能源电做得最好的一个国家。

    整个新能源替代石化能源是一个漫长的过程,主要有几个原因。第一,水电和火电实际上是可以稳定的电网调节和无功调节能力是这个电网的基础。风、光电有随机性,必须有调节电源。即使电动车成为储能装置的话有一个条件,还要能够上网才能够储。当然,如果有别墅是可以的,房顶上装太阳能板,装一个充电是可以的,但是集中的能源供给不太可能,首先要保证上面网的问题。如果不稳定电源超过20%,电网安全的风险很大。要解决这个问题,德国可再生能源用得很好,主要得益于可以充分利用北欧的水电,北欧的水电是可再生电的调节结构。美国大概有50%的调峰电源,主要是燃气,煤的火电调节难度差一点。所以要解决新能源的稳定性,一个是发展新能源的储能,另一方面要把现在的火力电功能进行转换,改造和扩容配套更多的调节电源,仍然为新能源服务。我听到一个人介绍,张家口做了很多风电场,同时相应建了好多火力发电厂,就是用来调峰的。

    所以我国更适合能源动力多元化的发展趋势,这主要是我国能源禀赋决定的。我想煤炭能源在中国的主导地位没有改变之前,油气的高效清洁利用是对减排做出贡献。因为我们不能用煤电,我们也知道国家最近电出现紧张了,为什么?限制煤了。上个月国家发改委刚刚又重新准许了6000多万吨煤的产能可以投入,说明什么?如果电不够我们要用煤,用煤就有碳,碳肯定比油气更高,这是我国的资源禀赋和电力需求特点决定的。

    另外对于氢能,我们还是可以看到,蓝氢还是绿氢是不确定的,会影响到基础设施的投入。另外氢的储运,下面这个观点是清华大学李教授提到的,他说一个20吨的卡车只能装几百公斤的氢,运输能力还是一个很大的问题。另外一个,在终端的应用方面,我们还需要有很多探索。所以说,我们在新能源技术存在不确定性的时候需要探索降碳和碳中和的多种技术路线。

    由于我国的能源特点,在2021年全球能源互联网组织发布的一个《中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望》,煤炭依然未来10-15年力主要的一个来源,他们预计煤炭在2030年每年消耗25亿吨。我国的整个电力结构短期很难得到根本性改变。

    基于我国电力的情况,可以看到这里面如果我们把一辆特斯拉汽车,大概百公里17度的耗电,折合为燃油,基本上在油箱到车轮的状态下为4.72L,左边这个图是我国的电力排放水平,可以看到,我国在燃油电动车的过程当中,远远高于欧盟的国家,这是目前基本的一个现实。

    如果我们来比较一下,国内现在已经用的比较好的一款混动汽车,工信部的油耗是4.1L,综合工况油耗是5.37L,显然油箱到车轮在目前的状况下,电动车仍然是要比混动高,这是一个现实。

    但是,如果把电动车在制造过程中的碳排放折算起来,电动车涉及到很多矿物质,按照中国的制造技术背景条件下,基本上它折合油耗大概是5.86L,也就是说如果要考虑全生命周期的话,实际上电动车仍然会比目前的混合动力汽车要高的碳排放。如果我们高效发动机的话,实际上结合混合动力,可以助力于汽车降低碳排放。实际上内燃机达到什么水平呢?如果目前用41%的热效率用在混合动力条件下,NEDC的循环基本可以达到4.2L,2025年相当于3.6L。意味着2030年之前,内燃机还是一个主流,但是到了2L以后,要不然就是用插入式混合动力,要不然和燃料结合。

    今年4月份在维也纳召开的会议,对于氢的可再生燃料欧洲还是很重视的。另外还有小部分的生物质燃料,比如加了10%的乙醇,就是生物质燃料,从本质来讲就是碳中和的一种构成。

    国际上普遍认为,内燃机本身不是碳排放产生的原因,是因为用了化石燃料,禁止内燃机不是一种解决方案,如果采用生物质燃料,它的碳排放水平可能比来自于风电的电动车还要低。禁止内燃机将关闭作为生物燃料和可再生燃料的几种可持续解决碳排放方案的大门。

    在近十年来,提高效率和电气化,也就是混合动力化,可能是降低乘用车碳排放的一个重要技术途径。到2035年以后,随着技术的发展,那个时候新能源技术可能更加清晰了,电池技术也可能得到很大的一个突破,可能内燃机真要进博物馆了。也有可能燃料的制备技术作为储备,内燃机可能用更多的可再生燃料。

面向低碳和碳中和的车用内燃机的趋势。

第一,提高热效率是内然动力系统长期的技术需求,当然这个保证发动机的效率,包括整车效率,无论是采用什么能源,是长期的技术需求。

    第二,在使用过程中,我们必须减少或者进一步降低内燃机的排放,也就是说零环境影响的排放控制是内燃机生存的基础。因为必须要满足发动机的要求,满足环境的要求。

    第三,混合动力将会是车用内燃机的系统应用的主要方式。纯内燃机的汽车将会逐步退出历史舞台,内燃机一定要加电。现在国际上最新的报道也认为,内燃机与电系统的结合,整体热效率提高的潜力可以超过65%。

    第四,碳中和燃料是内燃机实现净零排放的根本。

    这张图是从国家统计局查到的,在交通运输领域近二十年,柴油、汽油和天然气的消耗情况折算的二氧化碳排放。我国汽车保有量在逐步增长,电动车也在增长,但是比例还是比较小。由于技术的进步,所以我国在2015年的时候,交通领域的碳排放变得减缓的趋势,到了2018、2019年,成品油的消耗是在逐步降低,这里把天然气也算上了,因为有的卡车用天然气。节能还是我国最近实现交通运输或者汽车降碳的一个最现实、最重要的途径。我们也知道,在国内外,发动机的高效率技术这几年发展也很快,我昨天跟一些不搞发动机技术的人聊天,他都有一个感受,他说我国汽车技术的进步就是动力总成,发动机技术进步很大。我说本世纪初,一汽提出二十年的进步,我说这就是二十年。2000年到现在,发动机基本可以实现自主开发,所以进步还是很大的。

    这里面有一些国际上最先进的技术,包括超稀薄燃烧,实际上汽油压燃效率也可以达到45%,但它有一个最大的优点,把负荷提上去了,满足更大的动力需求。

    同样,商用车像美国超级卡车计划可以达到55%的热效率,我国潍柴去年宣布的50%的热效率,所以我们在热效率技术方面,国内也取得了很大的进步,包括去年很多乘用车企业分别宣布了41%、42%的热效率,未来可能还会有45%的热效率公布。

    发动机面临另外一个问题是汽车排放向近零排放的发展。目前我们说国六很严,在2020年6月份美国加州通过了一个法规,在现有排放的基础上达到90%。如果到了这个排放水平,实际上基本不会超过5个PPM,达到零环境影响,对环境没有负面作用了。乘用车也是一样的,欧洲在讨论欧7的问题,我国也在讨论国七的问题。当然这里我们会涉及到相关的后处理技术,比如说对于后处理系统可能越来越复杂,重型车采用两级的SCR系统,汽油机也会采用防氨泄露。

    另外在发动机里面,最重要的是RDE,就是实际的驾驶工况的控制技术。实际上现在商用车在很多时候,道路行驶的排放远远高于法规规定的排放,这是面临的问题。另外对于乘用车的油耗,实际道路的油耗往往比工况高20%-30%,如何缩小差距很重要。

    第三,混动化是车用内燃动力的方向。混动化是内燃机未来内然动力应用的方向,比如说以重载载货物流的插电式混动系统,它的系统效率提高了30%。还有像18吨的混动客车,能效改善18%,另外还有康明斯,皮卡和物流车可以实现65.2%的接入效率。

    我们也在开展混动客车的研究,比如重型牵引货车的混动系统,目前的状态是实现47吨百公里油耗小于29L,还有物流车,ECVT功率分流式混合动力系统,节油率可以达到25%,所以有很大的潜力。当然这里的技术包括混动系统专用发动机技术,系统构型与机电协同匹配等等。

    最终实现碳中和只有依赖于生物质和碳中和燃料,当然低碳燃料也是降低碳排放的途径。另外可再生燃料部分掺混。从燃料的角度来讲是实现碳排放的最重要的。

    燃料储能是通过燃料的方式把它转化为稳定的电。氢发动机将来也是一个很好的混合动力系统方案。比如说传统动力,像博世达到39%的热效率。实际上这个效率已经很接近燃料电池的效率,所以氢发动机还是有很大的空间。所以我想这个是未来的四大技术方向。

    第一,高效内燃机仍然要发挥很重要的作用。

    第二,提高效率,减少石化能源的使用并降低碳排放推动交通运输能源结构转型的动力之一。

    第三,要满足近零排放法规。

    第四,混合动力是我们内燃机的发展方向。

    第五,拓展生物质燃料、碳中和燃料,是实现碳达峰、碳中和的必然途径。

 


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