推進煉油與汽車行業協同發展戰略研究

曹湘洪

（中國石油化工集團有限公司，北京 100127）

一、新能源汽車開啟了汽車動力革命的大幕

（一）電動車“井噴式”發展

近年來，為降低CO2排放和改善空氣質量，世界上一些國家出臺政策推動電動車快速發展，少數國家通過提出禁售內燃機汽車時間表倒逼新能源汽車發展，荷蘭、挪威計劃禁售時間為2025年，法國計劃禁售時間為2040年，2018年我國海南省宣布2030年禁售燃油車。為了推動電動車的發展，我國實施高額財政補貼政策，個別城市還采用有別于內燃機汽車的購買和行駛政策，2018年財政補貼退坡，又增加了“雙積分”政策。

據國際能源署統計[1]，2017年世界電動車保有量比2013年增加約1.5倍，接近311萬輛，銷售量增加約5.7倍，接近115萬輛；我國電動車保有量比2013年增加約38倍，達到122.6萬輛，銷售量增加約38倍，達到57.9萬輛，居世界電動車保有量和銷售量第1位。圖1、圖2分別給出了2013—2017年中國及世界電動車，包括純電動車和插電式混合動力車的保有量、銷售量趨勢圖，我國電動車呈“井噴式”發展趨勢。

（二）燃料電池車加入汽車動力革命

氫燃料電池車是未來汽車低碳化發展的重要方向，正在步入市場導入階段并開始加入汽車動力革命。從20世紀80年代起，歐盟、美國、日本、韓國等已投入大量資金和人力研究氫燃料電池車，加拿大巴拉德公司，德國戴姆勒梅賽德斯奔馳汽車公司、寶馬集團，日本本田株式會社、豐田汽車公司，美國通用汽車公司，韓國現代集團等汽車公司研發的燃料電池車先后上路試運行。韓國現代集團、日本豐田汽車公司、本田株式會社分別在2013年、2014年、2016年推出燃料電池乘用車并向市場發售。

我國中國科學院大連化學物理研究所、同濟大學、清華大學、上海汽車集團股份有限公司、北京福田汽車股份有限公司等科研院所、高校及汽車企業基本和世界同步開展了燃料電池車研究。提出到2030年，全國燃料電池車產銷量達到100萬輛、建設1000座加氫站。上海、北京、武漢、佛山、鹽城、如皋等地相繼開展燃料電池公交車、物流車的運行示范，多地正在建設氫能產業園。2013—2017年，全球總計售出8451輛氫燃料電池車[2]，其中中國售出1901輛，占比約為22.5%。國外氫燃料電池車以乘用車、大巴車為主，國內以物流車和大巴車為主。

圖2 中國及世界電動車銷售量趨勢圖（2013—2017年）

二、 內燃機汽車制造商與車用燃料供應商積極應對汽車動力革命

（一）最嚴內燃機汽車排放限值標準頒布實施

2016年12月，我國公布了目前世界上最嚴格的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》自2020年7月1日起實施，國務院發布文件要求從2019年7月開始在重點區域、珠江三角洲和成渝地區執行國6a標準。汽車制造商積極研發滿足國6限值的內燃機，已有65家企業公布了1216個車型可達到國6b排放限值。

表1和表2列出了國1～國6和歐I～歐VI汽油車和柴油車的污染物排放限值，中國內燃機汽車排放限值處于世界最嚴序列。

（二）車用油品質量已跨入世界先進序列

車用汽油、柴油質量升級是降低內燃機汽車污染物排放的重要措施。我國用19年時間，完成從生產含鉛汽油到執行國6a標準的質量升級之路。2016年發布了第6階段車用汽、柴油標準（GB17930—2016和GB19147—2016），其中汽油標準分為6a和6b兩個階段，要求2019年1月1日全國執行6a標準，2023年1月1日全國執行6b標準。我國第6階段車用汽、柴油的主要指標已經達到了歐洲現階段車用汽、柴油標準水平，部分指標優于現行的歐盟、美國和日本標準，詳見表3、表4。

表1 國1～國6和對應的歐I～歐VI汽油車污染物排放限值

（三）內燃機技術已經并將繼續進步

提高發動機熱效率是內燃機汽車降低油耗實現低污染排放的主要措施。在世界范圍內先進燃燒、高增壓和小型強化、多變量多系統內燃機智能控制、余熱回收、智能停缸、工質移缸、缸內噴水等技術的開發不斷取得進展，有的已經成功應用。熱效率為41%的汽油機已量產，在實驗室汽油機峰值熱效率已達到51%以上，柴油機的峰值熱效率達到55%以上[3～5]；在我國應用自主開發的多脈沖燃油噴射高混合率技術，熱效率達到45.5%，排放滿足國6b限值的柴油機已在企業應用；濰柴集團在2018年汽車強國論壇上宣布，熱效率超過50%的柴油車在2020年量產并推向市場，國際內燃機界把有效熱效率達到60%作為奮斗目標。

油電混合動力汽車（HEV）是未來內燃機汽車轉型發展的重要方向。HEV以汽油或柴油為燃料，在不同工況下分別或共同使用內燃機和電動機驅動，使內燃機始終在最高效率區運行，還能回收減速和制動時的能量，降低油耗和有害物排放可在30%以上[6]。圖3是根據豐田汽車HEV達到的排放限值繪制的與歐V和國6b排放限值的比較圖，由圖3可見HEV主要污染物排放遠低于國6b和歐V排放限值。HEV車不改變消費者使用習慣，不涉及充電問題，可充分利用已有煉油能力和基礎設施，不增加社會投資和凝結在社會投資中的碳排放，是在汽車動力革命過程中最容易達到污染物和碳減排效果且符合中國國情的選擇。

表2 國1～國6和對應的歐I～歐VI柴油車污染物排放限值

表3 我國第六階段車用汽油標準主要技術指標與歐盟、美國、日本現行指標的比較

表4 我國第6階段車用柴油標準主要技術指標與歐盟、美國、日本現行指標的比較

三、 我國汽車動力多元化進程中的油品消費趨勢

（一）新能源汽車優勢劣勢并存，全面替代內燃機汽車尚需時日

電動車的首要優勢是在使用過程中無碳排放和無污染排放，但在全壽命周期內，電動車CO2排放量與所在國家發電能源結構密切相關[7]，化石能源發電占比超過50%的國家，純電動車與內燃機車相比CO2排放量不具備明顯優勢；化石能源發電占比超過80%的國家，純電動車CO2排放量高于內燃機車。日本東京大學的研究認為，按日本的電力結構純電動車全壽命周期的NOX、PM、SOX等污染物排放高于汽油車。電動車由于整備質量高于同載重質量內燃機汽車約30%，在其行駛過程中的車輪及道路摩擦產生的PM排放會高于內燃機汽車，總的PM10、PM2.5排放并不比內燃機汽車低[8]。按我國超超臨界發電的煤耗指標計算，電動轎車行駛過程中的百公里CO2排放和百公里油耗與7.15 L的汽油轎車相當，目前先進內燃機及HEV轎車的百公里油耗已顯著低于7.15 L（見圖4）。

圖3 HEV汽車污染物排放示意圖

中國發展電動車，鋰、鈷等電池材料很高的對外依存度將形成新的資源安全風險，目前我國制造電池用的鋰和鈷的對外依存度分別超過70%和80%。近三年，世界鋰、鈷價格隨著電動車發展呈暴漲趨勢，繼續快速增長的電動車產量將會進一步推高鋰、鈷的價格，可能將電動車成本推高到難以承受的地步。我國電動車保有量的增長還將帶來廢舊電池量的增長，據測算到2020年我國報廢的電池將達到1.7×105t左右，但是到目前為止電池回收利用尚無成熟可靠、對環境污染小的技術[9,10]。電動車采用快充技術，雖然可以減少充電的煩惱，但對變配電系統和電網的平穩運行沖擊大。我國人口居住集中，城市及一批新型城鎮居民住宅大多是多層建筑，導致充電樁建設難度很大，這是制約我國電動車推廣不可忽視的因素。

燃料電池車的發展主要受到制造成本、電池耐久性和可靠性等因素制約。中國燃料電池發展滯后于世界先進水平[3]，如催化劑、質子交換膜、碳布/紙、膜電極、密封劑、雙極板等燃料電池關鍵材料主要依靠進口，尚不具備完整的燃料電池電堆產業鏈；電池主要性能低于國際先進水平，其中壽命低約40%，催化劑鉑載量高約5倍，造成電堆功率密度低，生產成本高；70 MPa儲氫瓶及配套的設備、閥門產業化缺少技術支持。

電動車、氫燃料電池車等新能源汽車在短期內不可能全面替代內燃機汽車。

（二）汽車動力多元化是主趨勢，內燃機動力仍會占有主體地位

面對汽車動力革命，國際知名汽車生產企業、石油開采和油品生產企業、能源或金融研究機構都在持續研究汽車動力革命的進程，思考應對這場汽車動力革命。圖5給出了不同研究機構對電動車在2020—2040年發展趨勢的預測，但是研究的結論存在較大差別。

圖4 電動車與汽油車全生命周期污染物排放對比

混合動力、插電式混合動力、燃料電池和純電動車技術各有優勢，如圖6所示，將根據技術特點發揮各自的優勢并占據相應市場。未來，混合動力、純電動和燃料電池車的產銷量及市場保有量會逐步增長，但是內燃機動力仍會占據主導地位。

（三）我國車用燃料消費趨勢與消費結構預測

2018年我國千人汽車保有量為173輛，遠低于發達國家千人汽車保有量500～800輛的水平。隨著經濟發展，汽車保有量將持續增長，從國情出發我國大力發展城際高速鐵路和城鎮公共交通，千人汽車保有量不會達到發達國家水平。預計2020年、2030年將分別達到2.6億～2.8億輛和3.8億～4.0億輛，2040年前后將達到4.8億～5.0億輛的峰值，全國千人汽車保有量的平均峰值在350輛左右。2018年，中國汽車保有量為2.4億輛，新能源汽車保有量占汽車總保有量的1.09%，今后，電動車、燃料電池車等新能源汽車的保有量會逐步增長。內燃機技術的進步、油電混合動力汽車和新能源汽車的發展會影響車用燃料的消費，預計到2030年，新能源汽車不會明顯影響液體燃料的消費；到2040年，90%的汽車動力仍將依靠液體燃料；到2050年，汽車動力對液體燃料的依賴程度還會在60%以上。

圖7給出了2005—2017年我國車用燃料消費結構變化情況，柴油消費從2005年到2015年快速增長，2015年達到峰值1.73×108t/a，2016年至今進入峰值平臺期。汽油消費還在穩定增長中，預計汽油消費量在2025年前后會達到1.70×108t左右的峰值。

圖5 不同研究單位對電動車發展趨勢的預測

圖6 各類汽車動力評價圖

圖7 2005—2017年我國車用燃料消費結構變化

四、推進煉油、汽車行業協同發展建議

（一）開展分子水平的內燃機中燃料燃燒機理研究

內燃機是燃料與空氣發生化學反應將化學能經由熱能轉化為機械能的復雜反應器，燃料在反應器中的質量和能量傳遞需要在瞬間高速、高效完成，實現燃料充分燃燒，將化學能高效轉化為機械能，降低生成CO、THC、PM及積碳等副反應。研究內燃機中燃料的燃燒機理是優化燃料組成及創新內燃機結構、控制反應路徑、防止爆震早燃等非正常燃燒、提高內燃機熱效率、實現低碳低污染排放、開發新一代內燃機的基礎性工作。

汽油、柴油的組成非常復雜，汽油主要由5～11個碳原子的烴分子組成，有正構烴、異構烴、環烷烴、短側鏈單環芳烴等360多種烴分子。柴油主要由12～20個碳原子的烴分子組成，有正構烴、異構烴、長側鏈環烷烴、長側鏈單環芳烴、雙環芳烴、三環芳烴，烴分子更多。燃油進入發動機氣缸后，要在極短的時間內完全氣化并和空氣均勻混合，不同烴分子的沸點、閃點、氣化熱、燃燒熱各不相同，會存在氣化速度與氧混合速度的差異，不同烴分子和氧發生燃燒反應的歷程也不同。

以汽油和柴油組成分子水平解析和表征研究的成果為基礎，從分子水平開展汽柴油在內燃機中的燃燒機理研究，從分子水平認識燃燒過程，既可以從理論上指導清潔高效內燃機的開發，也可以獲得確保內燃機清潔高效的燃料烴分子結構和組成信息，從理論上指導燃油組成和餾程的優化，靶向推進分子煉油理論和技術的進步。

（二）研究車用燃料組成與顆粒物排放關聯模型

顆粒物排放限值是汽車排放標準升級的核心指標，第六階段排放限值要求顆粒物粒子數量（PN）為6×1011#/km，燃料組成是影響顆粒物質量（PM）排放的重要因素。本田汽車公司的PM指數，從模型角度預測燃油組成對顆粒排放趨勢的影響，模型的正確性和科學性已被多個車油研究項目和小型專項試驗驗證。為了指導油品組成優化，開發了簡化PM指數模型，將PM指數和餾程參數關聯并實現指標標準化，豐田汽車等車企基于大量研究提出汽油標準應引入T70限值，而歐洲車企提出引入T90限值。

重芳烴含量對顆粒物排放影響顯著，通過餾程指標限值控制PM指數的本質是控制汽油中的重芳烴含量。我國油品生產企業要和汽車企業合作，借鑒國外的研究成果，開展燃料組成與PM的關系研究和簡化模型開發，為制定我國國7車用油品標準奠定基礎。

（三）開發高品質燃料

面向未來的車用燃油既要求清潔化，支持內燃機實現近零排放（不對大氣環境有負面影響），還要支持內燃機提高效率，降低油耗，減少碳排放。根據目前的認識，要求車用汽油不含碳九以上芳烴，提高RON值；考慮車輛啟動性、驅動性、蒸發排放等需求，要求車用汽油飽和蒸汽壓執行地區/季節分區控制；要求車用柴油多環芳烴含量更低。

未來，煉油行業要注重優化總加工流程提升油品質量，同時開發、生產高品質車用燃料。一是要致力于提高汽油RON值，盡快取消89號、92號，逐步減少95號，增供98號以上的汽油；二是要優化汽油餾程，將T50從110 ℃降低到105 ℃以下，增設T70或T90限值指標；三是要將柴油中的多環芳烴從7v%降低到更低水平。國外一個知名車企提出支持汽油提高效率的關鍵是要提高汽油的RON，不必設定MON的強制指標；汽油中的烯烴有利于提高RON，限值指標可以適當放寬，不必追求過低限值。他們的新研究突破了傳統認識，一時可能很難被國內接受。我國要按清潔高效的要求，深入開展汽油RON、烯烴、芳烴含量對尾氣排放和內燃機效率的影響研究，為科學制定新的汽油標準奠定基礎。

（四）開發新規格燃料

以有效熱效率60%為目標，內燃機領域正在積極開發汽油壓縮燃燒（GCI）、雙燃料反應活性控制著火燃燒（RCCI）、汽油/柴油雙燃料高效預混合低溫燃燒（HPCC）、均質充量壓燃（HCCI）著火燃燒、適度和較高分層的壓燃燃燒（GDCI）等先進燃燒技術[4]，先進燃燒技術應配套以新規格燃料。如Gautown Kalghatgi等開展汽油壓縮燃燒研究，提出了新規格燃料指標[11,12]，見表5。為了壓縮燃燒內燃機的量產和推廣，需要煉油行業和汽車行業緊密配合，共同深入研究壓縮燃燒內燃機需要的油品的組成、餾程及其他質量指標對效率和排放的影響，建立新的燃料標準。從已有的研究結果看，隨著汽油壓縮燃燒內燃機的量產與推廣，低辛烷值油品的消費增加，可支持煉油廠為現有汽油機提供更多RON值在98以上的汽油。

面向新型內燃機的開發，煉油行業要和汽車行業共同組成內燃機燃燒新技術協同創新團隊，主動承接新規格燃料的研制開發任務，及時將研制開發的新燃料標準化。煉油行業要同步開展生產新規格燃料的石油煉制工藝開發和總流程優化研究，為生產適應新技術要求的燃料做好準備。

（五）開發高檔潤滑油

降低發動機油耗，除提高燃燒效率外，還需要降低摩擦損失。煉油行業要配合高效內燃機運動部件的結構設計改進材料表面的改性，做好配套的潤滑油基礎油和添加劑的技術開發。車用高檔潤滑油消費增長已成為我國高檔潤滑油消費增長的主要推動力，隨著高效低排放內燃機汽車的增加，煉油企業要加快潤滑油品種結構調整，增產高檔內燃機潤滑油。

表5 GCI使用的新燃料主要性能指標

五、結語

電動車、氫燃料電池車等新能源車的發展開啟了汽車動力革命的大幕，汽車動力開始進入多元化的時代。受技術、資源和市場等多種因素制約，電動車、燃料電池車的發展是一個漸進的長期的過程。內燃機的熱效率還有很大的提升空間，采用高效內燃機的油電混合動力汽車可大幅度降低污染物和碳排放，是符合我國國情的重要汽車動力。在今后幾十年內，內燃機動力仍會占據汽車動力主體地位，到2050年汽車動力對液體燃料的依賴程度仍會在60%以上。我國柴油消費已進入峰值平臺期，預計汽油消費在2025年達到峰值。為適應內燃機汽車清潔高效的要求，要積極推進煉油行業與汽車行業的協同發展，開發并生產高品質車用燃料和潤滑油，要配合新型內燃機研究開發與量產，開發和生產新規格燃料。