節(jié)能減排背景下汽車動力進(jìn)階之路的探討

華琰 李瑞娜 王忠

摘 要：2008年我國實行了新能源汽車政策，2020年又提出了碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)，傳統(tǒng)汽車動力面臨著巨大的挑戰(zhàn)，尋求綠色動力是汽車節(jié)能減排的重要途徑。目前，傳統(tǒng)汽車動力逐步走向“低碳化”，并進(jìn)一步向“綠色化”前進(jìn)，為加速脫碳助力。

關(guān)鍵詞：碳中和; 碳排放; 汽車動力; 低碳

中圖分類號：F426.471? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）9-111-002

自十九世紀(jì)末汽車飛速發(fā)展，給人類的生活帶來了極大的便利，2020年我國汽車銷售量達(dá)2531萬輛，全國機(jī)動車保有量達(dá)3.72億量[1]。隨著科技的進(jìn)步，汽車動力逐漸從蒸汽機(jī)向內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)變，拉動了全球石油經(jīng)濟(jì)的繁榮。2020年我國石油對外依存度達(dá)73%[2]，給我國能源安全帶來了巨大壓力，而內(nèi)燃機(jī)作為汽車的主要動力裝置，每年的消耗量占全國石油消耗總量的60%以上[3]。汽車使用的柴油、汽油等大量化石燃料燃燒產(chǎn)生了巨大的碳排放，2019年，我國機(jī)動車污染物排放總量達(dá)1603.8萬噸，汽車排放的一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放量超過90%[1]，其中各類型汽車的PM排放量分擔(dān)率如圖1所示。2020年我國首次公布了碳中和的奮斗目標(biāo)，汽車作為目標(biāo)達(dá)成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可以通過尋求綠色動力為降低碳排放助力。本文根據(jù)傳統(tǒng)汽車動力面臨的挑戰(zhàn)，以及目前汽車動力在“低碳化”與“綠色化”道路上的摸索歷程，探討了汽車動力為節(jié)約能源、加速脫碳所做的努力及遇到的阻礙。

1.汽車傳統(tǒng)動力面臨的巨大挑戰(zhàn)

內(nèi)燃機(jī)是我國汽車的主要動力，能夠?qū)⒒剂先紵a(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為動能，驅(qū)動汽車行駛，通常分為汽油機(jī)和柴油機(jī)，汽油機(jī)的熱效率一般達(dá)25%-35%，柴油機(jī)的熱效率一般在35%-45%之間。汽油是汽油機(jī)廣泛使用的化石燃料，其蒸發(fā)性和抗爆性能良好，在燃燒室中容易形成可燃混合氣;柴油是柴油機(jī)廣泛使用的化石燃料，其自燃溫度與蒸發(fā)性能適宜，可以保證良好的霧化效果。如果不考慮燃料中含有的微量雜質(zhì)，內(nèi)燃機(jī)使用的化石燃料完全燃燒時僅產(chǎn)生二氧化碳（CO2）和水（H2O）。但由于內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速較高，燃料燃燒時間極短，燃料與空氣不可能完全混合均勻，導(dǎo)致汽車排放物中還出現(xiàn)CO、HC、PM等不完全燃燒產(chǎn)物。

上述內(nèi)燃機(jī)排放污染物中，完全燃燒的產(chǎn)物CO2是主要排放，它本身不屬于污染物，但由于化石燃料的大量使用，地球上的碳循環(huán)失衡，現(xiàn)在大氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)是工業(yè)時代的1.37倍，加劇了“溫室效應(yīng)”，導(dǎo)致極端天氣、冰川消融等一系列生態(tài)變化，威脅了人類的生存環(huán)境。而不完全燃燒的CO、HC、PM排到大氣中后，容易在紫外線照射下形成臭氧、醛類等光化學(xué)煙霧，或與其他物質(zhì)反應(yīng)形成二次顆粒物，對大氣環(huán)境與人體健康造成危害，圖2為臭氧對人體的主要危害。

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、排放法規(guī)的加嚴(yán)、以及“碳中和”目標(biāo)的提出，汽車傳統(tǒng)動力已經(jīng)滿足不了人類的需求，汽車傳統(tǒng)動力急需變革。

2.汽車動力的“低碳化”

為了適用能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，提高汽車動力的能耗比，降低汽車碳排放，一大批圍繞汽車動力低碳化的研究應(yīng)運(yùn)而生，主要包括以下兩個方面。

（1）采用低碳燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石燃料，研究較為廣泛的低碳替代燃料包括生物柴油、合成油和醇醚類燃料[4]，表1為常用低碳替代燃料的主要理化性質(zhì)。

生物柴油：一種清潔的可再生資源，可通過植物油、動物油脂、餐飲廢棄油脂等制得，屬于生物質(zhì)燃料，可有效解決汽車CO2排放的問題。生物柴油不含芳香烴、十六烷值較高、氧含量較高、燃燒性能和潤滑性能好，能與柴油以任何比例相溶，目前主要應(yīng)用于壓燃式發(fā)動機(jī)，現(xiàn)有的研究成果表明由于生物柴油含氧，促進(jìn)了燃燒反應(yīng)，有助于缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物的氧化，可以降低CO、HC和顆粒排放[5，6]。

合成油：包括天燃?xì)夂铣捎停℅as-to-liquid，GTL）、煤合成油（Coal-to-liquid，CTL）等，其中以費托（Fischer-Tropsch，F(xiàn)-T）柴油為主，它是一種通過間接液化方法合成的燃料，主要原料是煤炭，我國煤炭資源豐富，發(fā)展煤基燃料符合我國的能源結(jié)構(gòu)特征，促進(jìn)汽車能源多樣化發(fā)展。由于F-T柴油十六烷值比柴油高，與柴油摻混使用或直接使用時，可以提高燃料的著火性能。而且由于F-T柴油中幾乎不含芳香烴和硫，可以有效降低汽車尾氣中的PM和多環(huán)芳香烴（PAHs）排放。

醇醚類燃料：一種化學(xué)結(jié)構(gòu)簡單的含氧燃料，具有生產(chǎn)原料廣泛、制備工藝成熟的優(yōu)勢，常用的有甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）、丁醇（C4H9OH）、二甲醚（CH3OCH3），其中應(yīng)用最多的是CH3OH，甲醇不僅可以與汽油摻混使用在汽油發(fā)動機(jī)上，還可以單獨使用。我國對于甲醇燃料的研究起步較早，吉利、宇通等車企已克服了甲醇汽車?yán)鋯印⒏g性等關(guān)鍵問題，擁有了自主生產(chǎn)甲醇汽車的能力。2018年底，西安市推廣了一批M100純甲醇燃料出租車，由于甲醇含氧量達(dá)50%，更容易完全燃燒，使得汽車碳排放顯著下降。

（2）在常規(guī)汽車動力裝置基礎(chǔ)上增加了一套電能驅(qū)動系統(tǒng)，采用電動馬達(dá)作為傳統(tǒng)汽車動力的輔助動力。目前汽車市場在售的混合動力車型主要包括油電混動汽車和插電式混合動力汽車。

油電混動汽車：汽車正常行駛時完全依靠汽油的燃燒提供動力，但增添的永磁同步電機(jī)可回收汽車剎車時的動能，并將其儲存到電池內(nèi)，用于汽車低速起步。與傳統(tǒng)動力汽車相比，最高可節(jié)約32%的燃油消耗，有效降低了汽車行駛過程中產(chǎn)生的碳排放，代表車型有卡羅拉、普銳斯、凱美瑞、雷克薩斯CT200h等。

插電式混合動力汽車：需要同時配備電池組和油箱，結(jié)合了電動和燃油兩種汽車動力的優(yōu)勢，可選擇純電動和純?nèi)加蛢煞N動力模式，并且能夠享受新能源補(bǔ)貼。汽車在純電動模式下運(yùn)行時，電池組可維持50公里到110公里左右的續(xù)航里程，極大降低了燃油使用率和含碳污染物的排放量。

雖然與傳統(tǒng)汽車相比，使用低碳替代燃料和采用混合動力汽車具有明顯優(yōu)勢，但實際上也存在一些不足。例如在低碳替代燃料方面，燃料制備的過程中會伴隨著CO2氣體的產(chǎn)生，甲醇等腐蝕性燃料的存儲安全性不高，醇醚類燃料不完全燃燒更容易產(chǎn)生甲醛等有害氣體等;在混合動力方面，油電混動汽車由于不能上新能源牌照，價格比傳統(tǒng)動力汽車更昂貴，插電式混合動力汽車在純?nèi)加湍Ｊ较碌挠秃妮^高。在這些難題的解決過程中，汽車動力迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

3.汽車動力的“綠色化”

在我國政策支持下，純電動汽車和氫燃料電池成為新能源汽車的重要技術(shù)路線。由于摒棄了傳統(tǒng)燃油車的動力裝置，完全使用電能驅(qū)動，這兩種類型的汽車在高效率、低噪聲等優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，還實現(xiàn)了零碳排放。

純電動汽車：主要采用鋰電池作為電源，具有成本低、容量大的特點，適用于城市、乘用車、短途等領(lǐng)域。自2012年起，我國便提出鼓勵建設(shè)充電樁、換電站，為純電動汽車的使用解決了后顧之憂，截至2020年底，我國新能源汽車保有量達(dá)492萬輛，占汽車總量的1.75%，占全球4成以上，其中純電動汽車保有量為400萬輛，占新能汽車總量的81.32%[7]。

氫燃料電池汽車：采用燃料氫氣（H2）電化學(xué)反應(yīng)方式，將化學(xué)能直接變?yōu)殡娔茯?qū)動汽車行駛，轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)構(gòu)模塊化，目前研究最廣泛的是質(zhì)子交換膜燃料電池，輸出功率密度和質(zhì)量功率高。圖3為氫燃料電池的基本工作原理。但由于氫燃料電池汽車的生產(chǎn)成本和技術(shù)難度高，目前還沒有廣泛普及，2019年，我國燃料電池汽車產(chǎn)量為2833輛。由于不需要裝備電池組，與純電動汽車相比，氫燃料電池汽車還具有輕量化優(yōu)勢，適用于大型、商用車、長途等領(lǐng)域。豐田Mirai的最大行駛里程可達(dá)312英里，比特斯拉Model3多41%。

雖然汽車動力實現(xiàn)了“綠色化”，但我們還面臨著電能和氫能從哪兒來的問題。目前我國主要用煤發(fā)電，2020年國內(nèi)煤發(fā)電占比大約60%，煤炭的燃燒伴隨著大量的CO2的產(chǎn)生，違背了國家節(jié)能減排的號召。面對大規(guī)模的電能和氫能需求，我們還需關(guān)注汽車從生產(chǎn)到使用整個產(chǎn)業(yè)鏈的“綠色化”，積極探尋風(fēng)能、太陽能、水能等可再生能源的有效利用方式。

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整及碳中和目標(biāo)的提出，尋求綠色汽車動力可以實現(xiàn)較大規(guī)模的節(jié)能減排，為響應(yīng)國家號召助力。但若想真正意義上實現(xiàn)全面脫碳，還需要從汽車全生命周期考慮，降低每個環(huán)節(jié)的碳排放。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國政府網(wǎng)[EB/OL].http：//www.gov.cn/

[2]北青網(wǎng)[EB/OL]http：//YNET.com/

[3]中國行業(yè)研究網(wǎng)[EB/OL] www.chinairn.com/

[4]劉圣華，周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017：63-68

[5] Hu Li， Gordon E. Andrews， JL Balsevich-Prieto. Study of emission and combustion characteristics of RME B100 Biodiesel from a heavy duty DI diesel engine[C]SAE Paper 2007-01-0074

[6]王忠，袁銀南，歷寶錄等.生物柴油的排放特性試驗研究[J]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21（7）：77-80

[7]搜狐網(wǎng)[EB/OL]https：//www.sohu.com/