節(jié)能減排背景下汽車動(dòng)力進(jìn)階之路的探討

華琰 李瑞娜 王忠

摘 要：2008年我國(guó)實(shí)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(dòng)力面臨著巨大的挑戰(zhàn)，尋求綠色動(dòng)力是汽車節(jié)能減排的重要途徑。目前，傳統(tǒng)汽車動(dòng)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(dòng)力; 低碳

中圖分類號(hào)：F426.471? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：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(guó)汽車銷售量達(dá)2531萬輛，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.72億量[1]。隨著科技的進(jìn)步，汽車動(dòng)力逐漸從蒸汽機(jī)向內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)變，拉動(dòng)了全球石油經(jīng)濟(jì)的繁榮。2020年我國(guó)石油對(duì)外依存度達(dá)73%[2]，給我國(guó)能源安全帶來了巨大壓力，而內(nèi)燃機(jī)作為汽車的主要?jiǎng)恿ρb置，每年的消耗量占全國(guó)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(guó)機(jī)動(dòng)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(guó)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(dòng)力為降低碳排放助力。本文根據(jù)傳統(tǒng)汽車動(dòng)力面臨的挑戰(zhàn)，以及目前汽車動(dòng)力在“低碳化”與“綠色化”道路上的摸索歷程，探討了汽車動(dòng)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(dòng)力面臨的巨大挑戰(zhàn)

內(nèi)燃機(jī)是我國(guó)汽車的主要?jiǎng)恿?，能夠?qū)⒒剂先紵a(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(duì)大氣環(huán)境與人體健康造成危害，圖2為臭氧對(duì)人體的主要危害。

隨著我國(guó)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(dòng)力已經(jīng)滿足不了人類的需求，汽車傳統(tǒng)動(dòng)力急需變革。

2.汽車動(dòng)力的“低碳化”

為了適用能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，提高汽車動(dòng)力的能耗比，降低汽車碳排放，一大批圍繞汽車動(dòng)力低碳化的研究應(yīng)運(yùn)而生，主要包括以下兩個(gè)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(dòng)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(rùn)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(dòng)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(fèi)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(guó)煤炭資源豐富，發(fā)展煤基燃料符合我國(guó)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(shí)，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(jiǎn)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(shì)，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(dòng)機(jī)上，還可以單獨(dú)使用。我國(guó)對(duì)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?dòng)、腐蝕性等關(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(dòng)力裝置基礎(chǔ)上增加了一套電能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用電動(dòng)馬達(dá)作為傳統(tǒng)汽車動(dòng)力的輔助動(dòng)力。目前汽車市場(chǎng)在售的混合動(dòng)力車型主要包括油電混動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車。

油電混動(dòng)汽車：汽車正常行駛時(shí)完全依靠汽油的燃燒提供動(dòng)力，但增添的永磁同步電機(jī)可回收汽車剎車時(shí)的動(dòng)能，并將其儲(chǔ)存到電池內(nèi)，用于汽車低速起步。與傳統(tǒng)動(dòng)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(dòng)力汽車：需要同時(shí)配備電池組和油箱，結(jié)合了電動(dòng)和燃油兩種汽車動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)，可選擇純電動(dòng)和純?nèi)加蛢煞N動(dòng)力模式，并且能夠享受新能源補(bǔ)貼。汽車在純電動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)，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(dòng)力汽車具有明顯優(yōu)勢(shì)，但實(shí)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(huì)伴隨著CO2氣體的產(chǎn)生，甲醇等腐蝕性燃料的存儲(chǔ)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(dòng)力方面，油電混動(dòng)汽車由于不能上新能源牌照，價(jià)格比傳統(tǒng)動(dòng)力汽車更昂貴，插電式混合動(dòng)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(dòng)力迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

3.汽車動(dòng)力的“綠色化”

在我國(guó)政策支持下，純電動(dòng)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(dòng)力裝置，完全使用電能驅(qū)動(dòng)，這兩種類型的汽車在高效率、低噪聲等優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了零碳排放。

純電動(dòng)汽車：主要采用鋰電池作為電源，具有成本低、容量大的特點(diǎn)，適用于城市、乘用車、短途等領(lǐng)域。自2012年起，我國(guó)便提出鼓勵(lì)建設(shè)充電樁、換電站，為純電動(dòng)汽車的使用解決了后顧之憂，截至2020年底，我國(guó)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(dòng)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(dòng)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(guó)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(dòng)汽車相比，氫燃料電池汽車還具有輕量化優(yōu)勢(shì)，適用于大型、商用車、長(zhǎng)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(dòng)力實(shí)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(guó)主要用煤發(fā)電，2020年國(guó)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(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召。面對(duì)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(gè)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(guó)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(dòng)力可以實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的節(jié)能減排，為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召助力。但若想真正意義上實(shí)現(xiàn)全面脫碳，還需要從汽車全生命周期考慮，降低每個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]北青網(wǎng)[EB/OL]http：//YNET.com/

[3]中國(guó)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(yàn)研究[J]農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（7）：77-80

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