苏万华院士:内燃机与电机、电池结合的混合动力才是未来

驱动视界2022-05-24 13:31:26

嘉宾:中国工程院院士、天津大学苏万华

主持人:清华大学汽车产业与技术战略研究院院长赵福全

舍弃内燃机是根本上的误判

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随着节能环保的要求越来越严,汽车正朝着电动化方向发展,新能源汽车在国家层面受到的关注度越来越高。同时,有报道称一些国家已经直接或间接地提出了内燃机汽车的禁售时间表,。

2010 年美国能源部授权美国汽车理事会 USCAR 召开了一次高水平的学术会议,这次学术会议有两个重要结论:

第一,在相当长的时间内,内燃机仍将在移动式动力装置中占有支配地位。

第二,内燃机的热效率可以不受卡诺循环的限制,短期内可以达到 60%,中长期有可能接近 85%。这是基于全世界基础研究结果得出来的判断,对内燃机的发展前景有很好的期望。

在中国火电占比仍在 70% 以上时,以发展新能源汽车为由唱衰内燃机不科学,也危险。舍弃内燃机是根本上的误判。中国发动机技术早已今非昔比,不像想象得那样落后。莫让中国内燃机产业留下历史遗憾。

内燃机处于近零排放的水平

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2015 年我国汽车平均二氧化碳排放量约为 170 克/百公里,按照发改委相关文件要求,到 2020 年汽车平均二氧化碳排放量要降低到 115 克/百公里。相当于每年要降低 11 克/百公里,即下降 3%。

三十年来,内燃机排放水平从低排放到超低排放、再到超超低排放,现在处于近零排放的水平。过去三十年,全世界汽车的颗粒物和氮氧化物等有害排放物已经降低了 99%,现在的排放水平仅相当于三十年前的 1%。

经过近三十年的发展,内燃机颗粒物和氮氧化物等有害排放物已经降低了 99%,已经处于近零排放的水平。下阶段内燃机减排的最大挑战是汽车瞬态过程的排放。

内燃机热效率有望突破60%

提高内燃机热效率是全世界内燃机产业从业者当前的首要任务。现在比较现实的目标是把汽油机热效率提高到 45%-50%,把柴油机热效率提高到 50%-55%,甚至往 60% 的方向发展。

内燃机的热效率60%量产主要的难点是内燃机需要小型和强化,其中强化问题挑战更大。由于内燃机的热效率与负荷成正比,负荷越高,热效率越高,最大爆发压力也越大。

目前国际上量产机型的最大爆发压力约为 380 帕,而当热效率超过 60% 的时候,最大爆发压力可以达到 450 帕,这就对内燃机机体的结构、强度设计提出了更高的要求。

按照十佳发动机评选的结果来看,国内量产汽车发动机的热效率已经做到超过 40%,最高可达到 40.5%。现在基准质量乘用车的百公里油耗已经可以做到接近 5 升,甚至少于 5 升。

未来内燃机热效率有望突破 60%,2030 年,使热效率达到 60% 的技术就会提上日程。

2020年混动技术会大行其道

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混合动力方案可以让发动机在更佳的工况范围内长时间工作,而在其他如启动和低负荷等高油耗的工况时,则使用电池和电机,从而达到节油的目的。

例如启动或城市中堵车的时候,可以让电池和电机工作来弥补发动机的不足,这只需要使用很小的电池即可实现。之所以强调小电池,是因为目前电池在能量密度和成本方面还存在瓶颈。

混合动力技术潜力巨大,但需要有效平衡技术进步和成本降低。如果成本没有竞争力,就会出现很大的问题,毕竟消费者会用自己的钱来「投票」。

混合动力技术的发展要建立在内燃机和电动技术两方面共同进步的基础之上。随着技术的进步,成本也会逐步降低,比如可以用节能效果近似的新技术方案来代替过去的技术方案,这样就能节约成本。

目前混合动力发动机技术的发展有两个途径:

一是小型强化内燃机加简单的混合动力系统,可以较低成本达到较好的节能效果。

二是全力以赴把内燃机本身做得极致,如采用长冲程、稀燃、均质压燃等技术,使内燃机性能处于最佳状态。

一些日本车企更偏向第二条路径,比较典型的如马自达推出的新款发动机。这些高效发动机也可以与电池、电机组合,从而作为混合动力发动机工作,这样可能节油效果更佳。

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2020 年以后混合动力发动机的应用比例一定会快速增加。混合动力技术可以很容易地改变发动机的动态特性和负荷特性,从而有利于节能减排。

在 2020 年目标为百公里 5 升的第四阶段油耗法规下,大部分车型通过发动机自身改进是可以满足要求的。

但在 2020 年之后,汽车油耗目标降到百公里 4 升甚至更低的时候,混合动力技术就会大行其道,也就是说,法规要求将倒逼技术进步和转换。

2020 年后,混动技术会大行其道。混动不是一成不变,内燃机在不断进步,电气部分也在进步。但目前,改进发动机的成本要低于混动技术,因为电池和电机成本很高。

要从全生命周期考虑低碳化

低碳与低油耗相关,但又不完全相同。一般来说,只要有碳基能源消耗,就会产生碳排放。

因此,汽车行业一直有这样一种声音,就是觉得内燃机汽车并不一定高碳,因为可以持续提升效率;而纯电动车也不一定低碳,因为尽管电动车在使用过程中比内燃机汽车更低碳,但是从整个生命周期的角度来评估,是否低碳还取决于电能的来源,而中国以煤电为主,电能来源本身并不低碳。

现行法规确实没有从全生命周期来考虑低碳化,这是个大问题。新加坡对特斯拉车主进行了罚款,不是因为特斯拉的电动车在道路上行驶时产生了碳排放,而是因为电能是二次能源,在发电过程中会产生二氧化碳排放,特斯拉汽车消耗的电量对应于发电过程中的二氧化碳排放量,超出了新加坡的法规限值,所以认定特斯拉的电动车碳排放超标。我认为这种做法非常科学。

衡量一种能源或者动力转化方式是否先进,无论名字是新能源还是旧能源,标准都应该包含全生命周期的二氧化碳排放量,应该以此作为重要指标之一来进行考量。

就汽车的二氧化碳排放而言,正如美国阿贡实验室于本世纪初提出来的那样,不仅要看燃料全生命周期的二氧化碳排放,还要看包括整车、零部件在内的整个汽车的生产环节,这是一个从采矿、冶炼、运输、制造,一直到报废、回收的完整的生命周期。

现行法规没有从全生命周期来考虑低碳化,这是个大问题。电池的生产制造、报废处理等过程都产生有害物质,应计算在内。不全面、不科学的法规给内燃机发展制造了障碍。

开电动汽车真的比燃油车便宜吗?

有人认为开电动车比燃油车便宜,这也并不客观。虽然用户感觉自己花费减少了,但现在电动车充电大多是用民用电,民用电的价格是国家补贴后的价格,这其中有国家补贴在里面,如果与燃油车的使用费用直接对比,两者不在同一个层面上,很难得出正确的判断。

当然,比使用费用更重要的还是碳排放,这关乎全人类的生存环境。只有分析计算全生命周期的二氧化碳排放,才是科学合理的。

电动汽车的污染和排放问题

例如动力电池技术,当前还存在很多问题。电池的生产制造、报废处理等过程都产生有害物质,同时也都产生碳排放,法规应该将这部分排放也计算在内。

英国工程院院士高腾·卡嘉迪(Gautam Kalghatgi)连续发表了多篇文章谈到这个问题,他曾经说过,过分地使用电池会产生很多问题,其中非常重要的一点就是会造成全社会的金属中毒,即金属毒性问题。

现在有一些研究结果表明,综合对比汽车内燃机使用过程中的碳排放与电动车所耗电能在发电过程中的碳排放,两者的数值其实差别不大。如果考察整个汽车从生产到使用的全过程,把所有的零部件直至材料都考虑在内,内燃机汽车在碳排放方面可能还要比电动汽车占优。

我们应该建立全生命周期分析问题的观念,有的人认为电动车是零排放,甚至相关法规也规定,插电式混合动力汽车在前 50 公里以纯电模式行驶期间可以不计算能耗,这些其实都是不科学的。

电动汽车行驶过程中是要消耗电能的。无论是纯电动汽车还是插电式混合动力汽车的纯电驱动阶段,虽然没有油耗,但是一定有电耗,即能耗。

内燃机是国家支柱产业

内燃机领域的科技人员始终在不断耕耘,持续挖掘这项具有一百多年历史的传统技术的潜力。

表面上看,内燃机技术的原理没有变化,但细节上已经发生了翻天覆地的变化。

内燃机在不断进步,也在不断受到挑战,但一直没有被取代,这正是它的生命力所在。将来人工智能等新技术应用在内燃机控制上,还会有新的发展空间。

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要让青年人懂得什么是事物内在的发展规律,什么是事物之间的联系。在风能发电、太阳能发电等可再生能源还不足以形成新的能源系统的时候,在中国火电占比仍在 70% 以上的时候,此时以发展新能源汽车为由唱衰内燃机是不科学的,也是危险的。

目前内燃机动力系统承担着全国公路货运量的 77%、客运量的 80%~90%;承担着几乎全部的基础建设和工程建设;此外,还承担着农业机械、国防、海洋运输和内河运输等任务。

这么重要的大产业切不可出现误判,盲目提出限制内燃机产业发展,是不现实的。

盲目唱衰内燃机会造成人才断层

内燃机行业的同仁们普遍对所谓「各国淘汰内燃机」的说法非常不理解,但是我们并没有为此感到焦虑。

因为内燃机的发展前景非常好,相关人才的工资待遇也很高,目前仍然处于人才短缺的状态,像潍柴等很多企业都招聘不到足够的内燃机博士和硕士毕业生。从行业内部来说,内燃机的形势可谓一片大好。所以,有人提出停售内燃机汽车的时间表,大家听到之后,都感觉不可思议。

在这种大环境下,年轻人选择专业时就会受到影响,因为担心未来的职业生涯。前几天《中国汽车报》记者采访了同济大学的李理光教授,他就表示,这种情况会导致内燃机人才出现青黄不接,十年之后如果没有足够的人才,即使内燃机技术本身再有潜力,没有人去研发也会导致技术出现停滞。

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那些唱衰内燃机的不和谐声音,对青年学生的影响最大。现在内燃机学科,无论是本科招生,还是硕士招生,都受到非常大的影响。去年我们天津大学原本已经报名内燃机方向的硕士生中,后来有 40% 的学生都改了方向。

因为学生们担心,,内燃机是一个行将退出历史舞台的专业,那他们未来该怎么办,毕业之后还能不能找到工作?他们从趋利避害的角度选择了更改自己的专业。

为什么最开始提出「弯道超车」,后来改为「变道超车」?就是想把内燃机舍弃掉,变成电动车或者其他类型的汽车。提出舍弃内燃机将是根本上的误判,一些领导不了解内燃机技术,更没有充分认识到内燃机产业的重要性。

内燃机的发展前景非常好,相关人才的工资待遇也很高,目前仍然处于人才短缺的状态,那些唱衰内燃机的不和谐声音,对青年学生的影响最大。

纯电动汽车是发展方向,但不是适用所有场景

事物的发展最终还是取决于客观条件。记得中央电视台的财经评论员说过一句话,「电动汽车不一定是新能源最终的表现形式。」我认为这句话很科学。

任何事物的发展如果不符合客观规律,最后都会适得其反。实际上,今天并不是人类第一次讨论发展电动汽车的问题,一百多年前,就已经有电动汽车了。

今天电池和电机都有了大幅进步,这是否意味着我们更有理由相信电动汽车的时代正在到来?

电池确实有很大的进步,但是目前最核心的技术指标还没有完全突破,我指的主要是电池的能量密度指标。十年前,碳氢燃料的能量密度大约是电池的 44 倍。

经过十年来所谓突飞猛进的发展,电池的单体能量密度从 150Wh/kg 增加到大约 300Wh/kg,实际上目前国内大部分电池企业还做不到 300Wh/kg 的水平,这种进步相当于从 1% 变成 2%,与碳氢燃料对比,电池的能量密度还是非常低的。

电动汽车还有一个优势,就是可以把「排放」转移。发电过程中产生的排放可以在发电企业进行集中处理,而不像燃油车那样直接排放在城市中,这样可以部分缓解城市内的污染问题。

是的,电动汽车可以把排放转移到城市外面去。但是,电动汽车也有很多缺点现在还不能克服。例如电池既「怕冷」又「怕热」,适合电动汽车工作的环境温度是 15-35 度,在太冷或太热的区域使用都会有问题。

如果在哈尔滨用电动汽车,虽然它能够降低排放,但是天气一冷就用不了了,因为电池受温度影响太大。

另外,电动车适合在有限的区域内行驶,比如作为大城市的物流车、出租车等效果都会不错,有良好的应用前景。但是想去自驾游,续驶里程就成了大问题。十九大谈到,要「不断满足人民日益增长的美好生活需要」。

老百姓买车的目的是什么?如果只是为了上下班,特别是在大城市,完全可以用地铁、公交再加上共享单车的出行方式。买车很大程度上是为了提升生活质量,每到节假日,祖国大地到处都是乘车出行旅游的人,这时候你还敢开电动车出去吗?

内燃机长时间还将支配移动动力

电动汽车应该发展,因为那代表着产业的未来,而且我们希望电动汽车全生命周期的碳排放能够降到很低,但是这个目标短期内还达不到。

同时我们也不能放弃内燃机行业,因为这是当下的生存之本。如果生存问题都解决不了,又靠什么来支撑到未来呢?更何况内燃机技术还有很大的潜力可挖。

现在不应该是泄气的时候,而应该是鼓劲的时候。在相当长的时间内,内燃机仍将在移动式动力装置中占有支配地位。

2020 年以后,混合动力技术会有很大发展。混合动力技术不是一成不变的,内燃机部分在不断进步,电气部分也在不断进步。面向将来日趋严苛的油耗法规,混合动力技术一定会大量应用。

同时,随着材料、摩擦润滑等技术的进步,加上新的结构设计,到 2030 年左右,使内燃机热效率达到 60% 的技术就会被提上日程,而且这个目标完全有可能实现。

发动机和纯电动彼此之间既有竞争,更有合作,混合动力就是两者合作的产物。无论是插电式混合动力,还是增程式电动车,也无论是轻混技术,还是中混、重混技术,都是发动机和电池、电机的有效组合。只有有效发挥两者的优点,才能让汽车动力总成的效率大幅提升。

▲Mercedes Benz V12 Engine 

部分资料来源:厚势(ID:iHoushi)

作者:汽车产业与技术战略研究院

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