节能汽车：助力汽车工业节能突围

  在这样一个以能源和气候为尊的时代，人们对新能源汽车给予了前所未有的关注和投入，但毋庸置疑，现在汽车仍主要依赖石油驱动。石油主宰着世界经济的发展，同时也是地区争端的主要诱因。更重要的是，我们所剩的石油已经不多了。

  改造发动机，把每一滴汽油和柴油的利用率提升到极致、装上电池用电力来辅助或主导驱动、往内燃机和电池里灌上各种生物燃料乃至液态氢倾注了人类百年智慧和激情的汽车正在不断革新动力单元，而不变的关键词始终如一：节能、环保、可持续。

  “毋庸置疑，新能源汽车是目前汽车的主流发展的新趋势，作为新能源汽车的补充，节能汽车也应引起足够的重视。”北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室主任马重芳教授特别强调“节能汽车”的概念。近日，在接受《科学时报》记者专访时，马重芳指出，不论未来将是什么在支持我们的汽车前进，至少今天，我们没理由不关注传统内燃机对每一滴石油的燃烧与利用。

  马重芳：新能源汽车主要指纯电动、油电混合动力和燃料电池三种，它们本质都是以电化学蓄能为基础的。节能汽车指的是内燃机与余能热功转换相结合的混合动力汽车、压缩空气动力汽车等，节能汽车的本质是通过余能回收和物理蓄能实现内燃机效率的提高，进而实现汽车节能。

  内燃机与排气余热回收相结合的混合动力汽车指的是利用内燃机的废气余热，通过朗肯循环和有机朗肯循环，实现排气废热的热功转换，来提升发动机的功率，降低发动机的油耗。这是节能汽车特别是重型卡车的一个重要发展方向。

  由于这种新型混合动力装置以联合循环代替了单一的奥托循环（汽油机）或DESEL循环（柴油机），实现了内燃机余能的回收，可以明显提高汽车的燃油经济性。这种新型混合动力汽车不但在学术上具备极其重大意义，而且将为汽车动力的发展提供了重要战略方向。

  节能汽车的另一个重要方向压缩空气动力汽车，也叫气动汽车，其基础原理是将高压压缩空气注入高压储气罐，压缩空气膨胀驱动膨胀机做功输出机械能从而驱动汽车运行。

  压缩空气动力汽车与其他汽车相比有以下几个优点：一是无燃料燃烧，排放的是无污染、低温的空气，是真正的“绿色”概念汽车。二是在气动发动机工作过程中高压气体膨胀做功后温度大幅度降低，排出的尾气温度远低于环境和温度，低温的尾气可当作空气动力汽车制冷空调的冷源而不需要额外制冷系统，同时也不必装备油箱、火花塞和消声器，可使车生产所带来的成本降低20%。三是空气不可燃，汽车安全性好。四是与传统汽车相比，其发动机工作时无燃料燃烧过程，所以发动机对材料要求低、结构相对比较简单、尺寸小、质量轻、造价低、设计和制造容易。五是其能量的传递快捷，储存容易，介质来源方便、清洁，所需的电力容易获取；充气设备和社会基本的建设费用不高，较容易建造。整车使用维护和生产费用低，且可利用现有气动技术、汽车设计和制造技术，研制和开发周期短。六是压缩空气罐废弃后比电池污染小。七是比电池使用寿命长，而且性能不衰退。

  气动汽车能够很好的满足空气污染严重城市对低排放、零排放汽车的迫切需要，可替代部分城市和室内交通工具，如城市公交车、观光游船、运动小车及室内搬运工具车等，具有非常好的市场应用前景，能够得到降低城市污染的良好社会、环境效益。

  《科学时报》：为何在新能源汽车之外需要非常强调节能汽车的概念？以纯电动车为产业方向的新能源汽车的发展是否将挤压节能汽车的发展空间？

  马重芳：之所以在新能源汽车概念之外特别强调节能汽车的概念，主要是基于我国节能减排的现实需求。

  据公开多个方面数据显示，2009年我国生产内燃机约6700万台，其中1379万台为汽车配套，总功率达11.3亿千瓦，比2008年增长10%左右。

  11亿千瓦，这是怎样一个概念？截至2009年底，我国电力装机总容量8.74亿千瓦，按规划，未来5年，平均每年的装机容量增加约1亿千瓦。两者相比，内燃机在中国工业发展中的地位一目了然。

  可以肯定，在能预见的未来，内燃机的作用仍将无法替代。而与此同时，内燃机发展面临节能减排的巨大挑战。2009年我国石油进口依存度达51%，而内燃机石油消耗量约占全国总消耗量的2/3，是名副其实的用油大户。排放方面，内燃机废气污染占我国绝大多数城市非供暖季大气污染的50%以上，是城市最主要的大气污染源。

  机械工业是整个工业的基础，内燃机又是机械工业的基础，但是，越基础的东西往往越容易被忽视。以汽车与内燃机为例，虽然动力总成是汽车的核心，但人们对整车的关注度远大于内燃机。2009年国家出台的10大产业振兴规划中，汽车、装备制造、船舶都与内燃机有关，但是每个振兴规划中，内燃机并未受到足够重视。在方兴未艾的新能源汽车产业中，传统内燃机节能技术也常常遇冷，远比不上电动车的“热力十足”。

  当前，国家格外的重视新能源汽车发展。由于新能源汽车与传统汽车相比，最根本的变化体现在动力系统。因此，有观点认为新能源汽车将挤压内燃机的发展空间。

  对此我认为，新能源汽车是传统汽车技术的传承，是汽车技术的主流发展的新趋势，发展新能源汽车是国家长期战略选择，是汽车工业寻求可持续发展能源环境的必然选择。但新能源汽车技术难度大，需要一个比较长的研发与推广周期，在未来20年，内燃机汽车仍然是主流汽车，新能源汽车对国家节能减排并不能起到立竿见影的效果。因此在全力发展新能源汽车的同时，国家应积极发展节能汽车，节能汽车可能是未来20年内汽车工业节能减排的最主要手段。

  马重芳：在世界的石油能源消耗结构中，内燃机所占的份额很大，2006年和2007年我国内燃机所消耗的燃油约为1.9亿吨和2亿吨，在当年全国原油消耗总量3.23亿吨和3.46亿吨中所占比例均接近60％。

  从目前汽车所用发动机的热平衡看，用于动力输出功率一般只占燃油燃烧总热量的30％～45％（柴油机）或20％～30％（汽油机），以废热形式排出车外的能量占燃烧总能量的55％～70％（柴油机）或70%~80%（汽油机），最重要的包含循环冷却水带走的热量和尾气带走的热量。因此内燃机余热回收是降低内燃机能耗的关键技术措施之一。

  美国能源部对内燃机节能潜力的评估结果认为，发动机余热能回收的节能潜力达60%以上。美国Argonne国家实验室在分析了各类内燃机的节能技术后认为，余热能回收利用具有最大的节能潜力。作为全世界最大的独立发动机制造商，美国康明斯（Cummins）公司认为，通过余热能的回收利用，到2015年可使内燃机的转化效率达到60%左右。

  与此同时，2010年初，美国能源部长朱棣文宣布启动3.75亿美元（政府拨款1.87亿美元）提高重型卡车和乘用车效率的研究计划，其中发动机余热能回收利用是该项目支持的主要关键技术。该项目投资中60%的资金用于重型卡车的节能，其余40%的资金投入来支持轻型客车的节能。到2030年该技术在汽车中广泛采用后，每天能节省1亿升汽油和柴油，降低汽车20%的碳排放。美国此项计划反映了新能源汽车的最新动向，此举能给我们以启示和借鉴。

  总的来说，从目前的进展来看，通过对内燃机余热能的梯级利用，取得10%～20％的能量利用效率的提高完全是可能的。我国2009年石油消耗量约为3.74亿吨，其中内燃机耗油为2.24亿吨，因此通过对内燃机余热余压利用的研究，可节约石油3360万吨左右，减少CO2排放1.05亿吨左右。

  马重芳：国际上很看重内燃机废气余热的利用。美国能源部同时资助6个团队进行汽车余热利用研究，这6个团队几乎涵盖了相关领域各大公司及国家实验室，美国能源部的目标是通过余热利用技术的应用使柴油机热效率在10~15年后提升至60％。

  在欧洲，英国帝国理工学院在展望内燃机的发展的新趋势时，将内燃机废热能的利用作为到2050年的关键技术挑战。法国在2007年启动了heat2power计划；瑞典3所一流大学Lund，Charlmes，KTH开展内燃机余热回收的联合研究。日本文部省在2005年发布的第八次技术预见调查报告中，将内燃机余热能的利用列为未来30年技术发展的100个重要课题之一。

  德国宝马公司已经在1.8升四缸发动机上分别采取了水和酒精的朗肯循环回收废气和冷却水的高温和低温余热推动膨胀机做功，试验根据结果得出，可增加15%的引擎输出效率以外，油耗表现更与1.5升的车款相当。

  日本本田公司通过高温废气换热产生高压蒸汽，驱动膨胀机发电回收余热，膨胀机最大可输出32kW电，热效率最大可提高13％。

  康明斯在美国能源部的支持下进行了利用8级车用内燃机余热驱动有机朗肯循环发电的研究，目标是提高10％的燃油经济性。目前已完成了第一代样机的设计制造和测试。

  此外，美国卡特皮勒公司开发了固定式天然气发动机的有机朗肯循环废气余热发电系统，该系统样机使发动机系统的燃气利用效率达到了47%。

  对于空气动力汽车而言，早在内燃机发明之前，压缩空气动力汽车的概念就被提出并被大范围的应用于瑞士等欧洲各国城市的轨道交通。目前法国MDI汽车公司是此项技术的代表。到2008年底，他们已设计制造出5种型号的压缩空气动力汽车，其发动机的功率从4马力到75马力。其中一款车型可达200km～300km的续航能力，最高时速110 km/h，接电自充气时间在4个小时左右，而在加气站充气时间只需3分钟。

  马重芳：与国外同行相比，我国节能汽车的研究较少。我国科技部先后在“十五”和“十一五”期间分别设置了两个内燃机“973”项目，这两个项目都是由天津大学牵头，主要进行内燃机高效燃烧技术的研究。2010年科技部批准了天津大学内燃机国家重点实验室舒歌群教授牵头申请的“973”项目“高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究”，北京工业大学吴玉庭研究员做为其中课题二“内燃机余热能转化热力单元和材料性能强化设计和集成优化的研究”的课题负责人。在“十一五”“863”中也设置了一个内燃机废气余热回收的预探索性专题课题，在该课题的支持下北京工业大学对内燃机废气余热回收开展了预探索研究，目前正在搭建实验台进行实验验证。气动汽车方面，国家自然科学基金委和国家科技部设置了相应课题，浙江大学、北京工业大学、合肥工业大学开展了一些研究工作，取得了一定进展。总的来说，国内对节能汽车的研究还刚刚起步，跟国外差距很大，因此非常有必要设置项目进行系统研究，以促进我国节能科学理论的发展。

  内燃机废气余能的回收涉及废气余热的收集传热、热功转换、热电直接转换以及压力能转换等方面。热力学、传热学、材料、机械和控制等多个学科以及这些学科的交叉是内燃机余热利用的理论基础。只有掌握了这些关键科学技术，才能使系统总能利用效率明显提高，回收成本逐步降低，进而才有机会推动其大规模商业化发展，实现内燃机余热余压的有效利用。

  柴油机余热热功转换是一项近年来才兴起和受到重视的新能源汽车技术，其研究大多分布在在欧洲与美国。大汽车和柴油机厂商都在全力开发柴油机余热热功转换，也有更多的发动机厂商正在或即将跻身到该技术的研究应用中。但尽管如此，目前该项技术依旧处于示范试验、系统性能优化改进阶段，许多关键技术还没有被完全攻克。

  我国是最大的重型卡车生产国，柴油机余热热功转换系统的研发和应用对我国汽车工业的发展具备极其重大的战略意义，而目前国内企业尚未开展该技术的研发。该项技术目前还并不成熟，谁先掌握先进可行的技术，谁将把握最大的商机，成为该技术的领跑者，带领整个发动机余热热功转换新动力系统的发展。