内燃机及污染防治技术,该向何处去?

2020-09-14

       近期,汽车界很多人士或者企业家们,感到比较焦虑,国六标准推广实施的紧要关头,疫情突然冲击汽车产业,无论是传统燃油汽车还是新能源汽车,销量都大幅度下降,来自终端的压力必然传导至上游零部件企业,机动车尾气治理及后处理企业也不能幸免。


       9月10日,第11届大城市机动车污染防治技术研讨会在上海安亭召开,本次会议主题是“守正创新,精准减排”,来自行业的300多位专家、学者及企业人士参加,中国工程院院士、上海交通大学副校长黄震发表了重要演讲,大会开幕式由中国环境保护产业协会机动车防治委员会秘书长方茂东主持。在两天的会议中,与会嘉宾纷纷就内燃机及污染防治技术展开交流,专家们的演讲更是揭示了内燃机及污染防治技术的发展趋势。

内燃机面临的问题与挑战


中国工程院院士、上海交通大学副校长黄震

       针对行业焦虑,黄震院士深度剖析了内燃机面临的问题与挑战。

       最近,欧洲部分国家出台了严格限制内燃机汽车行驶的法规,黄震认为,在欧洲,人们关注内燃机对气候变化影响的担忧似乎成为了政治诉求,而不是科学讨论。在这种形势的影响下,《经济学家》曾报道:内燃机曾经辉煌,但这种改变世界的机器结局渐至。然而,另一些专家并不这么认为,他们认为到2050年,60%的轻型车仍将“拥有”内燃机。

       专家们的争论都各有理由,在这个过程中,北欧的禁令及专家的争论可能被媒体过度放大。内燃机本身没有危害,危害来自于内燃机的有害排放,以及温室气体排放。

    “去年9月一份国际著名期刊上,美国、日本、欧洲等国家及地区共37位学者联名发表了文章,我也是作者之一,专门谈到内燃机对我国和全球的环境保护、能源消耗以及对未来二氧化碳排放的影响。这篇文章在国际上引起了很大的反响。”黄震院士说。

       过去四十年,由于发动机或内燃机燃烧及后处理技术的快速发展,有害物质排放可以降到原来的千分之一左右。目前排气管的碳氢排放量低于发动机进气口周围空气的碳氢浓度,即通过尾气后处理、燃烧技术可以让发动机排放比较干净,成为负排放汽车。

       对于雾霾,大家印象都很深刻,颗粒物是造成雾霾的主要元凶之一,现在先进的发动机尾气排放颗粒物已达到每公里5毫克的标准,但是,每辆汽车的轮胎、制动器磨损,也会产生非常小的颗粒物,大约每公里50毫克。两相比较,尾气排放远远低于轮胎或者制动器磨损产生的颗粒物。

       从全球温室气体排放来看,交通领域的排放量约占总量的10%,如果将所有的交通工具全部改为电动汽车,也只能把10%全部抹去,但是,达成这样的目标有一个重要的前提条件,所有的电力来自非化石能源,在目前难做到。

       欧洲的环保标准不仅对碳氢、一氧化碳(CO)提出严格要求。至2030年,欧盟新车碳排放标准将降低到59克。这是什么概念?一个人跑步每公里会排出24~30毫克的二氧化碳。可见,未来汽车排出的二氧化碳将会更低。

     《巴黎协议》对欧洲的技术发展及商业模式产生深远影响,我国在《巴黎协议》中也有承诺,为了实现这个承诺,对汽车油耗降低提出了要求,这也带来了内燃机的挑战,从中短期来看,我们必须不断提高内燃机的热效率,低碳化是内燃机存在的必要条件;从中长期来看,碳中性和零碳化是内燃机未来的必由之路。

       20个世纪70年代末期到80年代初,发动机热效率并不高,汽油机不到30%,柴油机超过30%,现在最高效率可以超过50%,未来将达到54%。热效率提升来源于技术进步,从气道喷射发展到缸内直喷,再到稀薄燃烧EGR技术,压缩比从7%~8%,提高到16%。

       我国在内燃机热效率提升上也取得了可喜进步,最近有一台发动机正式研发成功,热效率达到50.2%,也是国内首台超过50%的柴油机热效率发动机。

       为了内燃机未来的发展,上海交大的实验室提出了全新概念——智能燃料发动机。发动机在缸内和气道可以喷两种燃料,通过两种燃料实时调控燃烧的过程,进行燃料的过程和燃烧过程的设计。汽油机不同转速、不同负荷情况下采用不同的燃料比例,使整个发动机的放热形态、发动机的负荷达到最优,从城市工况来看,最高可以省油近30%,平均节油达到22%,这是全新的发动机。

       汽车在行驶过程中会排出二氧化碳,如果把二氧化碳吸收以后再做燃料,形成周而复始的循环就形成了碳中性,汽车再怎么开,整个大气中二氧化碳没有增加。利用可再生能源,风能、太阳能等发电制氢,用氢捕捉二氧化碳制成燃料,从而实现碳中性。

       目前,国际上的光伏发电价格约为每度电1.35美分,大约为0.1元人民币,下一个目标是一美分,我国西北地区弃风弃光造成的电力资源浪费大约为30%~40%,光伏发电可以制氢。美国、欧洲、德国、沙特、日本等都在开展全新概念清洁燃料研究,我国也提出了液态阳光(清洁甲醇)概念。

       从未来的发展趋势看,内燃机还有很强的生命力,全球几大汽车企业向市场推出的混动汽车、PHEV、增程式电动汽车,这些都需要使用内燃机。燃油车和电动车不是零和博弈,用途上各有所长,也各有分工,两者的融合势在必行。

氢内燃机是发展方向之一

       燃料中的有害物质在燃烧过程中被释放,如果燃料很干净,就不会释放碳氢、CO、二氧化碳等有害物质。20年前,宝马汽车曾经尝试氢气在发动机内直接燃烧,然而,这项研究后来停止了,从技术上也可以说这条路有很大的难度。

       在这次研讨会上,联合汽车电子有限公司高级系统开发专家苏建业博士的演讲题目是《氢燃料内燃机燃烧与排放特性的试验研究》,这一下子把参会者的兴趣提了上来,当年宝马汽车失败进行了研究,联合电子如何重放光彩?

       苏建业似乎知道大家的关注点,首先回顾了氢燃料内燃机技术发展变化,同时,技术进步让氢燃料内燃机重新回归视野。

       相比20年前,氢燃料内燃机在可用技术方面取得了显著的进步。700bar高压储氢技术已经在燃料电池中获得量产,这解决了氢内燃机车辆载气量较低的问题。20年前,宝马采用气道喷射燃烧的方法,如今已发展出缸内直喷,缸内直喷氢气喷射系统具备量产可行性;增压技术的进步满足了氢燃料内燃机对功率的需求,从以前的30kw/l提高到80kw/l,翻了一倍多;氢燃料内燃机的缸内净化技术促进了近零排放目标的达成。“更重要的是,加氢基础设施建设越来越广泛,为氢内燃机的使用搭起了平台。氢气作为一种能源,价格有望进一步下降,用户能够用得起。”苏建业说。

       这些技术进步取得了什么样的成果?据介绍,当前的2.0L、涡轮增压、缸内直喷氢燃料内燃机的功率、扭矩,与2.0L增压直喷汽油机相当。

       从氢燃料的物理化学性质看,氢的自燃温度比汽油高200~300℃,但是点火能量只有汽油的十分之一,这特别适合火花点火的燃烧方式。氢气的可燃范围比柴油汽油都宽,非常容易着火,这注定了氢气可实现稀薄燃烧,甚至超稀薄燃烧。氢气也有不足的地方,就是混合体的热值比较低,因此对增压技术要求比较高。

       联合电子的氢燃料内燃机试验发动机是2.0L,涡轮增压、缸内直喷汽油机,几何压缩比为9.8,进气和排气采用VVT,还有2个可变涡轮截面涡轮增压器,在ECU方面也做了调整。

       试验样机的排放结果也令人满意,没有二氧化碳和颗粒物排放,在测试中有碳氢和CO,不过数量极少,大约4.6PPM。“这是没有进行后处理的结果。”苏建业说。发动机毕竟需要机油进行润滑,有些机油会泄漏至缸内,从而产生碳氢和CO。

       氢燃料内燃机最大的挑战是NOx,因为输入的空气中既有氧气也有氮气,只要高温,氧气与氮气就会结合产生化学反应,从最后的结果看,也在10PPM之下。

       氢燃料内燃机的短板是升功率不足,缸内直喷达到80Kw/L之后,就很难提升,热效率也比传统汽车低一点。尽管氢燃料内燃机还有诸多的不足之处,但尾气排放是传统汽车根本不可比拟的地方。

尾气超标治理重在监督治理

生态环境部机动车排污监控中心副主任尹航

       液态阳光、氢燃料内燃机还是比较远的事情,机动车尾气治理不能等到这些技术量产后再治理,加强监督治理成为必然趋势。生态环境部机动车排污监控中心副主任尹航就《我国机动车排放监管政策法规解读与未来监管趋势》进行了演讲。

       经过一段时间的治理,我国空气质量达标城市比例逐年提高,2019年337个城市中,157个城市空气质量达标,占比为46.6%。与2018年相比,PM10和二氧化硫浓度下降,臭氧浓度上升,其他持平。总体上,PM2.5防治的形势依然严峻,同时臭氧污染又日益凸显。

       从不同的污染物来看,重型货车是移动源NOx控制的重点,重型货车的保有量约占机动车保有量的2.04%,但是NOx排放量占机动车排放总量的61.84%,占移动源排放总量的34.56%。小型客车是移动源VOCs控制的重点,小型客车保有量约占机动车总量的67.08%,VOCs排放量占机动车总量的62.36%,占移动排放源总量的51.18%。

       生态环境部已经建立了“天地车人”一体化的监管体系,今后的工作将加大在用车监督执法力度,全国31个省自治区直辖市,均开展了机动车定期检验工作,全国汽车保有量的98.1%,已经进行了定期检验;还将加大路检力度,强化入户监督抽测,提高监督抽测频次。2019年各地共检查3.7亿辆次,发现超标车辆1138.32万辆次。

       在原有的工作基础上,有关部门积极推进车队结构清洁化,加快淘汰老旧车辆,使我国车队结构发生明显变化。燃油达标是治理污染排放的重要环节,2019年起实行“三油并轨”,开展清洁油品行动,严厉打击生产销售储存和使用不合格油品行为,2019年5月,生态环境部会同市场监督管理局,公安部,商务部,在京津冀及周边“2+26”城市,以及秦皇岛,承德,张家口共31个城市,258个县区开展清洁油品强化监督定点帮扶,共发现1466个黑加油站。已要求各地政府取缔905个,新发现561个黑加油站。

       在监督执法过程中,发现各种超标问题,以含硫量为例,平均超标25倍,其中55%超标100倍以上,最高的超标902倍。加大监督执法力度使得正规渠道的汽柴油销售量出现了较大幅度的增长,2019年5~8月,平均增长率为11.3%,石家庄,邢台,张家口,邯郸,开封,菏泽6个城市平均增长率为33.2%。

       下一步,生态环境部将继续严格实施国六标准,完善“天地车人”一体化监控体系,对高排放车辆实施全天候全方位的实时监控,通过大数据分析,溯源汽车生产企业、发动机制造企业、后处理装置制造企业,实现联合惩戒,建立严惩重罚制度。

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