节能减排背景下汽车动力进阶之路的探讨

华琰 李瑞娜 王忠

摘 要：2008年我国实行了新能源汽车政策，2020年又提出了碳达峰和碳中和目标，传统汽车动力面临着巨大的挑战，寻求绿色动力是汽车节能减排的重要途径。目前，传统汽车动力逐步走向“低碳化”，并进一步向“绿色化”前进，为加速脱碳助力。

关键词：碳中和; 碳排放; 汽车动力; 低碳

中图分类号：F426.471        文献标识码：A      文章编号：1006-3315（2021）9-111-002

自十九世纪末汽车飞速发展，给人类的生活带来了极大的便利，2020年我国汽车销售量达2531万辆，全国机动车保有量达3.72亿量[1]。随着科技的进步，汽车动力逐渐从蒸汽机向内燃机转变，拉动了全球石油经济的繁荣。2020年我国石油对外依存度达73%[2]，给我国能源安全带来了巨大压力，而内燃机作为汽车的主要动力装置，每年的消耗量占全国石油消耗总量的60%以上[3]。汽车使用的柴油、汽油等大量化石燃料燃烧产生了巨大的碳排放，2019年，我国机动车污染物排放总量达1603.8万吨，汽车排放的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放量超过90%[1]，其中各类型汽车的PM排放量分担率如图1所示。2020年我国首次公布了碳中和的奋斗目标，汽车作为目标达成的关键环节，可以通过寻求绿色动力为降低碳排放助力。本文根据传统汽车动力面临的挑战，以及目前汽车动力在“低碳化”与“绿色化”道路上的摸索历程，探讨了汽车动力为节约能源、加速脱碳所做的努力及遇到的阻碍。

1.汽车传统动力面临的巨大挑战

内燃机是我国汽车的主要动力，能够将化石燃料燃烧产生的热能转化为动能，驱动汽车行驶，通常分为汽油机和柴油机，汽油机的热效率一般达25%-35%，柴油机的热效率一般在35%-45%之间。汽油是汽油机广泛使用的化石燃料，其蒸发性和抗爆性能良好，在燃烧室中容易形成可燃混合气;柴油是柴油机广泛使用的化石燃料，其自燃温度与蒸发性能适宜，可以保证良好的雾化效果。如果不考虑燃料中含有的微量杂质，内燃机使用的化石燃料完全燃烧时仅产生二氧化碳（CO2）和水（H2O）。但由于内燃机转速较高，燃料燃烧时间极短，燃料与空气不可能完全混合均匀，导致汽车排放物中还出现CO、HC、PM等不完全燃烧产物。

上述内燃机排放污染物中，完全燃烧的产物CO2是主要排放，它本身不属于污染物，但由于化石燃料的大量使用，地球上的碳循环失衡，现在大气中的CO2体积分数是工业时代的1.37倍，加剧了“温室效应”，导致极端天气、冰川消融等一系列生态变化，威胁了人类的生存环境。而不完全燃烧的CO、HC、PM排到大气中后，容易在紫外线照射下形成臭氧、醛类等光化学烟雾，或与其他物质反应形成二次颗粒物，对大气环境与人体健康造成危害，图2为臭氧对人体的主要危害。

随着我国能源结构的调整、排放法规的加严、以及“碳中和”目标的提出，汽车传统动力已经满足不了人类的需求，汽车传统动力急需变革。

2.汽车动力的“低碳化”

为了适用能源结构转变，提高汽车动力的能耗比，降低汽车碳排放，一大批围绕汽车动力低碳化的研究应运而生，主要包括以下两个方面。

（1）采用低碳燃料代替传统化石燃料，研究较为广泛的低碳替代燃料包括生物柴油、合成油和醇醚类燃料[4]，表1为常用低碳替代燃料的主要理化性质。

生物柴油：一种清洁的可再生资源，可通过植物油、动物油脂、餐饮废弃油脂等制得，属于生物质燃料，可有效解决汽车CO2排放的问题。生物柴油不含芳香烃、十六烷值较高、氧含量较高、燃烧性能和润滑性能好，能与柴油以任何比例相溶，目前主要应用于压燃式发动机，现有的研究成果表明由于生物柴油含氧，促进了燃烧反应，有助于缸内燃烧产物的氧化，可以降低CO、HC和颗粒排放[5，6]。

合成油：包括天燃气合成油（Gas-to-liquid，GTL）、煤合成油（Coal-to-liquid，CTL）等，其中以费托（Fischer-Tropsch，F-T）柴油为主，它是一种通过间接液化方法合成的燃料，主要原料是煤炭，我国煤炭资源丰富，发展煤基燃料符合我国的能源结构特征，促进汽车能源多样化发展。由于F-T柴油十六烷值比柴油高，与柴油掺混使用或直接使用时，可以提高燃料的着火性能。而且由于F-T柴油中几乎不含芳香烃和硫，可以有效降低汽车尾气中的PM和多环芳香烃（PAHs）排放。

醇醚类燃料：一种化学结构简单的含氧燃料，具有生产原料广泛、制备工艺成熟的优势，常用的有甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）、丁醇（C4H9OH）、二甲醚（CH3OCH3），其中应用最多的是CH3OH，甲醇不仅可以与汽油掺混使用在汽油发动机上，还可以单独使用。我国对于甲醇燃料的研究起步較早，吉利、宇通等车企已克服了甲醇汽车冷启动、腐蚀性等关键问题，拥有了自主生产甲醇汽车的能力。2018年底，西安市推广了一批M100纯甲醇燃料出租车，由于甲醇含氧量达50%，更容易完全燃烧，使得汽车碳排放显著下降。

（2）在常规汽车动力装置基础上增加了一套电能驱动系统，采用电动马达作为传统汽车动力的辅助动力。目前汽车市场在售的混合动力车型主要包括油电混动汽车和插电式混合动力汽车。

油电混动汽车：汽车正常行驶时完全依靠汽油的燃烧提供动力，但增添的永磁同步电机可回收汽车刹车时的动能，并将其储存到电池内，用于汽车低速起步。与传统动力汽车相比，最高可节约32%的燃油消耗，有效降低了汽车行驶过程中产生的碳排放，代表车型有卡罗拉、普锐斯、凯美瑞、雷克萨斯CT200h等。

插电式混合动力汽车：需要同时配备电池组和油箱，结合了电动和燃油两种汽车动力的优势，可选择纯电动和纯燃油两种动力模式，并且能够享受新能源补贴。汽车在纯电动模式下运行时，电池组可维持50公里到110公里左右的续航里程，极大降低了燃油使用率和含碳污染物的排放量。

虽然与传统汽车相比，使用低碳替代燃料和采用混合动力汽车具有明显优势，但实际上也存在一些不足。例如在低碳替代燃料方面，燃料制备的过程中会伴随着CO2气体的产生，甲醇等腐蚀性燃料的存储安全性不高，醇醚类燃料不完全燃烧更容易产生甲醛等有害气体等;在混合动力方面，油电混动汽车由于不能上新能源牌照，价格比传统动力汽车更昂贵，插电式混合动力汽车在纯燃油模式下的油耗较高。在这些难题的解决过程中，汽车动力迎来了新的发展机遇。

3.汽车动力的“绿色化”

在我国政策支持下，纯电动汽车和氢燃料电池成为新能源汽车的重要技术路线。由于摒弃了传统燃油车的动力装置，完全使用电能驱动，这两种类型的汽车在高效率、低噪声等优势的基础上，还实现了零碳排放。

纯电动汽车：主要采用锂电池作为电源，具有成本低、容量大的特点，适用于城市、乘用车、短途等领域。自2012年起，我国便提出鼓励建设充电桩、换电站，为纯电动汽车的使用解决了后顾之忧，截至2020年底，我国新能源汽车保有量达492万辆，占汽车总量的1.75%，占全球4成以上，其中纯电动汽车保有量为400万辆，占新能汽车总量的81.32%[7]。

氢燃料电池汽车：采用燃料氢气（H2）电化学反应方式，将化学能直接变为电能驱动汽车行驶，转换效率高，结构模块化，目前研究最广泛的是质子交换膜燃料电池，输出功率密度和质量功率高。图3为氢燃料电池的基本工作原理。但由于氢燃料电池汽车的生产成本和技术难度高，目前还没有广泛普及，2019年，我国燃料电池汽车产量为2833辆。由于不需要装备电池组，与纯电动汽车相比，氢燃料电池汽车还具有轻量化优势，适用于大型、商用车、长途等领域。丰田Mirai的最大行驶里程可达312英里，比特斯拉Model3多41%。

虽然汽车动力实现了“绿色化”，但我们还面临着电能和氢能从哪儿来的问题。目前我国主要用煤发电，2020年国内煤发电占比大约60%，煤炭的燃烧伴随着大量的CO2的产生，违背了国家节能减排的号召。面对大规模的电能和氢能需求，我们还需关注汽车从生产到使用整个产业链的“绿色化”，积极探寻风能、太阳能、水能等可再生能源的有效利用方式。

随着我国能源结构的调整及碳中和目标的提出，寻求绿色汽车动力可以实现较大规模的节能减排，为响应国家号召助力。但若想真正意义上实现全面脱碳，还需要从汽车全生命周期考虑，降低每个环节的碳排放。

参考文献：

[1]中国政府网[EB/OL].http：//www.gov.cn/

[2]北青网[EB/OL]http：//YNET.com/

[3]中国行业研究网[EB/OL] www.chinairn.com/

[4]刘圣华，周龙保.内燃机学[M]北京：机械工业出版社，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，历宝录等.生物柴油的排放特性试验研究[J]农业工程学报，2005，21（7）：77-80

[7]搜狐网[EB/OL]https：//www.sohu.com/