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趙福全對話蘇萬華:舍棄內燃機是根本上的誤判

來源:鳳凰汽車網 瀏覽次數:296 發布日期:2019-04-12

對話嘉賓:蘇萬華,中國工程院院士、天津大學教授


核心觀點摘錄

【舍棄內燃機是根本上的誤判】

在中國火電占比仍在70%以上時,以發展新能源汽車為由唱衰內燃機不科學,也危險。舍棄內燃機是根本上的誤判。中國發動機技術早已今非昔比,不像想象得那樣落后。莫讓中國內燃機產業留下歷史遺憾。

【內燃機處于近零排放的水平】

經過近三十年的發展,內燃機已經處于近零排放的水平。顆粒物和氮氧化物等有害排放物已經降低了99%,下階段內燃機減排的最大挑戰是汽車瞬態過程的排放。

【內燃機熱效率有望突破60%】

未來內燃機熱效率有望突破60%,2030年,使熱效率達到60%的技術就會提上日程。

【2020混動技術會大行其道】

2020年后,混動技術會大行其道。混動不是一成不變,內燃機在不斷進步,電氣部分也在進步。但目前,改進發動機的成本要低于混動技術,因為電池和電機成本很高。

【要從全生命周期考慮低碳化】

現行法規沒有從全生命周期來考慮低碳化,這是個大問題。電池的生產制造、報廢處理等過程都產生有害物質,應計算在內。不全面、不科學的法規給內燃機發展制造了障礙。

【內燃機是國家支柱產業】

目前內燃機動力系統承擔全國公路貨運量77%,客運量80%~90%,幾乎全部基礎和工程建設;此外,還承擔著農業機械、國防、海洋運輸和內河運輸等任務。盲目限制,不現實。

【盲目唱衰內燃機會造成人才斷層】

內燃機的發展前景非常好,相關人才的工資待遇也很高,目前仍然處于人才短缺的狀態,那些唱衰內燃機的不和諧聲音,對青年學生的影響最大。

【內燃機長時間還將支配移動動力】

現在不應該是泄氣的時候,而應該是鼓勁的時候。在相當長的時間內,內燃機仍將在移動式動力裝置中占有支配地位。

對話正文

趙福全:各位網友,大家好!歡迎來到鳳凰汽車“趙福全研究院”高端對話欄目,我是欄目主持人、清華大學汽車產業與技術戰略研究院院長趙福全。今天我們非常榮幸地請到了中國工程院院士、天津大學蘇萬華教授。

作為資深內燃機專家,蘇院士把全部心血都貢獻給了中國內燃機行業,很多優秀的內燃機專家、企業家都是您的學生,可謂桃李滿天下。

隨著節能環保的要求越來越嚴,汽車正朝著電動化方向發展,新能源汽車在國家層面受到的關注度越來越高。同時,有報道稱一些國家已經直接或間接地提出了內燃機汽車的禁售時間表,似乎社會輿論在唱衰內燃機,大家對內燃機的發展前景非常憂慮。在這種大背景下,您怎樣看內燃機的未來?內燃機當前面臨的最大挑戰在哪里?

蘇萬華:內燃機當前面臨的最大挑戰是如何實現二氧化碳的進一步減排,通過減少溫室氣體的排放量來保護人類的生存環境,這也是最大的目標。

當前各國都制定了嚴格的二氧化碳減排目標,特別是中國已經向世界承諾了二氧化碳的減排義務。2015年我國汽車平均二氧化碳排放量約為170克/百公里,按照發改委相關文件要求,到2020年汽車平均二氧化碳排放量要降低到115克/百公里。相當于每年要降低11克/百公里,即下降3%,這是非常大的挑戰。

在環保要求加嚴的背景下,我們必須提高汽車內燃機的熱效率,以達到降低油耗、減少排放的目標。所以,提高內燃機熱效率是全世界內燃機產業從業者當前的首要任務。現在比較現實的目標是把汽油機熱效率提高到45%-50%,把柴油機熱效率提高到50%-55%,甚至往60%的方向發展。如果能達到這些目標,內燃機的前景還是可期的,但是為了達到這樣的目標,我們還需要做大量的技術工作。

趙福全:作為世界上主要的石油進口國,中國面臨著嚴峻的能源安全問題,因此汽車油耗法規勢必越來越嚴,這給內燃機帶來了巨大挑戰,要求內燃機必須不斷提高熱效率,降低油耗水平。那么在尾氣排放方面,內燃機又面臨怎樣的挑戰呢?

蘇萬華:在排放上內燃機面臨的挑戰同樣很大。我國已頒布國六法規,不少地區從明年開始就會提前執行國六,這個法規的要求相當于“歐六”水平,是當今世界上最嚴的排放法規之一。

三十年來,內燃機排放水平從低排放到超低排放、再到超超低排放,現在處于近零排放的水平。過去三十年,全世界汽車的顆粒物和氮氧化物等有害排放物已經降低了99%,現在的排放水平僅相當于三十年前的1%。下階段內燃機減排的最大挑戰是汽車瞬態過程的排放。歐盟已提出RDE(Real Driving Emissions)測試,即汽車在實際道路行駛過程中的排放,也稱為隨機駕駛排放。只有解決這個問題,才能真正解決內燃機在實際運行時對大氣造成的污染問題,這是非常大的挑戰。在RDE法規的研究及推進方面,我國進展也很快,走在世界前列。

趙福全:您提到內燃機還有很大的發展潛力,但這是要以成本為代價的,因為要做更多的技術開發和應用,這也影響內燃機的競爭力。在油耗及排放法規不斷加嚴的大背景下,很多挑戰讓人覺得內燃機的潛力已經趨近極限,您能不能從基本原理的角度講講內燃機還有多大的潛力可挖?機會具體在哪里?

蘇萬華:作為內燃機工作者,我對此感觸很深,也有長期奮斗的思想準備。回答這個問題可以從一次學術會議說起。2010年美國能源部授權美國汽車理事會USCAR召開了一次高水平的學術會議,這次學術會議有兩個重要結論:

第一,在相當長的時間內,內燃機仍將在移動式動力裝置中占有支配地位。

第二,內燃機的熱效率可以不受卡諾循環的限制,短期內可以達到60%,中長期有可能接近85%。這是基于全世界基礎研究結果得出來的判斷,對內燃機的發展前景有很好的期望。

我國在內燃機研發方面的進展也非常好,目前技術創新、新產品開發的狀況令人鼓舞。11月29日,我參加了“2018年度十佳發動機評選”頒獎盛典,十佳發動機中有6款是自主品牌的產品,包括小型強化三缸發動機和48V混合動力發動機。前兩年在討論內燃機未來發展方向時,我曾經強調過兩個技術,一個是小型強化三缸發動機;另一個就是48V混合動力技術,當時預測48V技術在2020年以后會被大量使用。而現在我很高興地看到,今年江淮汽車就推出了搭載48V混合動力發動機的車型。

一些人總認為國外發動機更先進,而我國發動機的性能落后,與國外先進水平差距很大。實際上,中國發動機技術早已今非昔比,并不像有些人想象得那樣落后。比如在這次年度十佳發動機評選中獲獎的6款自主品牌發動機,應該說都是世界一流的產品,所使用的技術也都是世界最先進的,并且是嚴格基于靜態和動態實測表現和節能減排指標評選出來的。總之,我國汽車發動機技術已經取得了長足的進步,而且未來在發動機技術創新方面仍有很大潛力,前途光明。

趙福全:美國USCAR預測未來內燃機可以突破卡諾循環的限制,但是,內燃機要怎樣突破最基本的熱力學定律呢?以汽油機為例,現在發動機的熱效率到底能做到多少?您能否給一些量化的指標,比如設定一個時間點,到2025年,您覺得內燃機的單點熱效率最高能達到多少?

蘇萬華:預測內燃機的熱效率可以突破卡諾循環的限制,主要是因為卡諾循環是閉口循環,而現在的概念則認為內燃機并不是閉口循環,完全可以把內燃機排出去浪費掉的能量回收利用起來。最直接的方式就是通過增壓方式來回收能量,也可以進行余熱回收循環利用,還有很多其他的方法,所以這個判斷是符合科學規律的。

在提升內燃機熱效率方面,我們團隊做了大量的工作,現在可以使汽油機熱效率達到60%,在今年中國工程院主辦的內燃機及燃料顛覆性技術國際高端論壇上,我們報告了這個結果。我們主要采用了低?損失、可變壓縮比等技術,以結構比較常規的內燃機為基礎,實現了均質壓燃汽油機(HCCI)熱效率達到60%。在那次會議上,也有瑞典專家提出使內燃機熱效率達到60%的方案,可見提升熱效率的途徑還有很多。

趙福全:實驗測試內燃機的熱效率已經做到60%,那么如此高效的內燃機能否實現量產呢?高效內燃機技術應用的難點在哪里?產業化的難點又在哪里?

蘇萬華:量產主要的難點是內燃機需要小型和強化,其中強化問題挑戰更大。由于內燃機的熱效率與負荷成正比,負荷越高,熱效率越高,最大爆發壓力也越大。目前國際上量產機型的最大爆發壓力約為380 bar,而當熱效率超過60%的時候,最大爆發壓力可以達到450 bar,這就對內燃機機體的結構、強度設計提出了更高的要求。但是,我們在研究中也找到了突破路徑,目標不一定要一步實現,完全可以隨著負荷增加逐步實現。例如先把最大爆發力提升一些,使內燃機熱效率升到45%的水平,也能獲得非常明顯的改進效果。

趙福全:目前在實驗室樣機階段,國內外都已經把內燃機的熱效率提高到了60%。不過在實際使用中,車載汽油機的熱效率到底能做到多少,或者說應該做到多少呢?這一點仍然眾口不一,畢竟汽車的使用工況不同,搭載的內燃機機型也不同。據您所知,當前國內汽油機熱效率可以達到什么水平?國外是什么水平?您能不能給個量化指標?

蘇萬華:按照十佳發動機評選的結果來看,國內量產汽車發動機的熱效率已經做到超過40%,最高可達到40.5%。實際上評估發動機的效率,不能單純只看最高熱效率,而是應該通過減少排氣損失、傳熱損失、機械摩擦損失等一系列措施,使發動機萬有特性達到最好狀態。以前發動機萬有特性曲線像一個倒扣的碗的剖面線,現在這個曲線像一個倒扣的盤子的剖面線,也就是說,發動機可以做到在更為寬廣的負荷范圍內達到最佳的性能。因此,現在基準質量乘用車的百公里油耗已經可以做到接近5升,甚至少于5升。

另外,發動機在啟動和低負荷等少數工況下負荷特性差,油耗相應升高,這是其固有的不足。但現在我們有了新的手段,可以把發動機與較小的電池和電機結合起來,形成混合動力,彌補這個缺點,從而在整體上實現更低的油耗水平。

趙福全:混合動力方案可以讓發動機在更佳的工況范圍內長時間工作,而在其他如啟動和低負荷等高油耗的工況時,則使用電池和電機,從而達到節油的目的。

蘇萬華:是的,例如啟動或城市中堵車的時候,可以讓電池和電機工作來彌補發動機的不足,這只需要使用很小的電池即可實現。之所以強調小電池,是因為目前電池在能量密度和成本方面還存在瓶頸。

趙福全:國內量產汽車發動機的最高單點熱效率已經能做到40.5%,那么,下一步的挑戰就在于如何把最高單點熱效率在更寬的工況范圍內推廣,從而更大限度地提升發動機的綜合熱效率。如果是純內燃機驅動的汽車,在2025年百公里4升油耗的法規限制下,會不會遇到很大的挑戰?

蘇萬華:是的。因此,2020年以后混合動力發動機的應用比例一定會快速增加。混合動力技術可以很容易地改變發動機的動態特性和負荷特性,從而有利于節能減排。目前混動技術還沒有大量推廣,原因主要是成本有效性的問題,即改進發動機帶來的成本增量要小于應用復雜的混合動力技術帶來的成本增量,因為電池和電機的成本都很高,整個系統的維護保養成本也很高。

在2020年目標為百公里5升的第四階段油耗法規下,大部分車型通過發動機自身改進是可以滿足要求的。但在2020年之后,汽車油耗目標降到百公里4升甚至更低的時候,混合動力技術就會大行其道,也就是說,法規要求將倒逼技術進步和轉換。到那個時候,相信內燃機和混合動力技術都會有很大的提高,成本有效性也會大幅改善。電動技術與發動機技術的進步相互結合,將推動混合動力技術的快速發展。

趙福全:混合動力技術潛力巨大,但需要有效平衡技術進步和成本降低。如果成本沒有競爭力,就會出現很大的問題,畢竟消費者會用自己的錢來“投票”。比如新能源汽車補貼退坡之后,如果解決不了電池的高成本問題,消費者可能就會拒絕買單,從而影響新能源汽車市場走向。但反過來說,滿足日益嚴格的法規又是車企必須支出的成本,如果不能滿足法規要求,生產出來的汽車是無法銷售的,討論其他所有的問題就都沒有意義了。

因此我們先不考慮成本,僅從混合動力技術本身的角度來進行分析。您認為應該如何挖掘發動機的潛力以實現與電池、電機的有效組合?中混和重混技術能不能大幅提升發動機的效能?

蘇萬華:如前面所說,混合動力技術的發展要建立在內燃機和電動技術兩方面共同進步的基礎之上。隨著技術的進步,成本也會逐步降低,比如可以用節能效果近似的新技術方案來代替過去的技術方案,這樣就能節約成本。

目前混合動力發動機技術的發展有兩個途徑:一是小型強化內燃機加簡單的混合動力系統,可以較低成本達到較好的節能效果。二是全力以赴把內燃機本身做得極致,如采用長沖程、稀燃、均質壓燃等技術,使內燃機性能處于最佳狀態,一些日本車企更偏向這條路徑,比較典型的如馬自達推出的新款發動機。這些高效發動機也可以與電池、電機組合,從而作為混合動力發動機工作,這樣可能節油效果更佳。

趙福全:下面我們聊聊低碳化的話題,低碳與低油耗相關,但又不完全相同。一般來說,只要有碳基能源消耗,就會產生碳排放。因此,汽車行業一直有這樣一種聲音,就是覺得內燃機汽車并不一定高碳,因為可以持續提升效率;而純電動車也不一定低碳,因為盡管電動車在使用過程中比內燃機汽車更低碳,但是從整個生命周期的角度來評估,是否低碳還取決于電能的來源,而中國以煤電為主,電能來源本身并不低碳。您如何看待這個問題?我們是否應該從整個生命周期的角度來看待碳排放?當前的法規沒有從全生命周期角度來評價,是不是存在不足?

蘇萬華:現行法規確實沒有從全生命周期來考慮低碳化,我認為這是個大問題。新加坡對特斯拉車主進行了罰款,不是因為特斯拉的電動車在道路上行駛時產生了碳排放,而是因為電能是二次能源,在發電過程中會產生二氧化碳排放,特斯拉汽車消耗的電量對應于發電過程中的二氧化碳排放量,超出了新加坡的法規限值,所以認定特斯拉的電動車碳排放超標。我認為這種做法非常科學。

衡量一種能源或者動力轉化方式是否先進,無論名字是新能源還是舊能源,標準都應該包含全生命周期的二氧化碳排放量,應該以此作為重要指標之一來進行考量。就汽車的二氧化碳排放而言,正如美國阿貢實驗室于本世紀初提出來的那樣,不僅要看燃料全生命周期的二氧化碳排放,還要看包括整車、零部件在內的整個汽車的生產環節,這是一個從采礦、冶煉、運輸、制造,一直到報廢、回收的完整的生命周期。

例如動力電池技術,當前還存在很多問題。電池的生產制造、報廢處理等過程都產生有害物質,同時也都產生碳排放,法規應該將這部分排放也計算在內。這不是我個人的看法,英國工程院院士高騰·卡嘉迪(Gautam Kalghatgi)連續發表了多篇文章談到這個問題,他曾經說過,過分地使用電池會產生很多問題,其中非常重要的一點就是會造成全社會的金屬中毒,即金屬毒性問題。

趙福全:綜合來看,多維度的全生命周期評價涉及到的環保問題非常多,不僅僅是碳排放的問題。

蘇萬華:現在有一些研究結果表明,綜合對比汽車內燃機使用過程中的碳排放與電動車所耗電能在發電過程中的碳排放,兩者的數值其實差別不大。如果考察整個汽車從生產到使用的全過程,把所有的零部件直至材料都考慮在內,內燃機汽車在碳排放方面可能還要比電動汽車占優。

所以,我們應該建立全生命周期分析問題的觀念,這一點非常重要。有的人認為電動車是零排放,甚至相關法規也規定,插電式混合動力汽車在前50公里以純電模式行駛期間可以不計算能耗,這些其實都是不科學的。之前工程院曾就此問題寫過一個建議,提交給了相關法規的制定部門,后來被采納了,最后決定插電式混合動力汽車前50公里的純電驅動階段也要計算能耗。

趙福全:的確,電動汽車行駛過程中是要消耗電能的。無論是純電動汽車還是插電式混合動力汽車的純電驅動階段,雖然沒有油耗,但是一定有電耗,即能耗。

蘇萬華:還有人認為開電動車比燃油車便宜,這也并不客觀。雖然用戶感覺自己花費減少了,但現在電動車充電大多是用民用電,民用電的價格是國家補貼后的價格,這其中有國家補貼在里面,如果與燃油車的使用費用直接對比,兩者不在同一個層面上,很難得出正確的判斷。當然,比使用費用更重要的還是碳排放,這關乎全人類的生存環境。只有分析計算全生命周期的二氧化碳排放,才是科學合理的。

趙福全:作為工程院院士,站在國家戰略高度,您覺得這個問題應該怎樣解決?是不是應該把能源生產部分產生的碳排放也納入考核指標?

蘇萬華:我認為應該這樣考核,即把能源生產端產生的碳排放納入考核。從科學的角度,國家應該盡早對此進行研究和應用。同時,國家應該加強相關的科普宣傳,讓全民都了解和關注各類產品在全生命周期中產生的有害物排放。特別是二氧化碳排放,因為碳減排是我國的大戰略,涉及到能源結構調整和轉型等一系列重要問題,更應高度重視。

趙福全:如果從環境容量的角度來思考,這不只是中國的事情,而是全球、全人類共同的事情。那么,您覺得怎樣才能把這些理念導入到國家的立法中,實現從全生命周期評估出發,更公平地選擇適宜的技術路線?

蘇萬華:首先要進行科普宣傳,如果全民都有減少碳排放、保護人類生存條件的意識,相關部門和單位自然會日益重視這個問題。現在碳排放的科普宣傳做得很不夠,很多人下意識地認為新的就一定是好的。其實不管什么新事物,無論是新的能源轉化形式,還是新的能源消費形式,我們都應該從全生命周期的角度綜合考慮其對環境的影響。

趙福全:國家對能源戰略的選擇是一個大問題,關乎產業基礎,關乎民族可持續發展,更關乎國家未來的核心競爭力。新的往往不夠成熟,也不一定就是好的,當然將來可能會變成好的,所以既要立足眼前,也要展望未來,要從系統整體的角度進行全面思考。

現在據稱有很多國家都在考慮制定淘汰內燃機汽車的時間表,對此您怎么看?作為內燃機的研究者和從業者,您會因此感到焦慮嗎?

蘇萬華:內燃機行業的同仁們普遍對所謂“各國淘汰內燃機”的說法非常不理解,但是我們并沒有為此感到焦慮。因為內燃機的發展前景非常好,相關人才的工資待遇也很高,目前仍然處于人才短缺的狀態,像濰柴等很多企業都招聘不到足夠的內燃機博士和碩士畢業生。從行業內部來說,內燃機的形勢可謂一片大好。所以,有人提出停售內燃機汽車的時間表,大家聽到之后,都感覺不可思議。

趙福全:但在這種大環境下,年輕人選擇專業時就會受到影響,因為擔心未來的職業生涯。前幾天《中國汽車報》記者采訪了同濟大學的李理光教授,他就表示,這種情況會導致內燃機人才出現青黃不接,十年之后如果沒有足夠的人才,即使內燃機技術本身再有潛力,沒有人去研發也會導致技術出現停滯。您作為內燃機領域的院士,怎么看這個問題?

蘇萬華:我對此非常憂慮,這也是內燃機行業面臨的巨大挑戰。出現這個現象可以歸因于內燃機行業的外部生態不理想。那些唱衰內燃機的不和諧聲音,對青年學生的影響最大。現在內燃機學科,無論是本科招生,還是碩士招生,都受到非常大的影響。去年我們天津大學原本已經報名內燃機方向的碩士生中,后來有40%的學生都改了方向。因為學生們擔心,如果真的像輿論說的那樣,內燃機是一個行將退出歷史舞臺的專業,那他們未來該怎么辦,畢業之后還能不能找到工作?他們從趨利避害的角度選擇了更改自己的專業。

趙福全:蘇院士,現在已經出現這種狀況了,您認為這個問題應該如何解決呢?從社會、企業和大學的角度,怎樣才能讓優秀的人才愿意投身到內燃機行業中來?如果人才真的出現斷層,未來的發展就沒有了支撐。因為無論是產業還是技術,沒有了人才,一切都免談。

蘇萬華:趙院長這個欄目就是一個非常好的平臺。我想解決這個問題的根本還是要進行充分的科普宣傳,要讓青年人懂得什么是事物內在的發展規律,什么是事物之間的聯系。在風能發電、太陽能發電等可再生能源還不足以形成新的能源系統的時候,在中國火電占比仍在70%以上的時候,此時以發展新能源汽車為由唱衰內燃機是不科學的,我認為也是危險的。

趙福全:電動汽車應該發展,因為那代表著產業的未來,而且我們希望電動汽車全生命周期的碳排放能夠降到很低,但是這個目標短期內還達不到。同時我們也不能放棄內燃機行業,因為這是當下的生存之本。如果生存問題都解決不了,又靠什么來支撐到未來呢?更何況內燃機技術還有很大的潛力可挖。

蘇萬華:事物的發展最終還是取決于客觀條件。記得中央電視臺的財經評論員說過一句話,“電動汽車不一定是新能源最終的表現形式。”我認為這句話很科學。任何事物的發展如果不符合客觀規律,最后都會適得其反。實際上,今天并不是人類第一次討論發展電動汽車的問題,一百多年前,就已經有電動汽車了。

趙福全:不過今天電池和電機都有了大幅進步,這是否意味著我們更有理由相信電動汽車的時代正在到來?

蘇萬華:電池確實有很大的進步,但是目前最核心的技術指標還沒有完全突破,我指的主要是電池的能量密度指標。十年前,碳氫燃料的能量密度大約是電池的44倍。經過十年來所謂突飛猛進的發展,電池的單體能量密度從150Wh/kg增加到大約300Wh/kg,實際上目前國內大部分電池企業還做不到300Wh/kg的水平,這種進步相當于從1%變成2%,與碳氫燃料對比,電池的能量密度還是非常低的。

當然,我本人并不反對研究電池,也希望電池技術能夠有所突破,同時希望所有的蓄能、蓄熱技術都能有所突破,但是這絕非一兩年時間內就能夠實現的,其中涉及很多學科的技術攻關難題。同時,我認為電動汽車確實有其優點,現在大城市人口密度高,發展短程電動車對于解決大城市有害氣體排放的問題是非常合適的。

趙福全:電動汽車還有一個優勢,就是可以把“排放”轉移。發電過程中產生的排放可以在發電企業進行集中處理,而不像燃油車那樣直接排放在城市中,這樣可以部分緩解城市內的污染問題。

蘇萬華:是的,電動汽車可以把排放轉移到城市外面去。但是,電動汽車也有很多缺點現在還不能克服。例如電池既“怕冷”又“怕熱”,適合電動汽車工作的環境溫度是15-35度,在太冷或太熱的區域使用都會有問題。如果在哈爾濱用電動汽車,雖然它能夠降低排放,但是天氣一冷就用不了了,因為電池受溫度影響太大。

另外,電動車適合在有限的區域內行駛,比如作為大城市的物流車、出租車等效果都會不錯,有良好的應用前景。但是想去自駕游,續駛里程就成了大問題。十九大談到,要“不斷滿足人民日益增長的美好生活需要”。老百姓買車的目的是什么?如果只是為了上下班,特別是在大城市,完全可以用地鐵、公交再加上共享單車的出行方式。買車很大程度上是為了提升生活質量,每到節假日,祖國大地到處都是乘車出行旅游的人,這時候你還敢開電動車出去嗎?

趙福全:蘇院士,實際上我在和業界同仁交流的時候經常遇到這種狀況——發動機專家總是挑戰電動車的不足,電動車專家則反復強調發動機的局限性。其實這也很正常,因為我們現在正處于兩種事物的交錯期。發動機和純電動彼此之間既有競爭,更有合作,混合動力就是兩者合作的產物。無論是插電式混合動力,還是增程式電動車,也無論是輕混技術,還是中混、重混技術,都是發動機和電池、電機的有效組合。只有有效發揮兩者的優點,才能讓汽車動力總成的效率大幅提升。

隨著法規的不斷加嚴,到2030年,中國汽車油耗目標將邁向百公里3.2升,同時歐洲正在探討百公里62克二氧化碳排放的標準。這些目標對所有車企來說都是巨大的挑戰,其中既需要對動力總成進行改進,也需要輕量化、降風阻等技術。只有各個領域都做好自己的工作,才能實現汽車產業可持續發展的大目標。至于未來汽車動力的技術路線究竟會走向何方,我想市場最終會告訴我們答案。

蘇院士,下面請您談談內燃機技術的具體發展,從成本、技術潛力以及與電池、電機組合的角度出發,內燃機還有哪些工作要做?怎樣才能讓內燃機走得更遠?另外,您對未來內燃機技術的性價比有信心嗎?

蘇萬華:有些搞電動汽車的專家,包含很有名的專家,他們說內燃機是熱機,用來做汽車的驅動系統不合理。我認為這種說法很荒唐,內燃機作為熱機驅動汽車一百多年了,已經非常成熟。如果以碳排放來衡量,關鍵是看法規的合理性,應該從全生命周期來對比和評估燃油車和電動車。正是不全面、不科學的法規,人為地給內燃機的發展制造了障礙。

實際上,對于內燃機而言,我們努力發展的大方向之一也是減少排放。縱觀中外汽車排放法規,從三十年前發展到現在的國六和歐六,一直在不斷進步。這些法規都是在大量研究的基礎上制定的,有其合理性。歷史也已經證明,這些法規的要求,內燃機汽車都是能夠滿足的。只要法規不提出過分的、不合理的超前要求,我并不擔心內燃機技術的進步速度會跟不上,如果熱效率達到60%,再加上混合動力技術來調節工況,我認為完全可以滿足未來的法規要求。

至于說到成本問題,我們過去是非常擔心的。但是隨著法規不斷升級,我們發現事實上各種技術的進步都將帶來成本的提高,而成本問題最終還是要靠技術進步來解決,所以關鍵還是要做好自己的事情。現在我非常有信心,因為內燃機行業一直在不斷努力,內燃機人非常勤勞、也非常執著。

趙福全:汽油機的壓力更多來自油耗法規,而柴油機的壓力更多來自排放法規。國六排放法規實施后,柴油機的成本將大幅增加。您覺得將來汽油機會不會取代一部分柴油機?

蘇萬華:會的,取代也很正常。這十幾年來,汽油機的技術發展相對于柴油機要更快一些,很多新技術被大量應用,最典型的就是小型強化、缸內直噴等技術。原來企業不敢用三缸機,現在已經用得非常好了,并且性能有了很大的提高。

另外,汽油機的制造成本要比柴油機低得多,所以柴油機在輕型化、小型化方面的發展機會不大了。一方面汽油機熱效率可以達到45%,性能好且成本低;另一方面柴油資源相對更為緊缺。石油工業中柴油和汽油的生產比例有固定的區間,過去由于柴油機更節油,所以這些年來使用重質燃料的柴油機數量比較多,也導致了柴油資源非常緊張;目前的發展趨勢是中型商用車也會使用汽油機,因此汽油機的使用領域還會繼續擴大。

趙福全:柴油機現在技術水平如何?未來還有多大提升空間?柴油機的熱效率理論上最高能達到多少?目前發達國家作為成熟產品使用的柴油機熱效率是多少?

蘇萬華:按照我們的研究成果,未來應該有達到60%的潛力。最典型的就是美國實施的第二階段“超級卡車計劃”,其柴油機熱效率目標要達到55%。兩三年前就有報道稱,美國勞倫斯國家實驗室研究的柴油機最高熱效率為55%,但不確定是不是量產產品。綜合來看,目前發達國家量產柴油機的最高熱效率接近50%,實驗室中實現的熱效率在55%以上。

趙福全:其他種類的燃料,如氣體燃料和醇類燃料等,在未來內燃機汽車的發展過程中會起到什么樣的作用?最近,天然氣發動機在重卡上得到很好的應用,這既有政策原因,也有成本的原因。

蘇萬華:這正是內燃機的優勢所在,內燃機可以燃燒各種各樣的燃料。它就像是個“大肚子”,什么都可以吃,而且還不“鬧肚子”。這方面的研究已經實現了理論突破,我有一項973項目就是研究內燃機與燃料的互動,其中提出了一個理論,即通過對燃燒過程的邊界條件與燃料特性實現協同控制,內燃機可以燃燒任何燃料。

趙福全:如果為燃燒系統專門開發一種燃料,是否會讓發動機的動力性和經濟性大幅改進呢?這也是對發動機節能潛力的挖掘。

蘇萬華:在燃料方面,我們更著眼于全生命周期的二氧化碳減排問題。我們在研究一種低處理、低成本、低硫、低碳的石腦油燃料,這種燃料本來是生產汽油的原料,現在正在嘗試直接在內燃機上使用。內燃機直接使用這種燃料是重大的技術創新,因為可以減少煉油工序,所以稱為“低處理”,這項技術對于二氧化碳減排和節能都有巨大的意義。

而且這項技術并不是出于汽車油耗或者排放法規的壓力,而是為了解決石油煉制過程中的能耗和碳排放問題,屬于典型的跨領域技術創新,體現出內燃機科技工作者的主動精神。內燃機領域雖然基本原理沒有變化,但是研究的維度越來越多,最終都會聚焦于人類降低二氧化碳排放和減少能源消耗的根本目標上。

趙福全:內燃機領域的科技人員始終在不斷耕耘,持續挖掘這項具有一百多年歷史的傳統技術的潛力。表面上看,內燃機技術的原理沒有變化,但細節上已經發生了翻天覆地的變化。內燃機在不斷進步,也在不斷受到挑戰,但一直沒有被取代,這正是它的生命力所在。將來人工智能等新技術應用在內燃機控制上,還會有新的發展空間。

蘇萬華:確實有人說,內燃機研究了這么多年還是離不開活塞、連桿,但其實內涵已經完全不同了。就像計算機一樣,發展了這么多年還是一個屏幕加一個機箱,但是運算速度已經從原來每秒幾千、幾萬次提升到上兆次,現在更是實現了并行計算,這其中的內涵早就已經改變了。現在的內燃機不要說和一百年前相比,就是和十幾年前相比,也已經有了本質的提升。

內燃機的先進性還表現在,在各種機械中內燃機是最早使用智能控制的。從上世紀60年代開始內燃機就搭載了電控技術,后來發展為智能控制技術。內燃機的智能控制和其他領域的智能控制截然不同,需要對內燃機燃燒過程有深刻的理解才能實施有效控制。我曾經講過,阿爾法狗下圍棋戰勝了柯潔,但要讓它來控制內燃機,那它絕對是個門外漢。

趙福全:也就是說,要對內燃機有非常透徹的了解,然后才有可能通過控制優化實現更大限度的節能減排。總的來看,內燃機還有很大的發展空間,當然也面臨很大的挑戰。未來法規的要求將越來越嚴,但其實法規不只使內燃機面臨挑戰,也使電動車面臨挑戰,今后對電池能量密度和成本的要求將越來越高。所以,兩個領域都需要不斷進步。

就內燃機而言,展望未來三十年,您覺得內燃機發展的技術路線圖將是怎樣的?未來的內燃機,將會更簡單還是更復雜?更昂貴還是更便宜?

蘇萬華:我認為2020年以后,混合動力技術會有很大發展。混合動力技術不是一成不變的,內燃機部分在不斷進步,電氣部分也在不斷進步。面向將來日趨嚴苛的油耗法規,混合動力技術一定會大量應用。同時,隨著材料、摩擦潤滑等技術的進步,加上新的結構設計,到2030年左右,使內燃機熱效率達到60%的技術就會被提上日程,而且這個目標完全有可能實現。

至于說到成本,我想內燃機的價格肯定是波動的,在新的技術剛剛應用后,價格會有一定的提高,但是很快價格就會降下去。這種價格下降既是因為市場增長的規模效應,也是因為技術本身的進步與成熟,比如新技術會使工藝更簡單。舉個例子,國內大型車用重型柴油機,不僅比前幾年便宜,性能還要好得多。一套高壓共軌系統加上電控系統,十年前售價大約為4000多元,現在單獨購買僅需幾百元,如果購買燃油系統則會附送共軌和電控系統,幾乎相當于免費了。總之,價格隨著技術發展會有波動,但總體來說是會下降的。

趙福全:內燃機從業者覺得自己很努力,產業也很有前景,對唱衰內燃機的聲音非常不理解。實際上,出現這種情況也是因為汽車產業太復雜了,非內燃機領域的專家肯定也要參與政策的制定,而他們看問題的角度和關注點完全不同。我想內燃機行業自己也要不斷發聲,要讓大家充分認識到內燃機現有的顯著進步、未來的巨大潛力和發展空間。借今天這個機會,作為內燃機領域的院士,您對其他專業領域以及政府主管部門有哪些建言?

蘇萬華:內燃機是我國最重要的基礎制造業之一,是國家的支柱產業。目前內燃機動力系統承擔著全國公路貨運量的77%、客運量的80%~90%;承擔著幾乎全部的基礎建設和工程建設;此外,還承擔著農業機械、國防、海洋運輸和內河運輸等任務。這么重要的大產業切不可出現誤判,盲目提出限制內燃機產業發展,是不現實的。

去年有位負責科技發展的領導到天津大學調研,校領導讓我們介紹科研成果。我介紹說,2014年我們研發的內燃機新技術已經通過了歐六排放法規認證。他說,怎么可能通得過呢?而且后面法規還會加嚴,即使現在通過了,后面也得更改技術路線。這反映出他從內心里認為內燃機不可能完成任務。我覺得,這是他的誤判。

為什么最開始提出“彎道超車”,后來改為“變道超車”?就是想把內燃機舍棄掉,變成電動車或者其他類型的汽車。提出舍棄內燃機將是根本上的誤判,一些領導不了解內燃機技術,更沒有充分認識到內燃機產業的重要性。

趙福全:蘇院士想對政策制定者說的是:內燃機產業對國民經濟的支撐作用超乎想象,也許最終可能有一天,它會一點一點淡出歷史舞臺,但那將是一個非常漫長的過程,肯定不是在不遠的將來,更不是現在。當前還需要我們努力把這個產業做扎實,還需要繼續進行投入。因此相關政策法規要切合實際,更要與技術進步和社會需求保持一致。

蘇萬華:內燃機將來完全有可能被一種新的動力替代,比如目前美國麻省理工學院等都在研究可控核聚變技術,該技術將來真正走向成熟,且蓄能、蓄熱裝置也非常健全時,新的能源形式確實有可能徹底取代內燃機。但是這需要一個漫長的過程,而且超過三十年之后的事情,現在是無法準確預測的。

目前,國內內燃機整體發展形勢良好,剛剛提到,今年的十佳發動機中有6款是自主品牌產品。我們正向國際先進水平靠近,而且已經打造出一批世界一流的產品。現在不應該是泄氣的時候,而應該是鼓勁的時候,我們不能讓中國內燃機產業留下歷史遺憾。

趙福全:請您再給企業家們提一些建議。很多車企現在都是“兩手抓”,左手做內燃機,支撐眼前的生存;右手做電動車,儲備未來的發展。實際上企業家也挺糾結的,面臨對未來判斷不準確導致決策失誤的風險,并且需要同時兼顧生存與發展。

蘇萬華:企業家是最聰明的,恐怕不需要我來提建議。企業的主要任務就是生存,據我看到的情況,大多數國內外車企的工作重心仍然是放在內燃機上的,因為內燃機是市場的需求,是生存的根本。企業是不能依靠政府的新能源汽車補貼生存的,企業家們對這個問題有非常清醒的認識。當然,國家現在執行雙積分政策,每家車企都必須有一定的新能源汽車積分,這是企業必須要應對的問題。同時,智能汽車和無人駕駛技術也要研究,實際上很多人認為智能汽車是三五年之后的產品,很快就會發展起來。

趙福全:企業要先生存、后發展,在生存中求發展,在發展中求生存,兩者缺一不可。而應該優先考慮的是,主戰場或者說主要銷量部分到底何去何從。

蘇院士,盡管您對內燃機產業充滿信心,但是仍有不少年輕學子對產業的前景心存顧慮。而這些年輕人是內燃機產業的未來,沒有現在內燃機專業的學生,就沒有將來內燃機產業的人才。在此您對廣大學子們有什么期待?怎樣才能確保內燃機專業不會出現人才斷層呢?

蘇萬華:正如李理光教授所說,如果出現內燃機人才的斷層,后果是非常嚴重的。怎樣才能保證人才不斷層,我想這是社會責任的問題。全社會都應加強科普教育,把道理如實地告訴年輕人。要講清楚評價不同能源形式的科學標準,即應該是在全生命周期內評估二氧化碳和有害物質的排放量。內燃機和其他動力機器相比,是“有生命的機器”,因為它可以呼吸空氣,可以吃進燃料,可以自我消化,通過燃燒生成能量、不斷循環。同時,內燃機也是最復雜的機器,包含工程科學領域的幾乎所有學科。

學習內燃機使人聰敏。中科院的吳承康院士就是實例,他1955年從麻省理工學院讀完博士后回國,主要做鍋爐燃燒、火箭等離子等研究,在內燃機領域的成果也很杰出。他說,學內燃機專業的人可以做各種事,因為對內燃機專業的學習,將使人的知識變得更加豐富和全面,思維更加綜合和系統。

此外,內燃機在原理上極富哲學性,充滿了對立統一和平衡制約。比如燃燒過程控制就是在尋找對立和統一的平衡點,不同因素互相約束,唯有整體控制才能解決問題。

趙福全:對內燃機專業的學習不僅是產業的需要,對人自身來說也是很好的基本訓練,讓人更聰明,學會系統思考問題,學會運用哲學思維。

蘇萬華:這不是我隨便說的,你看所有的內燃機教授、工程師和研究生,特別是研究燃燒過程的學者,他們都覺得其樂無窮,因為在其中可以發現很多樂趣,他們的工作不是迫于壓力和挑戰,而是基于追求和興趣,是為了探索新規律和尋找新辦法而努力。

趙福全:蘇院士一生致力于內燃機領域的科研和教育工作,作為中國工程院的院士,不斷為產業發展貢獻著知識和力量。通過今天的交流,我們知道,內燃機是一項身經百戰的技術,走到今天經歷了無數挑戰,始終都能不斷完善和持續進步。未來,內燃機還有巨大的潛力可挖,無論是在提升自身熱效率方面,還是在借助其他技術實現共同進步方面。

從全生命周期的角度來看,內燃機在低碳方面其實并不一定處于劣勢,當然在車輛使用階段,內燃機確實有油耗和排放。最終要解決人類的低碳發展問題,必須從全生命周期出發進行全方位思考,充分挖掘內燃機的巨大潛力。

內燃機經過一百多年的發展,已經相當成熟。雖然目前電動車的快速進步給內燃機帶來了挑戰,但通過和蘇院士的交流,我們了解到,一方面現在內燃機已經不是過去的內燃機,早已脫胎換骨、老樹開新花了。另一方面,內燃機優化與電動化路線在本質上并不矛盾,而是互為補充。內燃機完全可以接納電動技術的進步來實現自我提升,即內燃機和電池、電機組合,構成不同形式和程度的混合動力技術。內燃機借助電池、電機的發展,也可以把自己的優點發揮得更加極致。

如果說電動車是未來,那么內燃機就是當下,企業既要在生存中求發展,也要在發展中求生存。內燃機是影響巨大的產業,在國民經濟中有著舉足輕重的地位,其重要性超乎我們的想象。國家應該從系統和全方位的戰略高度來看待內燃機產業的機遇與挑戰;企業家要用自己的聰明才智做出正確的選擇,做好眼前,同時儲備未來;年輕的學生們應該看到,內燃機還有很大的發展空間,很多的就業機會,并且學習內燃機可以讓自己的頭腦更聰明,更懂得以哲學的辯證思維來看待各種技術進步與發展的關系。

今天我也是第一次聽到蘇院士講,內燃機是有生命的,既能呼吸,又能消化。并且這個生命體一直在不斷地自我進化,不斷提升自己,解決了一個又一個技術難題,始終保持著旺盛的生命力。

謝謝蘇院士的精彩分享,也希望大家聽了今天的對話,能夠更客觀地看待內燃機產業面臨的挑戰與機遇。大家一起努力,不斷挖掘內燃機的潛力,讓我們的生活變得更美好。


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