中国战略性新兴产业研究与发展·内燃机
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1.3 内燃机在节能减排中的作用

内燃机在国民经济和国防建设中是不可或缺和不可替代的。同时内燃机在使用中消耗掉了大量的能源,排放了大量的温室气体和有害物质,内燃机的能源消耗与污染物排放是正相关的。内燃机的技术进步关系到我国的能源战略的顺利实施和大气环境治理的质量。

我国的汽车保有量与发达国家的人均数值相比还有很大差距,必将进一步增加,所带来的能源消耗也相当可观。因此,作为高新技术载体的内燃机动力在节能减排方面还有很大的潜力,必将为我国的节能减排战略实现做出巨大贡献。

1.3.1 我国的节能减排战略

1.能源

近年来,我国经济持续快速发展,对石油资源的需求不断增长,能源供需矛盾日益突出,对进口石油的依赖度不断提高。同时,我国汽车工业发展迅速,产销总量持续增长,对石油的需求量也随之增加。2014年我国石油表观消费量超过5.0亿t,进口依存度接近60%。目前,汽车用汽柴油消费占全国汽柴油消费的比例已经达到55%左右,每年新增石油消费量的70%以上被新增汽车所消耗。预计在未来一段时期,我国汽车保有量仍将持续增长,由此带来的能源紧张问题将更加突出。

能源是人类社会赖以生存和发展的必备条件,人类社会的发展特别是经济发展与能源的消耗是成正相关的。图1-4给出了2013年和近十年的GDP增长与能源消耗之间的对应关系。由图可见,较高的GDP增长,对应着较大的能源消耗,无论是当年的数据还是十年平均数据都说明了这一点。

图1-4 2013年和近十年GDP增长与能源消耗的对应关系

有史以来,人类一直在使用着不同形式的能源,能源的消耗不断增加。特别是工业化以后,能源的消耗更是井喷式的增长。纵观人类的能源消耗,绝大部分来自于太阳能。其中煤炭、石油、天然气和木材(目前木材已经不能归于能源了,而在过去木材也曾被用于燃烧产生热能)等来自于亿万年来地球上所存储的太阳能。那些非太阳能的能量来源,诸如:地热能、潮汐能、核能等,迄今为止被人类极有限地利用着。而水能和风能则来自于太阳实时作用所产生的能量,至于利用太阳能光伏发电则是最为直接利用太阳能的例子。另一方面,世界上所有生物的生长发育所需要的能量也来自于太阳能,其中为人类本身提供能量的所有食物均来自于太阳能。人类所利用的能源结构也在不断地发生变化。图1-5和图1-6所示为人类利用能源的变化趋势及当前世界和我国的能源结构。迄今为止,人类所利用的能源主要来自于亿万年来所储存的从太阳能转化而来的化石能源。

图1-5 世界能源结构变化趋势

图1-6 世界和中国的能源结构状况

2.环境

地球表面及其大气空间是人类生存的环境。地球经过亿万年的演化达到一个相对自然平衡的物理化学条件,进而形成了有利于生物繁衍进化的自然环境。自从有了人类文明以后,人类对自然环境的影响已经打破了原有的自然平衡状态。随着矿产的开采、农药和化肥的不当使用、化石燃料的消耗等等,生态平衡遭到破坏。

环境污染对人类的生产和生活带来了严重的危害。20世纪在全球发生了诸多有代表性的环境污染事件。这其中包括:比利时马斯河谷烟雾事件(1930年)、美国多诺拉延误时间(1948年)、伦敦烟雾事件(1952年)、洛杉矶光化学烟雾事件(20世纪50年代)、日本水俣病事件(20世纪50年代)、日本富士山骨痛病事件(20世纪50—60年代)、日本四日市哮喘病事件(20世纪60年代)、日本米糠油事件(20世纪60年代)、印度博帕尔事件(20世纪80年代)、北美死湖酸雨事件(20世纪70年代)、莱茵河污染事件。其中英国伦敦烟雾事件中,仅仅4天时间有4000多人丧生,在随后的两个月里又有8000多人罹难。在美国洛杉矶光化学烟雾事件中,洛杉矶光化学烟雾事件导致松林枯死、柑橘减产、老年人呼吸系统损害甚至死亡。仅1951年到1952年两年时间内,空气污染给美国经济带来大约15亿美元的损失。研究表明,洛杉矶光化学烟雾的成因主要是汽车尾气排放。

近年来,我国由于工业排放和汽车尾气排放所导致的环境污染问题日趋严重,最为突出和直观的就是雾霾。据有关部门的研究分析,京津冀地区的雾霾中有30%以上来自机动车尾气排放。在机动车排放的尾气中,柴油车的NOX排放占整个机动车的65%以上,微细颗粒物PM占90%以上。内燃机作为机动车的主要动力,因此,加大内燃机的排气污染治理力度刻不容缓。

3.能源和环境是世界各国关心的重要问题

为了实现经济持续增长以及尽快解决包括能源与环境在内的各种社会发展问题,世界主要国家或地区都制定和发布了面向未来的科技与产业创新战略。例如,美国制定并发布了《美国创新战略:努力实现可持续增长和高质量就业》和《美国创新战略:保障经济增长和繁荣》,日本制定了《2025 创新战略》和《新增长战略》,英国提出了《英国研究愿景》,德国制定了《2020德国高科技战略》,法国制定了《国家研究与创新战略》,俄罗斯制定了《创新2020:至2020年俄罗斯联邦创新发展战略》,印度发布了《使印度成为全球科学领袖》报告,欧盟发布了《欧洲2020:智能、可持续与包容性增长战略》。在这些战略规划中,都涵盖了能源与环境问题,并将“绿色增长与可持续发展”作为重要战略目标。

4.节能减排在中国

我国政府十分重视节能减排,制定了一系列方针政策。“十二五”规划纲要中明确指出:坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点。深入贯彻节约资源和保护环境基本国策,节约能源,降低温室气体排放强度,发展循环经济,推广低碳技术,积极应对全球气候变化,促进经济社会发展与人口资源环境相协调,走可持续发展之路。国务院办公厅于2013年2月6日发布了《国务院办公厅关于加强内燃机工业节能减排的意见》(国办发〔2013〕12号)。作为负责任的大国,中国政府向全世界承诺2030年左右CO2排放达到峰值且将努力早日达峰,并计划到2030年非化石能源占一次能源消费比重提高到20%左右。

在《中国制造2025》行动纲领中也强调重点行业单位工业增加值能耗、物耗及污染物排放要明显下降,控制和削减化石能源消费量。在节能与新能源车方面继续支持高效内燃机等核心技术的工程化和产业化能力,形成从关键零部件到整车的完整工业体系和创新体系,推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。

从节能和控制温室气体排放的角度出发,战略上分三步走:第一步围绕全面建成小康社会,大幅降低碳排放强度;第二步是围绕大力推动生态文明建设,要从碳排放强度转向碳排放总量控制,在控制温室气体排放方面迈出实质性的一步;第三步是在控制碳排放总量、大幅度降低碳排放强度的基础上,要尽快实现碳排放峰值的到来。

为降低汽车排放污染物,我国制定了不同阶段的排放法规。目前,北京、上海等地执行的是第五阶段排放法规,全国将在2018年开始执行国Ⅴ排放法规。我国正在加紧进行汽车尾气污染物排放国Ⅵ标准的制定。从目前城市降低排放的现状来看,有可能北京、上海、珠三角和长三角等部分地区率先执行国Ⅵ排放法规,排放标准的严格实施,对降低内燃机排放提出更高的要求。

1.3.2 内燃机的能源消耗与污染物排放

国务院办公厅在2013年发布的《关于加强内燃机工业节能减排的意见》中明确指出,内燃机是交通运输、工程机械、农业机械、渔业船舶、国防装备的主导动力设备,内燃机工业是重要的基础产业。

内燃机是迄今为止移动机械中最主要的动力源。虽然电动车已经批量生产并将在国家政策鼓励下进一步发展,但是,按照国发〔2012〕22号文件《国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)的通知》中所描述规划的,纯电动汽车和插电式混合动力汽车的累计产销量到2015年力争达到50万辆,到2020年超过500万辆。截至2014年11月,国家四部委正式成立联合调查组,深入39个新能源汽车试点城市进行调研,按照计划,2013年至2015年39个推广应用城市将累计推广新能源汽车33.6万辆,但截至2014年9月,完成的推广量仅为目标量的11.49%。2014年电动汽车的销量增长5倍,由此可见,在汽车工业中新能源汽车已经进入增长期。但是,由于其基数太小,在今后相当长的时期内内燃机还是在汽车工业中占主导地位。

根据中国能源研究会发布的《中国能源发展报告2014》提供的数据,在能源生产与消费方面,2013年我国能源消费总量达37.5亿t标准煤,同比增长3.7%,其中,原油消费量4.83亿t,同比增长3.4%。而4.83亿t原油的60%以上被内燃机消耗掉了。按照原油折合标准煤的比例为1∶1.43计算,内燃机消耗的原油相当于4.14亿t标准煤,占我国全年能耗总量的11%以上。目前我国的能源消耗多用标准煤来统计,一般认为标准煤的CO2排放因子为2.7,即每吨标准煤完全燃烧后会产生2.7tCO2。汽油和柴油的CO2排放因子3.2左右。由此,根据《中国能源发展报告2014》提供的数据得到,2014年由内燃机排放的CO2至少占我国CO2总排放量的14.6%。

内燃机在国民经济和国防建设中是不可或缺和不可替代的。同时内燃机在使用中消耗掉了大量的能源,排放了大量的温室气体和有害物质。内燃机的技术进步关系到我国的能源战略的顺利实施和大气环境治理的质量。

1.3.3 高效内燃机将为节能减排作出重要贡献

目前我国的内燃机技术水平特别是能耗指标与世界先进水平相比还有较大差距,内燃机节能潜力巨大。

为应对全球性的资源短缺和气候变暖,巩固和提高汽车工业未来国际竞争力,欧美日等汽车工业发达国家都在采取积极措施,推动和促进汽车节能技术发展、提高汽车燃料经济性水平,相继完成新一轮针对2020年甚至更长远的各年度乘用车燃料消耗量标准法规制定,对乘用车燃料消耗量及对应的CO2排放提出更加严格的要求。

2010年3月美国汽车研究理事会(USCAR)组织召开了有美国和欧洲29个权威学术机构参加的学术会议,对关于提高内燃机热效率的研究达成了共识:“活塞式内燃机最高有效热效率,不考虑摩擦损失可以达到60%”(当前是40%或略高);“经过根本性改造,内燃机最高热效率可望超过60%,但小于85%”。在实际应用中,2009年美国能源部(Department of Energy,DOE)宣布,将在2010—2015年投资2.7亿美元开展“超级卡车”计划,目标降低燃油消耗50%。美国能源部要求2020年重型柴油机热效率由当前的约42%提高到55%,乘用车汽油机由28%提高到45%,2025年美国轻型汽车的平均燃料经济性要达到4.3L/100km。2009年欧盟颁布了强制性汽车CO2排放法规,要求2015年轿车的CO2平均排放低于130g/km,2020年低于95g/km;2014—2017年轻型商用车的CO2排放比2007年降低14%,2020年进一步减少28%,达到147g/km。2009年英国汽车委员会提出的长期目标是汽车发动机能源利用率达到70%。2011年8月,日本提出2020年乘用车燃油消耗降低24%,平均燃料经济性水平达到4.9L/100km。

尽管各国乘用车保有结构和技术特征存在一定差别,对乘用车节能指标的要求也不同,但从整体来看,各国都在通过技术标准和法规不断加严乘用车燃料消耗量要求,整体趋势是到2020年乘用车平均燃料消耗量达到5 L/100km左右。

我国从2012年开始执行第三阶段油耗法规,按该法规2015年我国乘用车产品平均CO2排放降至161g/km,仅相当于欧盟2006年水平,与欧盟同时期相比油耗高出23.8%。到2020年我国第四阶段燃料消耗量的CO2 排放限值预计将降至117g/km,仍比欧盟标准高23.2%。通过我国和世界主要国家或地区燃料消耗量标准对比(表1-4),可以发现,我国与世界先进水平相比在内燃机燃油消耗率方面还有很大的差距。同时也说明节能的潜力还很大。如果按照图1-7所示的发展趋势,假定我国的乘用车燃油消耗量能够达到美国标准和欧盟标准的中间值,即4L/100km,则燃料消耗量将比2015年的标准降低20%。

表1-4 主要国家或地区燃料消耗量标准目标对比

图1-7 主要国家或地区燃料消耗量状态及标准对比

注:考虑试验方法特别是工况差异并转换我国试验方法对应数据。