汽油混合动力是我国汽油机发展的必由之路

天使的眼泪

汽油混合动力是我国汽油机发展的必由之路

刘大华
（哈尔滨航空集团原哈尔滨东安发动机（集团）有限公司）

【摘要】本文提出了我国轿车动力的发展应按石油资源的供应情况分50年和远期两个阶段。在石油资源存在阶段，纯电动汽车和燃料电池汽车将无法在使用成本、节油和环保方面与混合动力技术竞争，因此它们很难被市场接受和实现产业化。只有在石油资源枯竭的远期，当石油燃料成本超过氢燃料后，燃料电池汽车才有机会实现产业化。
文章还提出我国轿车动力应当向汽油混合动力方向发展，这项技术在节油和环保两个方面已经被市场证明是一项与柴油机一样好的技术，非常适合以汽油机为主的中国，发展汽油混合动力轿车有利于国家能源安全。
截止2003年，在短短7年里，汽油混合动力技术在世界上取得了长足发展，不仅批量生产了，而且销售量连年增长。而我国还在引进柴油轿车技术和发展汽油混合动力轿车之间犹豫，影响了我国汽油混合动力技术发展。

关键词：纯电动汽车  燃料电池汽车  汽油混合动力技术  汽油混合动力轿车 柴油轿车  氢燃料效率  燃料电池效率 燃料电池汽车效率 石化燃料效率 总效率

引言
我国863计划电动汽车重大专项指出，电动汽车应包括：混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。专项还要求电动汽车研发应遵循三个原则，一是以产业化为目标；二是以企业为主体；三是以体制创新为保证。其中对纯电动汽车不光要突破关键技术，还要初步实现产业化。
由此看来，我国纯电动汽车和燃料电池汽车似乎很快会进入产业化阶段。然而，目前研发出的纯电动汽车和燃料电池汽车在使用费用、燃料（电网里的电和氢气）成本、总效率和对环境污染方面表现的并不好，产业化工作还要经历漫长的过程。而依赖石油资源的混合动力汽车，特别是汽油混合动力汽车在日本和美国得到了长足发展，不仅实现了产业化，而且销售量连年增长，成为世界汽车技术发展史上的亮点。然而在中国，认为混合动力技术是一项过渡性技术而推崇柴油机轿车的观点影响了我国汽油机向混合动力方面发展，另外，外国对混合动力技术的封锁和863计划在电动汽车研发资金分散使用，使得我国混合动力汽车产业化进展缓慢，提供不出产业化需要的集成化的“驱动能量电子协调控制系统”平台和相应的执行元器件如电机、逆变器等高效率电气部件。
我们知道，全球石油资源还能支持50年（也有人说45年），因此，离不开石油资源的混合动力技术的寿命也应当是50年。我的看法是应按石油资源消耗情况，将我国的汽车动力的研发和产业化分50年内和远期两个阶段。在今后的50年里，由于混合动力汽车具有优越的节油和环保性能，必将替代现有的内燃机汽车。远期看，石油资源进入枯竭期后会促使石油燃料价格暴涨并超过氢燃料，到那时，燃料电池汽车才能实现真正意义的产业化。
1,纯电动轿车的产业化前景
1.1.从纯电动轿车对环境污染看：
纯电动轿车本身的污染虽然是零，但它用的电还是离不开碳氢燃料。我国80%的电都来自烧煤的热电站，发电过程不断向大气排放二氧化碳和硫的氧化物，对环境造成了严重污染。由于电动汽车总效率比内燃机汽车低，在电动汽车充电时，电站排出的污染物会比普通汽车多。另外，纯电动汽车特有的废电池污染也是一个没有解决的难题。
显然，按燃料生产、输送、发电、汽车制造、使用等全过程考虑，纯电动轿车对环境污染总量不仅没减少反而增加了。
1.2.从纯电动轿车的总效率看：
我们知道，计算电网上的电转变成电动汽车动力的总效率，需要将电厂发电的热效率、向各用户输送电能的效率、电瓶充电的效率、电瓶充电—放电循环的效率以及电动机和控制器的效率连乘起来。假设每个过程的效率都取最高值，电动汽车总效率为：0.4×0.95×0.95×0.85×0.75= 23%。如果按每个过程的平均效率计算，总效率就会降到12%。所以，电动汽车的总效率在23～12%范围变动，它比混合动力和柴油车低很多，甚至不如普通轿车。
由此可见，纯电动轿车比普通轿车更浪费能源。
1.3.从纯电动轿车的使用维修费用看：
纯电动汽车总效率低是它的致命弱点，由此导致的二次污染、能源消耗和日常使用维修费用都高于普通轿车。现在国外试用、试销的几种纯电动轿车皆因平时的使用、维护费用高，新车无人订货，都停止了实验和生产。
2.燃料电池汽车的产业化前景
2.1. 氢燃料效率、燃料电池效率和燃料电池汽车效率：
目前国外试用的几辆燃料电池汽车所使用的氢大多用汽油、天然气分解和电解水的方法置备。我们知道，制造燃料必须消耗能量，而氢燃料效率是58%，它的远景期望值也只有70%，与现在使用的石化燃料效率88%相比有很大的差距。这就是说，为了制造氢燃料需要消耗的能量远比石化燃料高，即使今后氢燃料的效率达到期望值70%，与石化燃料效率相比也还会有18%的差距，十分不利于降低燃料电池汽车的使用成本。
燃料电池效率高达40～50%，因此，作为发电装置，它的市场前景很好。而燃料汽车效率还要扣除电能转化为车轮扭矩后的损失，这样，燃料汽车效率就剩25～40%。国内某大学测试出的燃料电池汽车效率还不到30%，仅仅达到混合动力或柴油轿车的水平。因此，目前水平的燃料电池汽车没有节能优势。
2.2.燃料电池汽车对地球环境的影响：
燃料电池汽车对地球环境的污染刚刚被认识，它绝不象宣传的那样是 “零污染”汽车。
例如：氢燃料在保管、运输中，不可避免会有10～20%的氢泄漏到大气里，这会引起同温层里水蒸气含量增加，导致南极上空的臭氧空洞扩大。泄漏出的氢气还存在爆炸和燃烧的隐患，因此氢燃料的安全性远比石油燃料低。
我们知道，使用石化燃料来制造氢气，消耗的能量比石油燃料多。若用热电站的电来置备氢气，也同样有二氧化碳排入大气。因此，在大量热电站存在的今天，并不存在燃料电池发电“零污染”的事实。
2.3.燃料电池汽车的先天不足：
燃料电池功率密度小，受轿车空间的限制，电池体积不能做的很大，影响它在汽车上的应用。因此，为了解决汽车需要的峰值功率，还得配上蓄电池或其他蓄能装置。氢燃料单位体积热值低于石油燃料，所以燃料电池汽车的续驶里程也低于普通汽车。燃料电池工作离不开纯水，因此冬季启动和在严寒环境中存放也有问题，尤其是发电堆温度不能超过80℃，否则就会引起电池堆损坏。
另外，燃料电池的制造还需要大量贵金属材料，按照每产生50千瓦驱动功率需要100克贵金属计算，全世界3000万辆轿车就需要3000吨贵金属。而全球探明的储量仅有4500吨，只够一年半的消耗。在大批量生产阶段，虽能贵金属消耗量能降到25克，但是，全球贵金属储量也只够6年的需要。
美国麻省理工学院的一份报告说“虽然燃料电池汽车不会在行驶过程中产生废气，但限于目前的科技水平，燃料电池汽车在氢燃料制备上所消耗的能量，要比混合动力汽车耗费更大，具有更可观的资源浪费与污染。…...”。
退一万步说，当地球上的石油资源耗竭后，大家公认的替代燃料是氢气。那么，用氢燃料发电为什么非得通过燃料电池呢？
我们知道燃料电池将化学能转直接变为电能的效率是40～50%，那么燃烧氢燃料的热机效率能否达到40～50%呢？能！回答是肯定的！具有这样高效率的热机很多：例如斯特林循环的外燃式发动机，这种发动机保留了活塞、曲轴、连杆、缸体和缸盖等经典部件，它们的成本和可靠性将比燃料电池更有竞争力。德国宝马公司还采用 “氢气＋内燃机（氢气内燃装置）”方案。甚至还有人预计：2010年世界上将有4万辆汽车采用氢气内燃装置。
3，汽油混合动力轿车和柴油轿车动力技术
3.1,我国轿车应当提倡使用汽油，柴油应在更重要的领域里使用
我们知道，柴油在国防、交通运输、农业领域是不可替代的燃料。从国家能源安全考虑，我国轿车应当提倡使用汽油。但是，汽油机的热效率和排放性能很差，不能满足未来轿车在节能和环保两个方面的要求。解决办法归结起来有：以欧洲为代表的柴油机技术和以日本、美国为代表的混合动力技术。
欧洲自1886年奔茨发明了世界第一辆内燃机汽车起，1892年狄塞尔取得了压缩点火专利权，1905年发明了柴油机, 算起来，它们搞柴油机也有100年了。由于欧洲人在发展柴油技术方面的投资非常大，他们推崇柴油机作为今后轿车的动力就不足为奇了。
在欧洲，柴油轿车从出现到现在少说也有30年历史，目前只有30～40 %的轿车使用柴油。如果轿车真的全部改用柴油，柴油的价格就会猛涨。对车主了说，油是省了，但花的油钱并不会比汽油少。
美国柴油车占汽车的比例是0.28%，日本也很少，我国更是微乎其微，这说明柴油轿车除欧洲外，并不为其他国家认同。
我们知道，生产柴油必然伴生出汽油，从国家能源政策考虑，应当安排相应车种消费这些汽油。如果将轿车和微型汽车都改烧柴油就会造成柴油短缺和涨价。所以说，在中国，抛弃现有的汽油机，花巨资从欧洲引进轿车柴油机技术，客观上行不通。
3.2,发展柴油轿车技术不一定就是提高燃油效率和降低排放的最好办法
我国轿车和微型汽车几乎100%使用汽油，它们消耗了我国生产的全部汽油，为我国能源安全作出了贡献。因此，在汽油机技术的基础上考虑我国的轿车动力的发展才是切实可行的路子。
我们应当辩证的看待欧洲对柴油机技术的说法，即： “发展先进柴油机技术才是提高燃油效率改善排放的最好办法…。”，让我们来听听德国大众的一位董事会成员对混合动力技术的意见，他说：“我们只会被迫发展混合动力汽车，如果是那样的话，我们也会选择发展柴油混合动力车。”可见这位董事感受到了混合动力技术的压力，他反对混合动力技术显得不那么坚决。
丰田的混合动力汽车项目的总经理Katsuhiko Hirose 说：“如果柴油车装备上全部后处理装置（达到和混合动力轿车一样的排放水平），它就会和混合动力车一样的贵。”
日本的汽油混合动力轿车达到了百公里耗费3升汽油和世界最严格的超低排放等性能，它们的性能一点也不逊于柴油轿车。例如，本田的INSIGHT汽油混合动力轿车的性能就超过了欧洲最先进的德国大众LUPO柴油轿车。丰田公司宣布，2012年丰田新车将全部采用汽油混合动力发动机。今年丰田又推出了汽油混合动力的陆地巡洋舰SUV车，福特也将推出Escape SUV车, 这些具有混合动力技术的SUV车的节油性能必将震撼SUV市场。
在短短的几年里，丰田就销售了18万台汽油混合动力轿车PRIUS。美国J.D.Power公司预计2008年美国的混合动力汽车将达到28个车型，35万辆的产量，显示出了极好的市场前景。而几乎与丰田汽油混合动力轿车同时开发出来的，最先进的德国大众LUPO （百公里耗油3升）柴油轿车，并没有像汽油混合动力车那样热销和受欢迎。
4.汽油混合动力是我国汽油机发展的必由之路
4.1,汽油机存在的问题
汽油轿车燃油效率低，排放不好的原因在于汽油机的工况是随轿车行驶速度变化而改变，而且汽油机大部分运转时间是在效率极低的低负荷下工作。另外，普通汽油轿车为追求最高转速下的极限功率，不得不牺牲效率和环境性能。为了解决这些难题，各种各样的新技术如：汽油缸内直喷机、VVT-米勒循环汽油机、复合火花点火汽油机、汽油均匀充气压燃发动机和闭缸汽油机等等应运而生。实践说明，仅仅依靠改进内燃机技术来提高汽油机的效率和降低排放不仅赶不上柴油机，也满足不了未来轿车在这方面的需要。那么汽油机的发展是否走进了死胡同呢？
4.2,汽油机的出路在于采用混合动力技术
依靠推行汽油混合动力技术，汽油轿车（性能）赶上了柴油轿车。这项技术的特点在于：无论汽车行驶工况如何变化，汽油机的运转始终处在稳定或接近稳定的最高燃油效率下工作，发动机取消了最高转速下的最大功率、怠速、加速、减速、过渡和低负荷等状态，实现了降低普通轿车耗油量80%；汽车减速制动能量回收系统还能降低20%的耗油量。这项技术将汽油轿车工况耗油量降低了一倍，赶上柴油轿车的节油性能。
4.3,对我国赶上世界轿车先进水平的设想
为了赶上世界轿车先进水平，过去我国采取的策略是：依靠从国外引进产品生产技术，实现提高我国在“汽车管理电子化”、“内燃机”和“开发新的排气后处理装置”三项领域内的水平。实践证明，依靠这种策略，我国汽车技术进入“车型引进—生产—再引进车型”的怪圈，无法使三个方面的技术赶上世界水平。
以上三项技术对中国来说都是弱项。我们能否将上述三个弱项转化成一个呢？我想，采用汽油混合动力技术就可以做到这一点。首先，我国在汽油机基础上，发展混合动力用的汽油机难度并不大；其次，在混合动力汽车的工作模式下，现有的高EGR、等λ排气后处理装置稍加改进就可满足世界最严格的超低排放标准 。因此只剩下一个“汽车管理电子化”弱项。如果国家科技资金分配考虑由全国的IT行业和电机行业牵头，集中力量研制通用的 “驱动能量电子协调控制系统”和相应的执行元器件如电机、逆变器等，即：通用的能量控制系统专用模块集成化、系列高效电器、电机部件模块化，尽快在市场上销售它们，实现汽油混合动力轿车产业化就比较实际了。
另外，混合动力轿车还需要高性能蓄电池，但不像纯电动轿车对电池性能要求的那样高，产业化难度也不大。今后若在超级飞轮和超级电容蓄能元件技术上有所突破，蓄电池的作用就会变小甚至取消。
4.3综上所述，我们不难看出，只要地球尚有石油，就一定会有汽油，汽油混合动力轿车就会存在下去。因此，汽油混合动力技术寿命至少和柴油技术一样长久，而不是一项过渡性技术。
汽油混合动力技术是能让我国轿车迅速赶上世界先进水平的技术，是降低我国石油对外依存度，保障能源安全的有利措施。因此，它必将成为我国汽油机发展的必由之路。
今后如果我们不及时抓住汽油混合动力技术的研发和实现汽油机的改造，我国的汽车产业又会错过一次进入世界先进行列的机会。谁在未来的竞争中把握住这个方向，谁就能在竞争中占据有利地位。