馬重芳：節(jié)能汽車助力汽車工業(yè)節(jié)能突圍(2)

　　美國能源部對內(nèi)燃機(jī)節(jié)能潛力的評估結(jié)果認(rèn)為，發(fā)動機(jī)余熱能回收的節(jié)能潛力達(dá)60%以上。美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室在分析了各類內(nèi)燃機(jī)的節(jié)能技術(shù)后認(rèn)為，余熱能回收利用具有最大的節(jié)能潛力。作為全球最大的獨(dú)立發(fā)動機(jī)制造商，美國康明斯（Cummins）公司認(rèn)為，通過余熱能的回收利用，到2015年可使內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到60%左右。

　　與此同時，2010年初，美國能源部長朱棣文宣布啟動3.75億美元（政府撥款1.87億美元）提高重型卡車和乘用車效率的研究計(jì)劃，其中發(fā)動機(jī)余熱能回收利用是該項(xiàng)目支持的主要關(guān)鍵技術(shù)。該項(xiàng)目投資中60%的資金用于重型卡車的節(jié)能，其余40%的資金投入來支持輕型客車的節(jié)能。到2030年該技術(shù)在汽車中廣泛采用后，每天能夠節(jié)約1億升汽油和柴油，降低汽車20%的碳排放。美國此項(xiàng)計(jì)劃反映了新能源汽車的最新動向，此舉能給我們以啟示和借鑒。

　　總的來說，從目前的進(jìn)展來看，通過對內(nèi)燃機(jī)余熱能的梯級利用，取得10%～20％的能量利用效率的提高完全是可能的。我國2009年石油消耗量約為3.74億噸，其中內(nèi)燃機(jī)耗油為2.24億噸，因此通過對內(nèi)燃機(jī)余熱余壓利用的研究，可節(jié)約石油3360萬噸左右，減少CO2排放1.05億噸左右。

　　《科學(xué)時報(bào)》：目前，國內(nèi)外對節(jié)能汽車的研究現(xiàn)狀如何？

　　馬重芳：國際上非常重視內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱的利用。美國能源部同時資助6個團(tuán)隊(duì)進(jìn)行汽車余熱利用研究，這6個團(tuán)隊(duì)幾乎涵蓋了相關(guān)領(lǐng)域各大公司及國家實(shí)驗(yàn)室，美國能源部的目標(biāo)是通過余熱利用技術(shù)的應(yīng)用使柴油機(jī)熱效率在10~15年后提升至60％。

　　在歐洲，英國帝國理工學(xué)院在展望內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢時，將內(nèi)燃機(jī)廢熱能的利用作為到2050年的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。法國在2007年啟動了heat2power計(jì)劃；瑞典3所一流大學(xué)Lund，Charlmes，KTH開展內(nèi)燃機(jī)余熱回收的聯(lián)合研究。日本文部省在2005年發(fā)布的第八次技術(shù)預(yù)見調(diào)查報(bào)告中，將內(nèi)燃機(jī)余熱能的利用列為未來30年技術(shù)發(fā)展的100個重要課題之一。

　　在各國政府的產(chǎn)業(yè)布局中，各國企業(yè)也在爭相投入引領(lǐng)技術(shù)潮流。

　　德國寶馬公司已經(jīng)在1.8升四缸發(fā)動機(jī)上分別采用水和酒精的朗肯循環(huán)回收廢氣和冷卻水的高溫和低溫余熱推動膨脹機(jī)做功，試驗(yàn)結(jié)果表明，可增加15%的引擎輸出效率以外，油耗表現(xiàn)更與1.5升的車款相當(dāng)。

　　日本本田公司通過高溫廢氣換熱產(chǎn)生高壓蒸汽，驅(qū)動膨脹機(jī)發(fā)電回收余熱，膨脹機(jī)最大可輸出32kW電，熱效率最大可提高13％。

　　康明斯在美國能源部的支持下進(jìn)行了利用8級車用內(nèi)燃機(jī)余熱驅(qū)動有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的研究，目標(biāo)是提高10％的燃油經(jīng)濟(jì)性。目前已經(jīng)完成了第一代樣機(jī)的設(shè)計(jì)制造和測試。

　　此外，美國卡特皮勒公司開發(fā)了固定式天然氣發(fā)動機(jī)的有機(jī)朗肯循環(huán)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)樣機(jī)使發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的燃?xì)饫�用效率達(dá)到了47%。

　　對于空氣動力汽車而言，早在內(nèi)燃機(jī)發(fā)明之前，壓縮空氣動力汽車的概念就被提出并被廣泛應(yīng)用于瑞士等歐洲各國城市的軌道交通。目前法國MDI汽車公司是此項(xiàng)技術(shù)的代表。到2008年底，他們已經(jīng)設(shè)計(jì)制造出5種型號的壓縮空氣動力汽車，其發(fā)動機(jī)的功率從4馬力到75馬力。其中一款車型可達(dá)200km～300km的續(xù)航里程，最高時速110 km/h，接電自充氣時間在4個小時左右，而在加氣站充氣時間只需3分鐘。

　　此外美國、韓國、英國、澳大利亞等國均進(jìn)行過壓縮空氣動力汽車的研究。

　　《科學(xué)時報(bào)》：您對我國發(fā)展節(jié)能汽車有何建議？

　　馬重芳：與國外同行相比，我國節(jié)能汽車的研究較少。我國科技部先后在“十五”和“十一五”期間分別設(shè)置了兩個內(nèi)燃機(jī)“973”項(xiàng)目，這兩個項(xiàng)目都是由天津大學(xué)牽頭，主要進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)高效燃燒技術(shù)的研究。2010年科技部批準(zhǔn)了天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舒歌群教授牽頭申請的“973”項(xiàng)目“高效、節(jié)能、低碳內(nèi)燃機(jī)余熱能梯級利用基礎(chǔ)研究”，北京工業(yè)大學(xué)吳玉庭研究員做為其中課題二“內(nèi)燃機(jī)余熱能轉(zhuǎn)化熱力單元和材料性能強(qiáng)化設(shè)計(jì)和集成優(yōu)化的研究”的課題負(fù)責(zé)人。在“十一五”“863”中也設(shè)置了一個內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱回收的預(yù)探索性專題課題，在該課題的支持下北京工業(yè)大學(xué)對內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱回收開展了預(yù)探索研究，目前正在搭建實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。氣動汽車方面，國家自然科學(xué)基金委和國家科技部設(shè)置了相應(yīng)課題，浙江大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)開展了一些研究工作，取得了一定進(jìn)展。總的來說，國內(nèi)對節(jié)能汽車的研究還剛剛起步，跟國外差距很大，因此非常有必要設(shè)置項(xiàng)目進(jìn)行系統(tǒng)研究，以促進(jìn)我國節(jié)能科學(xué)理論的發(fā)展。

　　內(nèi)燃機(jī)廢氣余能的回收涉及廢氣余熱的收集傳熱、熱功轉(zhuǎn)換、熱電直接轉(zhuǎn)換以及壓力能轉(zhuǎn)換等方面。熱力學(xué)、傳熱學(xué)、材料、機(jī)械和控制等多個學(xué)科以及這些學(xué)科的交叉是內(nèi)燃機(jī)余熱利用的理論基礎(chǔ)。只有掌握了這些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)，才能使系統(tǒng)總能利用效率顯著提高，回收成本進(jìn)一步降低，進(jìn)而才有可能推動其大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)余熱余壓的有效利用。

　　柴油機(jī)余熱熱功轉(zhuǎn)換是一項(xiàng)近年來才興起和受到重視的新能源汽車技術(shù)，其研究主要集中在歐洲與美國。大汽車和柴油機(jī)廠商都在全力開發(fā)柴油機(jī)余熱熱功轉(zhuǎn)換，也有越來越多的發(fā)動機(jī)廠商正在或即將躋身到該技術(shù)的研究應(yīng)用中。但盡管如此，目前該項(xiàng)技術(shù)依舊處于示范試驗(yàn)、系統(tǒng)性能優(yōu)化改進(jìn)階段，許多關(guān)鍵技術(shù)還沒有被完全攻克。

　　我國是最大的重型卡車生產(chǎn)國，柴油機(jī)余熱熱功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，而目前國內(nèi)企業(yè)尚未開展該技術(shù)的研發(fā)。該項(xiàng)技術(shù)目前還并不成熟，誰先掌握先進(jìn)可行的技術(shù)，誰將把握最大的商機(jī)，成為該技術(shù)的領(lǐng)跑者，帶領(lǐng)整個發(fā)動機(jī)余熱熱功轉(zhuǎn)換新動力系統(tǒng)的發(fā)展。