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    赵福全对话苏万华:舍弃内燃机是根本上的误判

    对话嘉宾:苏万华,中国工程院院士、天津大学教授

     核心观点摘录


    【舍弃内燃机是根本上的误判】

    在中国火电占比仍在70%以上时,以发展新能源汽车为由唱衰内燃机不科学,也危险。舍弃内燃机是根本上的误判。中国发动机技术早已今非昔比,不像想象得那样落后。莫让中国内燃机产业留下历史遗憾。


    【内燃机处于近零排放的水平】

    经过近三十年的发展,内燃机已经处于近零排放的水平。颗粒物和氮氧化物等有害排放物已经降低了99%,下阶段内燃机减排的最大挑战是汽车瞬态过程的排放。


    【内燃机热效率有望突破60%】

    未来内燃机热效率有望突破60%,2030年,使热效率达到60%的技术就会提上日程。


    【2020混动技术会大行其道】

    2020年后,混动技术会大行其道。混动不是一成不变,内燃机在不断进步,电气部分也在进步。但目前,改进发动机的成本要低于混动技术,因为电池和电机成本很高。


    【要从全生命周期考虑低碳化】

    现行法规没有从全生命周期来考虑低碳化,这是个大问题。电池的生产制造、报废处理等过程都产生有害物质,应计算在内。不全面、不科学的法规给内燃机发展制造了障碍。


    【内燃机是国家支柱产业】

    目前内燃机动力系统承担全国公路货运量77%,客运量80%~90%,几乎全部基础和工程建设;此外,还承担着农业机械、国防、海洋运输和内河运输等任务。盲目限制,不现实。


    【盲目唱衰内燃机会造成人才断层】

    内燃机的发展前景非常好,相关人才的工资待遇也很高,目前仍然处于人才短缺的状态,那些唱衰内燃机的不和谐声音,对青年学生的影响最大。


    【内燃机长时间还将支配移动动力】

    现在不应该是泄气的时候,而应该是鼓劲的时候。在相当长的时间内,内燃机仍将在移动式动力装置中占有支配地位。


    对话正文

     

    赵福全:各位网友,大家好!欢迎来到凤凰汽车“赵福全研究院”高端对话栏目,我是栏目主持人、清华大学汽车产业与技术战略研究院院长赵福全。今天我们非常荣幸地请到了中国工程院院士、天津大学苏万华教授。

    作为资深内燃机专家,苏院士把全部心血都贡献给了中国内燃机行业,很多优秀的内燃机专家、企业家都是您的学生,可谓桃李满天下。

    随着节能环保的要求越来越严,汽车正朝着电动化方向发展,新能源汽车在国家层面受到的关注度越来越高。同时,有报道称一些国家已经直接或间接地提出了内燃机汽车的禁售时间表,似乎社会舆论在唱衰内燃机,大家对内燃机的发展前景非常忧虑。在这种大背景下,您怎样看内燃机的未来?内燃机当前面临的最大挑战在哪里?

    苏万华:内燃机当前面临的最大挑战是如何实现二氧化碳的进一步减排,通过减少温室气体的排放量来保护人类的生存环境,这也是最大的目标。

    当前各国都制定了严格的二氧化碳减排目标,特别是中国已经向世界承诺了二氧化碳的减排义务。2015年我国汽车平均二氧化碳排放量约为170克/百公里,按照发改委相关文件要求,到2020年汽车平均二氧化碳排放量要降低到115克/百公里。相当于每年要降低11克/百公里,即下降3%,这是非常大的挑战。

    在环保要求加严的背景下,我们必须提高汽车内燃机的热效率,以达到降低油耗、减少排放的目标。所以,提高内燃机热效率是全世界内燃机产业从业者当前的首要任务。现在比较现实的目标是把汽油机热效率提高到45%-50%,把柴油机热效率提高到50%-55%,甚至往60%的方向发展。如果能达到这些目标,内燃机的前景还是可期的,但是为了达到这样的目标,我们还需要做大量的技术工作。

     

    赵福全:作为世界上主要的石油进口国,中国面临着严峻的能源安全问题,因此汽车油耗法规势必越来越严,这给内燃机带来了巨大挑战,要求内燃机必须不断提高热效率,降低油耗水平。那么在尾气排放方面,内燃机又面临怎样的挑战呢?

    苏万华:在排放上内燃机面临的挑战同样很大。我国已颁布国六法规,不少地区从明年开始就会提前执行国六,这个法规的要求相当于“欧六”水平,是当今世界上最严的排放法规之一。

    三十年来,内燃机排放水平从低排放到超低排放、再到超超低排放,现在处于近零排放的水平。过去三十年,全世界汽车的颗粒物和氮氧化物等有害排放物已经降低了99%,现在的排放水平仅相当于三十年前的1%。下阶段内燃机减排的最大挑战是汽车瞬态过程的排放。欧盟已提出RDE(Real Driving Emissions)测试,即汽车在实际道路行驶过程中的排放,也称为随机驾驶排放。只有解决这个问题,才能真正解决内燃机在实际运行时对大气造成的污染问题,这是非常大的挑战。在RDE法规的研究及推进方面,我国进展也很快,走在世界前列。

     

    赵福全:您提到内燃机还有很大的发展潜力,但这是要以成本为代价的,因为要做更多的技术开发和应用,这也影响内燃机的竞争力。在油耗及排放法规不断加严的大背景下,很多挑战让人觉得内燃机的潜力已经趋近极限,您能不能从基本原理的角度讲讲内燃机还有多大的潜力可挖?机会具体在哪里?

    苏万华:作为内燃机工作者,我对此感触很深,也有长期奋斗的思想准备。回答这个问题可以从一次学术会议说起。2010年美国能源部授权美国汽车理事会USCAR召开了一次高水平的学术会议,这次学术会议有两个重要结论:

    第一,在相当长的时间内,内燃机仍将在移动式动力装置中占有支配地位。

    第二,内燃机的热效率可以不受卡诺循环的限制,短期内可以达到60%,中长期有可能接近85%。这是基于全世界基础研究结果得出来的判断,对内燃机的发展前景有很好的期望。

    我国在内燃机研发方面的进展也非常好,目前技术创新、新产品开发的状况令人鼓舞。11月29日,我参加了“2018年度十佳发动机评选”颁奖盛典,十佳发动机中有6款是自主品牌的产品,包括小型强化三缸发动机和48V混合动力发动机。前两年在讨论内燃机未来发展方向时,我曾经强调过两个技术,一个是小型强化三缸发动机;另一个就是48V混合动力技术,当时预测48V技术在2020年以后会被大量使用。而现在我很高兴地看到,今年江淮汽车就推出了搭载48V混合动力发动机的车型。

    一些人总认为国外发动机更先进,而我国发动机的性能落后,与国外先进水平差距很大。实际上,中国发动机技术早已今非昔比,并不像有些人想象得那样落后。比如在这次年度十佳发动机评选中获奖的6款自主品牌发动机,应该说都是世界一流的产品,所使用的技术也都是世界最先进的,并且是严格基于静态和动态实测表现和节能减排指标评选出来的。总之,我国汽车发动机技术已经取得了长足的进步,而且未来在发动机技术创新方面仍有很大潜力,前途光明。

     

    赵福全:美国USCAR预测未来内燃机可以突破卡诺循环的限制,但是,内燃机要怎样突破最基本的热力学定律呢?以汽油机为例,现在发动机的热效率到底能做到多少?您能否给一些量化的指标,比如设定一个时间点,到2025年,您觉得内燃机的单点热效率最高能达到多少?

    苏万华:预测内燃机的热效率可以突破卡诺循环的限制,主要是因为卡诺循环是闭口循环,而现在的概念则认为内燃机并不是闭口循环,完全可以把内燃机排出去浪费掉的能量回收利用起来。最直接的方式就是通过增压方式来回收能量,也可以进行余热回收循环利用,还有很多其他的方法,所以这个判断是符合科学规律的。

    在提升内燃机热效率方面,我们团队做了大量的工作,现在可以使汽油机热效率达到60%,在今年中国工程院主办的内燃机及燃料颠覆性技术国际高端论坛上,我们报告了这个结果。我们主要采用了低㶲损失、可变压缩比等技术,以结构比较常规的内燃机为基础,实现了均质压燃汽油机(HCCI)热效率达到60%。在那次会议上,也有瑞典专家提出使内燃机热效率达到60%的方案,可见提升热效率的途径还有很多。

     

    赵福全:实验测试内燃机的热效率已经做到60%,那么如此高效的内燃机能否实现量产呢?高效内燃机技术应用的难点在哪里?产业化的难点又在哪里?

    苏万华:量产主要的难点是内燃机需要小型和强化,其中强化问题挑战更大。由于内燃机的热效率与负荷成正比,负荷越高,热效率越高,最大爆发压力也越大。目前国际上量产机型的最大爆发压力约为380 bar,而当热效率超过60%的时候,最大爆发压力可以达到450 bar,这就对内燃机机体的结构、强度设计提出了更高的要求。但是,我们在研究中也找到了突破路径,目标不一定要一步实现,完全可以随着负荷增加逐步实现。例如先把最大爆发力提升一些,使内燃机热效率升到45%的水平,也能获得非常明显的改进效果。

     

    赵福全:目前在实验室样机阶段,国内外都已经把内燃机的热效率提高到了60%。不过在实际使用中,车载汽油机的热效率到底能做到多少,或者说应该做到多少呢?这一点仍然众口不一,毕竟汽车的使用工况不同,搭载的内燃机机型也不同。据您所知,当前国内汽油机热效率可以达到什么水平?国外是什么水平?您能不能给个量化指标?

    苏万华:按照十佳发动机评选的结果来看,国内量产汽车发动机的热效率已经做到超过40%,最高可达到40.5%。实际上评估发动机的效率,不能单纯只看最高热效率,而是应该通过减少排气损失、传热损失、机械摩擦损失等一系列措施,使发动机万有特性达到最好状态。以前发动机万有特性曲线像一个倒扣的碗的剖面线,现在这个曲线像一个倒扣的盘子的剖面线,也就是说,发动机可以做到在更为宽广的负荷范围内达到最佳的性能。因此,现在基准质量乘用车的百公里油耗已经可以做到接近5升,甚至少于5升。

    另外,发动机在启动和低负荷等少数工况下负荷特性差,油耗相应升高,这是其固有的不足。但现在我们有了新的手段,可以把发动机与较小的电池和电机结合起来,形成混合动力,弥补这个缺点,从而在整体上实现更低的油耗水平。

     

    赵福全:混合动力方案可以让发动机在更佳的工况范围内长时间工作,而在其他如启动和低负荷等高油耗的工况时,则使用电池和电机,从而达到节油的目的。

    苏万华:是的,例如启动或城市中堵车的时候,可以让电池和电机工作来弥补发动机的不足,这只需要使用很小的电池即可实现。之所以强调小电池,是因为目前电池在能量密度和成本方面还存在瓶颈。

     

    赵福全:国内量产汽车发动机的最高单点热效率已经能做到40.5%,那么,下一步的挑战就在于如何把最高单点热效率在更宽的工况范围内推广,从而更大限度地提升发动机的综合热效率。如果是纯内燃机驱动的汽车,在2025年百公里4升油耗的法规限制下,会不会遇到很大的挑战?

    苏万华:是的。因此,2020年以后混合动力发动机的应用比例一定会快速增加。混合动力技术可以很容易地改变发动机的动态特性和负荷特性,从而有利于节能减排。目前混动技术还没有大量推广,原因主要是成本有效性的问题,即改进发动机带来的成本增量要小于应用复杂的混合动力技术带来的成本增量,因为电池和电机的成本都很高,整个系统的维护保养成本也很高。

    在2020年目标为百公里5升的第四阶段油耗法规下,大部分车型通过发动机自身改进是可以满足要求的。但在2020年之后,汽车油耗目标降到百公里4升甚至更低的时候,混合动力技术就会大行其道,也就是说,法规要求将倒逼技术进步和转换。到那个时候,相信内燃机和混合动力技术都会有很大的提高,成本有效性也会大幅改善。电动技术与发动机技术的进步相互结合,将推动混合动力技术的快速发展。

     

    赵福全:混合动力技术潜力巨大,但需要有效平衡技术进步和成本降低。如果成本没有竞争力,就会出现很大的问题,毕竟消费者会用自己的钱来“投票”。比如新能源汽车补贴退坡之后,如果解决不了电池的高成本问题,消费者可能就会拒绝买单,从而影响新能源汽车市场走向。但反过来说,满足日益严格的法规又是车企必须支出的成本,如果不能满足法规要求,生产出来的汽车是无法销售的,讨论其他所有的问题就都没有意义了。

    因此我们先不考虑成本,仅从混合动力技术本身的角度来进行分析。您认为应该如何挖掘发动机的潜力以实现与电池、电机的有效组合?中混和重混技术能不能大幅提升发动机的效能?

    苏万华:如前面所说,混合动力技术的发展要建立在内燃机和电动技术两方面共同进步的基础之上。随着技术的进步,成本也会逐步降低,比如可以用节能效果近似的新技术方案来代替过去的技术方案,这样就能节约成本。

    目前混合动力发动机技术的发展有两个途径:一是小型强化内燃机加简单的混合动力系统,可以较低成本达到较好的节能效果。二是全力以赴把内燃机本身做得极致,如采用长冲程、稀燃、均质压燃等技术,使内燃机性能处于最佳状态,一些日本车企更偏向这条路径,比较典型的如马自达推出的新款发动机。这些高效发动机也可以与电池、电机组合,从而作为混合动力发动机工作,这样可能节油效果更佳。

     

    赵福全:下面我们聊聊低碳化的话题,低碳与低油耗相关,但又不完全相同。一般来说,只要有碳基能源消耗,就会产生碳排放。因此,汽车行业一直有这样一种声音,就是觉得内燃机汽车并不一定高碳,因为可以持续提升效率;而纯电动车也不一定低碳,因为尽管电动车在使用过程中比内燃机汽车更低碳,但是从整个生命周期的角度来评估,是否低碳还取决于电能的来源,而中国以煤电为主,电能来源本身并不低碳。您如何看待这个问题?我们是否应该从整个生命周期的角度来看待碳排放?当前的法规没有从全生命周期角度来评价,是不是存在不足?

    苏万华:现行法规确实没有从全生命周期来考虑低碳化,我认为这是个大问题。新加坡对特斯拉车主进行了罚款,不是因为特斯拉的电动车在道路上行驶时产生了碳排放,而是因为电能是二次能源,在发电过程中会产生二氧化碳排放,特斯拉汽车消耗的电量对应于发电过程中的二氧化碳排放量,超出了新加坡的法规限值,所以认定特斯拉的电动车碳排放超标。我认为这种做法非常科学。

    衡量一种能源或者动力转化方式是否先进,无论名字是新能源还是旧能源,标准都应该包含全生命周期的二氧化碳排放量,应该以此作为重要指标之一来进行考量。就汽车的二氧化碳排放而言,正如美国阿贡实验室于本世纪初提出来的那样,不仅要看燃料全生命周期的二氧化碳排放,还要看包括整车、零部件在内的整个汽车的生产环节,这是一个从采矿、冶炼、运输、制造,一直到报废、回收的完整的生命周期。

    例如动力电池技术,当前还存在很多问题。电池的生产制造、报废处理等过程都产生有害物质,同时也都产生碳排放,法规应该将这部分排放也计算在内。这不是我个人的看法,英国工程院院士高腾·卡嘉迪(Gautam Kalghatgi)连续发表了多篇文章谈到这个问题,他曾经说过,过分地使用电池会产生很多问题,其中非常重要的一点就是会造成全社会的金属中毒,即金属毒性问题。

     

    赵福全:综合来看,多维度的全生命周期评价涉及到的环保问题非常多,不仅仅是碳排放的问题。

    苏万华:现在有一些研究结果表明,综合对比汽车内燃机使用过程中的碳排放与电动车所耗电能在发电过程中的碳排放,两者的数值其实差别不大。如果考察整个汽车从生产到使用的全过程,把所有的零部件直至材料都考虑在内,内燃机汽车在碳排放方面可能还要比电动汽车占优。

    所以,我们应该建立全生命周期分析问题的观念,这一点非常重要。有的人认为电动车是零排放,甚至相关法规也规定,插电式混合动力汽车在前50公里以纯电模式行驶期间可以不计算能耗,这些其实都是不科学的。之前工程院曾就此问题写过一个建议,提交给了相关法规的制定部门,后来被采纳了,最后决定插电式混合动力汽车前50公里的纯电驱动阶段也要计算能耗。

     

    赵福全:的确,电动汽车行驶过程中是要消耗电能的。无论是纯电动汽车还是插电式混合动力汽车的纯电驱动阶段,虽然没有油耗,但是一定有电耗,即能耗。

    苏万华:还有人认为开电动车比燃油车便宜,这也并不客观。虽然用户感觉自己花费减少了,但现在电动车充电大多是用民用电,民用电的价格是国家补贴后的价格,这其中有国家补贴在里面,如果与燃油车的使用费用直接对比,两者不在同一个层面上,很难得出正确的判断。当然,比使用费用更重要的还是碳排放,这关乎全人类的生存环境。只有分析计算全生命周期的二氧化碳排放,才是科学合理的。

     

    赵福全:作为工程院院士,站在国家战略高度,您觉得这个问题应该怎样解决?是不是应该把能源生产部分产生的碳排放也纳入考核指标?

    苏万华:我认为应该这样考核,即把能源生产端产生的碳排放纳入考核。从科学的角度,国家应该尽早对此进行研究和应用。同时,国家应该加强相关的科普宣传,让全民都了解和关注各类产品在全生命周期中产生的有害物排放。特别是二氧化碳排放,因为碳减排是我国的大战略,涉及到能源结构调整和转型等一系列重要问题,更应高度重视。

     

    赵福全:如果从环境容量的角度来思考,这不只是中国的事情,而是全球、全人类共同的事情。那么,您觉得怎样才能把这些理念导入到国家的立法中,实现从全生命周期评估出发,更公平地选择适宜的技术路线?

    苏万华:首先要进行科普宣传,如果全民都有减少碳排放、保护人类生存条件的意识,相关部门和单位自然会日益重视这个问题。现在碳排放的科普宣传做得很不够,很多人下意识地认为新的就一定是好的。其实不管什么新事物,无论是新的能源转化形式,还是新的能源消费形式,我们都应该从全生命周期的角度综合考虑其对环境的影响。

     

    赵福全:国家对能源战略的选择是一个大问题,关乎产业基础,关乎民族可持续发展,更关乎国家未来的核心竞争力。新的往往不够成熟,也不一定就是好的,当然将来可能会变成好的,所以既要立足眼前,也要展望未来,要从系统整体的角度进行全面思考。

    现在据称有很多国家都在考虑制定淘汰内燃机汽车的时间表,对此您怎么看?作为内燃机的研究者和从业者,您会因此感到焦虑吗?

    苏万华:内燃机行业的同仁们普遍对所谓“各国淘汰内燃机”的说法非常不理解,但是我们并没有为此感到焦虑。因为内燃机的发展前景非常好,相关人才的工资待遇也很高,目前仍然处于人才短缺的状态,像潍柴等很多企业都招聘不到足够的内燃机博士和硕士毕业生。从行业内部来说,内燃机的形势可谓一片大好。所以,有人提出停售内燃机汽车的时间表,大家听到之后,都感觉不可思议。

     

    赵福全:但在这种大环境下,年轻人选择专业时就会受到影响,因为担心未来的职业生涯。前几天《中国汽车报》记者采访了同济大学的李理光教授,他就表示,这种情况会导致内燃机人才出现青黄不接,十年之后如果没有足够的人才,即使内燃机技术本身再有潜力,没有人去研发也会导致技术出现停滞。您作为内燃机领域的院士,怎么看这个问题?

    苏万华:我对此非常忧虑,这也是内燃机行业面临的巨大挑战。出现这个现象可以归因于内燃机行业的外部生态不理想。那些唱衰内燃机的不和谐声音,对青年学生的影响最大。现在内燃机学科,无论是本科招生,还是硕士招生,都受到非常大的影响。去年我们天津大学原本已经报名内燃机方向的硕士生中,后来有40%的学生都改了方向。因为学生们担心,如果真的像舆论说的那样,内燃机是一个行将退出历史舞台的专业,那他们未来该怎么办,毕业之后还能不能找到工作?他们从趋利避害的角度选择了更改自己的专业。

     

    赵福全:苏院士,现在已经出现这种状况了,您认为这个问题应该如何解决呢?从社会、企业和大学的角度,怎样才能让优秀的人才愿意投身到内燃机行业中来?如果人才真的出现断层,未来的发展就没有了支撑。因为无论是产业还是技术,没有了人才,一切都免谈。

    苏万华:赵院长这个栏目就是一个非常好的平台。我想解决这个问题的根本还是要进行充分的科普宣传,要让青年人懂得什么是事物内在的发展规律,什么是事物之间的联系。在风能发电、太阳能发电等可再生能源还不足以形成新的能源系统的时候,在中国火电占比仍在70%以上的时候,此时以发展新能源汽车为由唱衰内燃机是不科学的,我认为也是危险的。

     

    赵福全:电动汽车应该发展,因为那代表着产业的未来,而且我们希望电动汽车全生命周期的碳排放能够降到很低,但是这个目标短期内还达不到。同时我们也不能放弃内燃机行业,因为这是当下的生存之本。如果生存问题都解决不了,又靠什么来支撑到未来呢?更何况内燃机技术还有很大的潜力可挖。

    苏万华:事物的发展最终还是取决于客观条件。记得中央电视台的财经评论员说过一句话,“电动汽车不一定是新能源最终的表现形式。”我认为这句话很科学。任何事物的发展如果不符合客观规律,最后都会适得其反。实际上,今天并不是人类第一次讨论发展电动汽车的问题,一百多年前,就已经有电动汽车了。

     

    赵福全:不过今天电池和电机都有了大幅进步,这是否意味着我们更有理由相信电动汽车的时代正在到来?

    苏万华:电池确实有很大的进步,但是目前最核心的技术指标还没有完全突破,我指的主要是电池的能量密度指标。十年前,碳氢燃料的能量密度大约是电池的44倍。经过十年来所谓突飞猛进的发展,电池的单体能量密度从150Wh/kg增加到大约300Wh/kg,实际上目前国内大部分电池企业还做不到300Wh/kg的水平,这种进步相当于从1%变成2%,与碳氢燃料对比,电池的能量密度还是非常低的。

    当然,我本人并不反对研究电池,也希望电池技术能够有所突破,同时希望所有的蓄能、蓄热技术都能有所突破,但是这绝非一两年时间内就能够实现的,其中涉及很多学科的技术攻关难题。同时,我认为电动汽车确实有其优点,现在大城市人口密度高,发展短程电动车对于解决大城市有害气体排放的问题是非常合适的。

     

    赵福全:电动汽车还有一个优势,就是可以把“排放”转移。发电过程中产生的排放可以在发电企业进行集中处理,而不像燃油车那样直接排放在城市中,这样可以部分缓解城市内的污染问题。

    苏万华:是的,电动汽车可以把排放转移到城市外面去。但是,电动汽车也有很多缺点现在还不能克服。例如电池既“怕冷”又“怕热”,适合电动汽车工作的环境温度是15-35度,在太冷或太热的区域使用都会有问题。如果在哈尔滨用电动汽车,虽然它能够降低排放,但是天气一冷就用不了了,因为电池受温度影响太大。

    另外,电动车适合在有限的区域内行驶,比如作为大城市的物流车、出租车等效果都会不错,有良好的应用前景。但是想去自驾游,续驶里程就成了大问题。十九大谈到,要“不断满足人民日益增长的美好生活需要”。老百姓买车的目的是什么?如果只是为了上下班,特别是在大城市,完全可以用地铁、公交再加上共享单车的出行方式。买车很大程度上是为了提升生活质量,每到节假日,祖国大地到处都是乘车出行旅游的人,这时候你还敢开电动车出去吗?

     

    赵福全:苏院士,实际上我在和业界同仁交流的时候经常遇到这种状况——发动机专家总是挑战电动车的不足,电动车专家则反复强调发动机的局限性。其实这也很正常,因为我们现在正处于两种事物的交错期。发动机和纯电动彼此之间既有竞争,更有合作,混合动力就是两者合作的产物。无论是插电式混合动力,还是增程式电动车,也无论是轻混技术,还是中混、重混技术,都是发动机和电池、电机的有效组合。只有有效发挥两者的优点,才能让汽车动力总成的效率大幅提升。

    随着法规的不断加严,到2030年,中国汽车油耗目标将迈向百公里3.2升,同时欧洲正在探讨百公里62克二氧化碳排放的标准。这些目标对所有车企来说都是巨大的挑战,其中既需要对动力总成进行改进,也需要轻量化、降风阻等技术。只有各个领域都做好自己的工作,才能实现汽车产业可持续发展的大目标。至于未来汽车动力的技术路线究竟会走向何方,我想市场最终会告诉我们答案。

    苏院士,下面请您谈谈内燃机技术的具体发展,从成本、技术潜力以及与电池、电机组合的角度出发,内燃机还有哪些工作要做?怎样才能让内燃机走得更远?另外,您对未来内燃机技术的性价比有信心吗?

    苏万华:有些搞电动汽车的专家,包含很有名的专家,他们说内燃机是热机,用来做汽车的驱动系统不合理。我认为这种说法很荒唐,内燃机作为热机驱动汽车一百多年了,已经非常成熟。如果以碳排放来衡量,关键是看法规的合理性,应该从全生命周期来对比和评估燃油车和电动车。正是不全面、不科学的法规,人为地给内燃机的发展制造了障碍。

    实际上,对于内燃机而言,我们努力发展的大方向之一也是减少排放。纵观中外汽车排放法规,从三十年前发展到现在的国六和欧六,一直在不断进步。这些法规都是在大量研究的基础上制定的,有其合理性。历史也已经证明,这些法规的要求,内燃机汽车都是能够满足的。只要法规不提出过分的、不合理的超前要求,我并不担心内燃机技术的进步速度会跟不上,如果热效率达到60%,再加上混合动力技术来调节工况,我认为完全可以满足未来的法规要求。

    至于说到成本问题,我们过去是非常担心的。但是随着法规不断升级,我们发现事实上各种技术的进步都将带来成本的提高,而成本问题最终还是要靠技术进步来解决,所以关键还是要做好自己的事情。现在我非常有信心,因为内燃机行业一直在不断努力,内燃机人非常勤劳、也非常执着。

     

    赵福全:汽油机的压力更多来自油耗法规,而柴油机的压力更多来自排放法规。国六排放法规实施后,柴油机的成本将大幅增加。您觉得将来汽油机会不会取代一部分柴油机?

    苏万华:会的,取代也很正常。这十几年来,汽油机的技术发展相对于柴油机要更快一些,很多新技术被大量应用,最典型的就是小型强化、缸内直喷等技术。原来企业不敢用三缸机,现在已经用得非常好了,并且性能有了很大的提高。

    另外,汽油机的制造成本要比柴油机低得多,所以柴油机在轻型化、小型化方面的发展机会不大了。一方面汽油机热效率可以达到45%,性能好且成本低;另一方面柴油资源相对更为紧缺。石油工业中柴油和汽油的生产比例有固定的区间,过去由于柴油机更节油,所以这些年来使用重质燃料的柴油机数量比较多,也导致了柴油资源非常紧张;目前的发展趋势是中型商用车也会使用汽油机,因此汽油机的使用领域还会继续扩大。

     

    赵福全:柴油机现在技术水平如何?未来还有多大提升空间?柴油机的热效率理论上最高能达到多少?目前发达国家作为成熟产品使用的柴油机热效率是多少?

    苏万华:按照我们的研究成果,未来应该有达到60%的潜力。最典型的就是美国实施的第二阶段“超级卡车计划”,其柴油机热效率目标要达到55%。两三年前就有报道称,美国劳伦斯国家实验室研究的柴油机最高热效率为55%,但不确定是不是量产产品。综合来看,目前发达国家量产柴油机的最高热效率接近50%,实验室中实现的热效率在55%以上。

     

    赵福全:其他种类的燃料,如气体燃料和醇类燃料等,在未来内燃机汽车的发展过程中会起到什么样的作用?最近,天然气发动机在重卡上得到很好的应用,这既有政策原因,也有成本的原因。

    苏万华:这正是内燃机的优势所在,内燃机可以燃烧各种各样的燃料。它就像是个“大肚子”,什么都可以吃,而且还不“闹肚子”。这方面的研究已经实现了理论突破,我有一项973项目就是研究内燃机与燃料的互动,其中提出了一个理论,即通过对燃烧过程的边界条件与燃料特性实现协同控制,内燃机可以燃烧任何燃料。

     

    赵福全:如果为燃烧系统专门开发一种燃料,是否会让发动机的动力性和经济性大幅改进呢?这也是对发动机节能潜力的挖掘。

    苏万华:在燃料方面,我们更着眼于全生命周期的二氧化碳减排问题。我们在研究一种低处理、低成本、低硫、低碳的石脑油燃料,这种燃料本来是生产汽油的原料,现在正在尝试直接在内燃机上使用。内燃机直接使用这种燃料是重大的技术创新,因为可以减少炼油工序,所以称为“低处理”,这项技术对于二氧化碳减排和节能都有巨大的意义。

    而且这项技术并不是出于汽车油耗或者排放法规的压力,而是为了解决石油炼制过程中的能耗和碳排放问题,属于典型的跨领域技术创新,体现出内燃机科技工作者的主动精神。内燃机领域虽然基本原理没有变化,但是研究的维度越来越多,最终都会聚焦于人类降低二氧化碳排放和减少能源消耗的根本目标上。

     

    赵福全:内燃机领域的科技人员始终在不断耕耘,持续挖掘这项具有一百多年历史的传统技术的潜力。表面上看,内燃机技术的原理没有变化,但细节上已经发生了翻天覆地的变化。内燃机在不断进步,也在不断受到挑战,但一直没有被取代,这正是它的生命力所在。将来人工智能等新技术应用在内燃机控制上,还会有新的发展空间。

    苏万华:确实有人说,内燃机研究了这么多年还是离不开活塞、连杆,但其实内涵已经完全不同了。就像计算机一样,发展了这么多年还是一个屏幕加一个机箱,但是运算速度已经从原来每秒几千、几万次提升到上兆次,现在更是实现了并行计算,这其中的内涵早就已经改变了。现在的内燃机不要说和一百年前相比,就是和十几年前相比,也已经有了本质的提升。

    内燃机的先进性还表现在,在各种机械中内燃机是最早使用智能控制的。从上世纪60年代开始内燃机就搭载了电控技术,后来发展为智能控制技术。内燃机的智能控制和其他领域的智能控制截然不同,需要对内燃机燃烧过程有深刻的理解才能实施有效控制。我曾经讲过,阿尔法狗下围棋战胜了柯洁,但要让它来控制内燃机,那它绝对是个门外汉。

     

    赵福全:也就是说,要对内燃机有非常透彻的了解,然后才有可能通过控制优化实现更大限度的节能减排。总的来看,内燃机还有很大的发展空间,当然也面临很大的挑战。未来法规的要求将越来越严,但其实法规不只使内燃机面临挑战,也使电动车面临挑战,今后对电池能量密度和成本的要求将越来越高。所以,两个领域都需要不断进步。

    就内燃机而言,展望未来三十年,您觉得内燃机发展的技术路线图将是怎样的?未来的内燃机,将会更简单还是更复杂?更昂贵还是更便宜?

    苏万华:我认为2020年以后,混合动力技术会有很大发展。混合动力技术不是一成不变的,内燃机部分在不断进步,电气部分也在不断进步。面向将来日趋严苛的油耗法规,混合动力技术一定会大量应用。同时,随着材料、摩擦润滑等技术的进步,加上新的结构设计,到2030年左右,使内燃机热效率达到60%的技术就会被提上日程,而且这个目标完全有可能实现。

    至于说到成本,我想内燃机的价格肯定是波动的,在新的技术刚刚应用后,价格会有一定的提高,但是很快价格就会降下去。这种价格下降既是因为市场增长的规模效应,也是因为技术本身的进步与成熟,比如新技术会使工艺更简单。举个例子,国内大型车用重型柴油机,不仅比前几年便宜,性能还要好得多。一套高压共轨系统加上电控系统,十年前售价大约为4000多元,现在单独购买仅需几百元,如果购买燃油系统则会附送共轨和电控系统,几乎相当于免费了。总之,价格随着技术发展会有波动,但总体来说是会下降的。

     

    赵福全:内燃机从业者觉得自己很努力,产业也很有前景,对唱衰内燃机的声音非常不理解。实际上,出现这种情况也是因为汽车产业太复杂了,非内燃机领域的专家肯定也要参与政策的制定,而他们看问题的角度和关注点完全不同。我想内燃机行业自己也要不断发声,要让大家充分认识到内燃机现有的显著进步、未来的巨大潜力和发展空间。借今天这个机会,作为内燃机领域的院士,您对其他专业领域以及政府主管部门有哪些建言?

    苏万华:内燃机是我国最重要的基础制造业之一,是国家的支柱产业。目前内燃机动力系统承担着全国公路货运量的77%、客运量的80%~90%;承担着几乎全部的基础建设和工程建设;此外,还承担着农业机械、国防、海洋运输和内河运输等任务。这么重要的大产业切不可出现误判,盲目提出限制内燃机产业发展,是不现实的。

    去年有位负责科技发展的领导到天津大学调研,校领导让我们介绍科研成果。我介绍说,2014年我们研发的内燃机新技术已经通过了欧六排放法规认证。他说,怎么可能通得过呢?而且后面法规还会加严,即使现在通过了,后面也得更改技术路线。这反映出他从内心里认为内燃机不可能完成任务。我觉得,这是他的误判。

    为什么最开始提出“弯道超车”,后来改为“变道超车”?就是想把内燃机舍弃掉,变成电动车或者其他类型的汽车。提出舍弃内燃机将是根本上的误判,一些领导不了解内燃机技术,更没有充分认识到内燃机产业的重要性。

     

    赵福全:苏院士想对政策制定者说的是:内燃机产业对国民经济的支撑作用超乎想象,也许最终可能有一天,它会一点一点淡出历史舞台,但那将是一个非常漫长的过程,肯定不是在不远的将来,更不是现在。当前还需要我们努力把这个产业做扎实,还需要继续进行投入。因此相关政策法规要切合实际,更要与技术进步和社会需求保持一致。

    苏万华:内燃机将来完全有可能被一种新的动力替代,比如目前美国麻省理工学院等都在研究可控核聚变技术,该技术将来真正走向成熟,且蓄能、蓄热装置也非常健全时,新的能源形式确实有可能彻底取代内燃机。但是这需要一个漫长的过程,而且超过三十年之后的事情,现在是无法准确预测的。

    目前,国内内燃机整体发展形势良好,刚刚提到,今年的十佳发动机中有6款是自主品牌产品。我们正向国际先进水平靠近,而且已经打造出一批世界一流的产品。现在不应该是泄气的时候,而应该是鼓劲的时候,我们不能让中国内燃机产业留下历史遗憾。

     

    赵福全:请您再给企业家们提一些建议。很多车企现在都是“两手抓”,左手做内燃机,支撑眼前的生存;右手做电动车,储备未来的发展。实际上企业家也挺纠结的,面临对未来判断不准确导致决策失误的风险,并且需要同时兼顾生存与发展。

    苏万华:企业家是最聪明的,恐怕不需要我来提建议。企业的主要任务就是生存,据我看到的情况,大多数国内外车企的工作重心仍然是放在内燃机上的,因为内燃机是市场的需求,是生存的根本。企业是不能依靠政府的新能源汽车补贴生存的,企业家们对这个问题有非常清醒的认识。当然,国家现在执行双积分政策,每家车企都必须有一定的新能源汽车积分,这是企业必须要应对的问题。同时,智能汽车和无人驾驶技术也要研究,实际上很多人认为智能汽车是三五年之后的产品,很快就会发展起来。

     

    赵福全:企业要先生存、后发展,在生存中求发展,在发展中求生存,两者缺一不可。而应该优先考虑的是,主战场或者说主要销量部分到底何去何从。

    苏院士,尽管您对内燃机产业充满信心,但是仍有不少年轻学子对产业的前景心存顾虑。而这些年轻人是内燃机产业的未来,没有现在内燃机专业的学生,就没有将来内燃机产业的人才。在此您对广大学子们有什么期待?怎样才能确保内燃机专业不会出现人才断层呢?

    苏万华:正如李理光教授所说,如果出现内燃机人才的断层,后果是非常严重的。怎样才能保证人才不断层,我想这是社会责任的问题。全社会都应加强科普教育,把道理如实地告诉年轻人。要讲清楚评价不同能源形式的科学标准,即应该是在全生命周期内评估二氧化碳和有害物质的排放量。内燃机和其他动力机器相比,是“有生命的机器”,因为它可以呼吸空气,可以吃进燃料,可以自我消化,通过燃烧生成能量、不断循环。同时,内燃机也是最复杂的机器,包含工程科学领域的几乎所有学科。

    学习内燃机使人聪敏。中科院的吴承康院士就是实例,他1955年从麻省理工学院读完博士后回国,主要做锅炉燃烧、火箭等离子等研究,在内燃机领域的成果也很杰出。他说,学内燃机专业的人可以做各种事,因为对内燃机专业的学习,将使人的知识变得更加丰富和全面,思维更加综合和系统。

    此外,内燃机在原理上极富哲学性,充满了对立统一和平衡制约。比如燃烧过程控制就是在寻找对立和统一的平衡点,不同因素互相约束,唯有整体控制才能解决问题。

     

    赵福全:对内燃机专业的学习不仅是产业的需要,对人自身来说也是很好的基本训练,让人更聪明,学会系统思考问题,学会运用哲学思维。

    苏万华:这不是我随便说的,你看所有的内燃机教授、工程师和研究生,特别是研究燃烧过程的学者,他们都觉得其乐无穷,因为在其中可以发现很多乐趣,他们的工作不是迫于压力和挑战,而是基于追求和兴趣,是为了探索新规律和寻找新办法而努力。

     

    赵福全:苏院士一生致力于内燃机领域的科研和教育工作,作为中国工程院的院士,不断为产业发展贡献着知识和力量。通过今天的交流,我们知道,内燃机是一项身经百战的技术,走到今天经历了无数挑战,始终都能不断完善和持续进步。未来,内燃机还有巨大的潜力可挖,无论是在提升自身热效率方面,还是在借助其他技术实现共同进步方面。

    从全生命周期的角度来看,内燃机在低碳方面其实并不一定处于劣势,当然在车辆使用阶段,内燃机确实有油耗和排放。最终要解决人类的低碳发展问题,必须从全生命周期出发进行全方位思考,充分挖掘内燃机的巨大潜力。

    内燃机经过一百多年的发展,已经相当成熟。虽然目前电动车的快速进步给内燃机带来了挑战,但通过和苏院士的交流,我们了解到,一方面现在内燃机已经不是过去的内燃机,早已脱胎换骨、老树开新花了。另一方面,内燃机优化与电动化路线在本质上并不矛盾,而是互为补充。内燃机完全可以接纳电动技术的进步来实现自我提升,即内燃机和电池、电机组合,构成不同形式和程度的混合动力技术。内燃机借助电池、电机的发展,也可以把自己的优点发挥得更加极致。

    如果说电动车是未来,那么内燃机就是当下,企业既要在生存中求发展,也要在发展中求生存。内燃机是影响巨大的产业,在国民经济中有着举足轻重的地位,其重要性超乎我们的想象。国家应该从系统和全方位的战略高度来看待内燃机产业的机遇与挑战;企业家要用自己的聪明才智做出正确的选择,做好眼前,同时储备未来;年轻的学生们应该看到,内燃机还有很大的发展空间,很多的就业机会,并且学习内燃机可以让自己的头脑更聪明,更懂得以哲学的辩证思维来看待各种技术进步与发展的关系。

    今天我也是第一次听到苏院士讲,内燃机是有生命的,既能呼吸,又能消化。并且这个生命体一直在不断地自我进化,不断提升自己,解决了一个又一个技术难题,始终保持着旺盛的生命力。

    谢谢苏院士的精彩分享,也希望大家听了今天的对话,能够更客观地看待内燃机产业面临的挑战与机遇。大家一起努力,不断挖掘内燃机的潜力,让我们的生活变得更美好。


    本文原载于凤凰汽车网



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