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)燃機節(jié)能潛力的評估結(jié)果認為，發(fā)動機余熱能回收的節(jié)能潛力達60%以上。美國Argonne國家實驗室在分析了各類內(nèi)燃機的節(jié)能技術后認為，余熱能回收利用具有最大的節(jié)能潛力。作為全球最大的獨立發(fā)動機制造商，美國康明斯（Cummins）公司認為，通過余熱能的回收利用，到2015年可使內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)化效率達到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劃，其中發(fā)動機余熱能回收利用是該項目支持的主要關鍵技術。該項目投資中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。美國此項計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，從目前的進展來看，通過對內(nèi)燃機余熱能的梯級利用，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)燃機耗油為2.24億噸，因此通過對內(nèi)燃機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。

　　《科學時報》：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)燃機廢氣余熱的利用。美國能源部同時資助6個團隊進行汽車余熱利用研究，這6個團隊幾乎涵蓋了相關領域各大公司及國家實驗室，美國能源部的目標是通過余熱利用技術的應用使柴油機熱效率在10~15年后提升至60％。

　　在歐洲，英國帝國理工學院在展望內(nèi)燃機的發(fā)展趨勢時，將內(nèi)燃機廢熱能的利用作為到2050年的關鍵技術挑戰(zhàn)。法國在2007年啟動了heat2power計劃；瑞典3所一流大學Lund，Charlmes，KTH開展內(nèi)燃機余熱回收的聯(lián)合研究。日本文部省在2005年發(fā)布的第八次技術預見調(diào)查報告中，將內(nèi)燃機余熱能的利用列為未來30年技術發(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)也在爭相投入引領技術潮流。

　　德國寶馬公司已經(jīng)在1.8升四缸發(fā)動機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做功，試驗結(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。

　　日本本田公司通過高溫廢氣換熱產(chǎn)生高壓蒸汽，驅(qū)動膨脹機發(fā)電回收余熱，膨脹機最大可輸出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行了利用8級車用內(nèi)燃機余熱驅(qū)動有機朗肯循環(huán)發(fā)電的研究，目標是提高10％的燃油經(jīng)濟性。目前已經(jīng)完成了第一代樣機的設計制造和測試。

　　此外，美國卡特皮勒公司開發(fā)了固定式天然氣發(fā)動機的有機朗肯循環(huán)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)樣機使發(fā)動機系統(tǒng)的燃氣利用效率達到了47%。

　　對于空氣動力汽車而言，早在內(nèi)燃機發(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汽車公司是此項技術的代表。到2008年底，他們已經(jīng)設計制造出5種型號的壓縮空氣動力汽車，其發(fā)動機的功率從4馬力到75馬力。其中一款車型可達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、澳大利亞等國均進行過壓縮空氣動力汽車的研究。

　　《科學時報》：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”期間分別設置了兩個內(nèi)燃機“973”項目，這兩個項目都是由天津大學牽頭，主要進行內(nèi)燃機高效燃燒技術的研究。2010年科技部批準了天津大學內(nèi)燃機國家重點實驗室舒歌群教授牽頭申請的“973”項目“高效、節(jié)能、低碳內(nèi)燃機余熱能梯級利用基礎研究”，北京工業(yè)大學吳玉庭研究員做為其中課題二“內(nèi)燃機余熱能轉(zhuǎn)化熱力單元和材料性能強化設計和集成優(yōu)化的研究”的課題負責人。在“十一五”“863”中也設置了一個內(nèi)燃機廢氣余熱回收的預探索性專題課題，在該課題的支持下北京工業(yè)大學對內(nèi)燃機廢氣余熱回收開展了預探索研究，目前正在搭建實驗臺進行實驗驗證。氣動汽車方面，國家自然科學基金委和國家科技部設置了相應課題，浙江大學、北京工業(yè)大學、合肥工業(yè)大學開展了一些研究工作，取得了一定進展�？偟膩碚f，國內(nèi)對節(jié)能汽車的研究還剛剛起步，跟國外差距很大，因此非常有必要設置項目進行系統(tǒng)研究，以促進我國節(jié)能科學理論的發(fā)展。

　　內(nèi)燃機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、傳熱學、材料、機械和控制等多個學科以及這些學科的交叉是內(nèi)燃機余熱利用的理論基礎。只有掌握了這些關鍵科學技術，才能使系統(tǒng)總能利用效率顯著提高，回收成本進一步降低，進而才有可能推動其大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展，實現(xiàn)內(nèi)燃機余熱余壓的有效利用。

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

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