曹湘洪

（中國石油化工集團(tuán)有限公司，北京 100127）

一、新能源汽車開啟了汽車動力革命的大幕

（一）電動車“井噴式”發(fā)展

近年來，為降低CO2排放和改善空氣質(zhì)量，世界上一些國家出臺政策推動電動車快速發(fā)展，少數(shù)國家通過提出禁售內(nèi)燃機(jī)汽車時間表倒逼新能源汽車發(fā)展，荷蘭、挪威計劃禁售時間為2025年，法國計劃禁售時間為2040年，2018年我國海南省宣布2030年禁售燃油車。為了推動電動車的發(fā)展，我國實施高額財政補(bǔ)貼政策，個別城市還采用有別于內(nèi)燃機(jī)汽車的購買和行駛政策，2018年財政補(bǔ)貼退坡，又增加了“雙積分”政策。

據(jù)國際能源署統(tǒng)計[1]，2017年世界電動車保有量比2013年增加約1.5倍，接近311萬輛，銷售量增加約5.7倍，接近115萬輛；我國電動車保有量比2013年增加約38倍，達(dá)到122.6萬輛，銷售量增加約38倍，達(dá)到57.9萬輛，居世界電動車保有量和銷售量第1位。圖1、圖2分別給出了2013—2017年中國及世界電動車，包括純電動車和插電式混合動力車的保有量、銷售量趨勢圖，我國電動車呈“井噴式”發(fā)展趨勢。

（二）燃料電池車加入汽車動力革命

氫燃料電池車是未來汽車低碳化發(fā)展的重要方向，正在步入市場導(dǎo)入階段并開始加入汽車動力革命。從20世紀(jì)80年代起，歐盟、美國、日本、韓國等已投入大量資金和人力研究氫燃料電池車，加拿大巴拉德公司，德國戴姆勒梅賽德斯奔馳汽車公司、寶馬集團(tuán)，日本本田株式會社、豐田汽車公司，美國通用汽車公司，韓國現(xiàn)代集團(tuán)等汽車公司研發(fā)的燃料電池車先后上路試運行。韓國現(xiàn)代集團(tuán)、日本豐田汽車公司、本田株式會社分別在2013年、2014年、2016年推出燃料電池乘用車并向市場發(fā)售。

我國中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、上海汽車集團(tuán)股份有限公司、北京福田汽車股份有限公司等科研院所、高校及汽車企業(yè)基本和世界同步開展了燃料電池車研究。提出到2030年，全國燃料電池車產(chǎn)銷量達(dá)到100萬輛、建設(shè)1000座加氫站。上海、北京、武漢、佛山、鹽城、如皋等地相繼開展燃料電池公交車、物流車的運行示范，多地正在建設(shè)氫能產(chǎn)業(yè)園。2013—2017年，全球總計售出8451輛氫燃料電池車[2]，其中中國售出1901輛，占比約為22.5%。國外氫燃料電池車以乘用車、大巴車為主，國內(nèi)以物流車和大巴車為主。

圖2 中國及世界電動車銷售量趨勢圖（2013—2017年）

二、 內(nèi)燃機(jī)汽車制造商與車用燃料供應(yīng)商積極應(yīng)對汽車動力革命

（一）最嚴(yán)內(nèi)燃機(jī)汽車排放限值標(biāo)準(zhǔn)頒布實施

2016年12月，我國公布了目前世界上最嚴(yán)格的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》自2020年7月1日起實施，國務(wù)院發(fā)布文件要求從2019年7月開始在重點區(qū)域、珠江三角洲和成渝地區(qū)執(zhí)行國6a標(biāo)準(zhǔn)。汽車制造商積極研發(fā)滿足國6限值的內(nèi)燃機(jī)，已有65家企業(yè)公布了1216個車型可達(dá)到國6b排放限值。

表1和表2列出了國1～國6和歐I～歐VI汽油車和柴油車的污染物排放限值，中國內(nèi)燃機(jī)汽車排放限值處于世界最嚴(yán)序列。

（二）車用油品質(zhì)量已跨入世界先進(jìn)序列

車用汽油、柴油質(zhì)量升級是降低內(nèi)燃機(jī)汽車污染物排放的重要措施。我國用19年時間，完成從生產(chǎn)含鉛汽油到執(zhí)行國6a標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量升級之路。2016年發(fā)布了第6階段車用汽、柴油標(biāo)準(zhǔn)（GB17930—2016和GB19147—2016），其中汽油標(biāo)準(zhǔn)分為6a和6b兩個階段，要求2019年1月1日全國執(zhí)行6a標(biāo)準(zhǔn)，2023年1月1日全國執(zhí)行6b標(biāo)準(zhǔn)。我國第6階段車用汽、柴油的主要指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了歐洲現(xiàn)階段車用汽、柴油標(biāo)準(zhǔn)水平，部分指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)行的歐盟、美國和日本標(biāo)準(zhǔn)，詳見表3、表4。

表1 國1～國6和對應(yīng)的歐I～歐VI汽油車污染物排放限值

（三）內(nèi)燃機(jī)技術(shù)已經(jīng)并將繼續(xù)進(jìn)步

提高發(fā)動機(jī)熱效率是內(nèi)燃機(jī)汽車降低油耗實現(xiàn)低污染排放的主要措施。在世界范圍內(nèi)先進(jìn)燃燒、高增壓和小型強(qiáng)化、多變量多系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)智能控制、余熱回收、智能停缸、工質(zhì)移缸、缸內(nèi)噴水等技術(shù)的開發(fā)不斷取得進(jìn)展，有的已經(jīng)成功應(yīng)用。熱效率為41%的汽油機(jī)已量產(chǎn)，在實驗室汽油機(jī)峰值熱效率已達(dá)到51%以上，柴油機(jī)的峰值熱效率達(dá)到55%以上[3～5]；在我國應(yīng)用自主開發(fā)的多脈沖燃油噴射高混合率技術(shù)，熱效率達(dá)到45.5%，排放滿足國6b限值的柴油機(jī)已在企業(yè)應(yīng)用；濰柴集團(tuán)在2018年汽車強(qiáng)國論壇上宣布，熱效率超過50%的柴油車在2020年量產(chǎn)并推向市場，國際內(nèi)燃機(jī)界把有效熱效率達(dá)到60%作為奮斗目標(biāo)。

油電混合動力汽車（HEV）是未來內(nèi)燃機(jī)汽車轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。HEV以汽油或柴油為燃料，在不同工況下分別或共同使用內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)驅(qū)動，使內(nèi)燃機(jī)始終在最高效率區(qū)運行，還能回收減速和制動時的能量，降低油耗和有害物排放可在30%以上[6]。圖3是根據(jù)豐田汽車HEV達(dá)到的排放限值繪制的與歐V和國6b排放限值的比較圖，由圖3可見HEV主要污染物排放遠(yuǎn)低于國6b和歐V排放限值。HEV車不改變消費者使用習(xí)慣，不涉及充電問題，可充分利用已有煉油能力和基礎(chǔ)設(shè)施，不增加社會投資和凝結(jié)在社會投資中的碳排放，是在汽車動力革命過程中最容易達(dá)到污染物和碳減排效果且符合中國國情的選擇。

表2 國1～國6和對應(yīng)的歐I～歐VI柴油車污染物排放限值

表3 我國第六階段車用汽油標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)與歐盟、美國、日本現(xiàn)行指標(biāo)的比較

表4 我國第6階段車用柴油標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)與歐盟、美國、日本現(xiàn)行指標(biāo)的比較

三、 我國汽車動力多元化進(jìn)程中的油品消費趨勢

（一）新能源汽車優(yōu)勢劣勢并存，全面替代內(nèi)燃機(jī)汽車尚需時日

電動車的首要優(yōu)勢是在使用過程中無碳排放和無污染排放，但在全壽命周期內(nèi)，電動車CO2排放量與所在國家發(fā)電能源結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[7]，化石能源發(fā)電占比超過50%的國家，純電動車與內(nèi)燃機(jī)車相比CO2排放量不具備明顯優(yōu)勢；化石能源發(fā)電占比超過80%的國家，純電動車CO2排放量高于內(nèi)燃機(jī)車。日本東京大學(xué)的研究認(rèn)為，按日本的電力結(jié)構(gòu)純電動車全壽命周期的NOX、PM、SOX等污染物排放高于汽油車。電動車由于整備質(zhì)量高于同載重質(zhì)量內(nèi)燃機(jī)汽車約30%，在其行駛過程中的車輪及道路摩擦產(chǎn)生的PM排放會高于內(nèi)燃機(jī)汽車，總的PM10、PM2.5排放并不比內(nèi)燃機(jī)汽車低[8]。按我國超超臨界發(fā)電的煤耗指標(biāo)計算，電動轎車行駛過程中的百公里CO2排放和百公里油耗與7.15 L的汽油轎車相當(dāng)，目前先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)及HEV轎車的百公里油耗已顯著低于7.15 L（見圖4）。

圖3 HEV汽車污染物排放示意圖

中國發(fā)展電動車，鋰、鈷等電池材料很高的對外依存度將形成新的資源安全風(fēng)險，目前我國制造電池用的鋰和鈷的對外依存度分別超過70%和80%。近三年，世界鋰、鈷價格隨著電動車發(fā)展呈暴漲趨勢，繼續(xù)快速增長的電動車產(chǎn)量將會進(jìn)一步推高鋰、鈷的價格，可能將電動車成本推高到難以承受的地步。我國電動車保有量的增長還將帶來廢舊電池量的增長，據(jù)測算到2020年我國報廢的電池將達(dá)到1.7×105t左右，但是到目前為止電池回收利用尚無成熟可靠、對環(huán)境污染小的技術(shù)[9,10]。電動車采用快充技術(shù)，雖然可以減少充電的煩惱，但對變配電系統(tǒng)和電網(wǎng)的平穩(wěn)運行沖擊大。我國人口居住集中，城市及一批新型城鎮(zhèn)居民住宅大多是多層建筑，導(dǎo)致充電樁建設(shè)難度很大，這是制約我國電動車推廣不可忽視的因素。

燃料電池車的發(fā)展主要受到制造成本、電池耐久性和可靠性等因素制約。中國燃料電池發(fā)展滯后于世界先進(jìn)水平[3]，如催化劑、質(zhì)子交換膜、碳布/紙、膜電極、密封劑、雙極板等燃料電池關(guān)鍵材料主要依靠進(jìn)口，尚不具備完整的燃料電池電堆產(chǎn)業(yè)鏈；電池主要性能低于國際先進(jìn)水平，其中壽命低約40%，催化劑鉑載量高約5倍，造成電堆功率密度低，生產(chǎn)成本高；70 MPa儲氫瓶及配套的設(shè)備、閥門產(chǎn)業(yè)化缺少技術(shù)支持。

電動車、氫燃料電池車等新能源汽車在短期內(nèi)不可能全面替代內(nèi)燃機(jī)汽車。

（二）汽車動力多元化是主趨勢，內(nèi)燃機(jī)動力仍會占有主體地位

面對汽車動力革命，國際知名汽車生產(chǎn)企業(yè)、石油開采和油品生產(chǎn)企業(yè)、能源或金融研究機(jī)構(gòu)都在持續(xù)研究汽車動力革命的進(jìn)程，思考應(yīng)對這場汽車動力革命。圖5給出了不同研究機(jī)構(gòu)對電動車在2020—2040年發(fā)展趨勢的預(yù)測，但是研究的結(jié)論存在較大差別。

圖4 電動車與汽油車全生命周期污染物排放對比

混合動力、插電式混合動力、燃料電池和純電動車技術(shù)各有優(yōu)勢，如圖6所示，將根據(jù)技術(shù)特點發(fā)揮各自的優(yōu)勢并占據(jù)相應(yīng)市場。未來，混合動力、純電動和燃料電池車的產(chǎn)銷量及市場保有量會逐步增長，但是內(nèi)燃機(jī)動力仍會占據(jù)主導(dǎo)地位。

（三）我國車用燃料消費趨勢與消費結(jié)構(gòu)預(yù)測

2018年我國千人汽車保有量為173輛，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家千人汽車保有量500～800輛的水平。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車保有量將持續(xù)增長，從國情出發(fā)我國大力發(fā)展城際高速鐵路和城鎮(zhèn)公共交通，千人汽車保有量不會達(dá)到發(fā)達(dá)國家水平。預(yù)計2020年、2030年將分別達(dá)到2.6億～2.8億輛和3.8億～4.0億輛，2040年前后將達(dá)到4.8億～5.0億輛的峰值，全國千人汽車保有量的平均峰值在350輛左右。2018年，中國汽車保有量為2.4億輛，新能源汽車保有量占汽車總保有量的1.09%，今后，電動車、燃料電池車等新能源汽車的保有量會逐步增長。內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)步、油電混合動力汽車和新能源汽車的發(fā)展會影響車用燃料的消費，預(yù)計到2030年，新能源汽車不會明顯影響液體燃料的消費；到2040年，90%的汽車動力仍將依靠液體燃料；到2050年，汽車動力對液體燃料的依賴程度還會在60%以上。

圖7給出了2005—2017年我國車用燃料消費結(jié)構(gòu)變化情況，柴油消費從2005年到2015年快速增長，2015年達(dá)到峰值1.73×108t/a，2016年至今進(jìn)入峰值平臺期。汽油消費還在穩(wěn)定增長中，預(yù)計汽油消費量在2025年前后會達(dá)到1.70×108t左右的峰值。

圖5 不同研究單位對電動車發(fā)展趨勢的預(yù)測

圖6 各類汽車動力評價圖

圖7 2005—2017年我國車用燃料消費結(jié)構(gòu)變化

四、推進(jìn)煉油、汽車行業(yè)協(xié)同發(fā)展建議

（一）開展分子水平的內(nèi)燃機(jī)中燃料燃燒機(jī)理研究

內(nèi)燃機(jī)是燃料與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能經(jīng)由熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的復(fù)雜反應(yīng)器，燃料在反應(yīng)器中的質(zhì)量和能量傳遞需要在瞬間高速、高效完成，實現(xiàn)燃料充分燃燒，將化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，降低生成CO、THC、PM及積碳等副反應(yīng)。研究內(nèi)燃機(jī)中燃料的燃燒機(jī)理是優(yōu)化燃料組成及創(chuàng)新內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)、控制反應(yīng)路徑、防止爆震早燃等非正常燃燒、提高內(nèi)燃機(jī)熱效率、實現(xiàn)低碳低污染排放、開發(fā)新一代內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)性工作。

汽油、柴油的組成非常復(fù)雜，汽油主要由5～11個碳原子的烴分子組成，有正構(gòu)烴、異構(gòu)烴、環(huán)烷烴、短側(cè)鏈單環(huán)芳烴等360多種烴分子。柴油主要由12～20個碳原子的烴分子組成，有正構(gòu)烴、異構(gòu)烴、長側(cè)鏈環(huán)烷烴、長側(cè)鏈單環(huán)芳烴、雙環(huán)芳烴、三環(huán)芳烴，烴分子更多。燃油進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸后，要在極短的時間內(nèi)完全氣化并和空氣均勻混合，不同烴分子的沸點、閃點、氣化熱、燃燒熱各不相同，會存在氣化速度與氧混合速度的差異，不同烴分子和氧發(fā)生燃燒反應(yīng)的歷程也不同。

以汽油和柴油組成分子水平解析和表征研究的成果為基礎(chǔ)，從分子水平開展汽柴油在內(nèi)燃機(jī)中的燃燒機(jī)理研究，從分子水平認(rèn)識燃燒過程，既可以從理論上指導(dǎo)清潔高效內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)，也可以獲得確保內(nèi)燃機(jī)清潔高效的燃料烴分子結(jié)構(gòu)和組成信息，從理論上指導(dǎo)燃油組成和餾程的優(yōu)化，靶向推進(jìn)分子煉油理論和技術(shù)的進(jìn)步。

（二）研究車用燃料組成與顆粒物排放關(guān)聯(lián)模型

顆粒物排放限值是汽車排放標(biāo)準(zhǔn)升級的核心指標(biāo)，第六階段排放限值要求顆粒物粒子數(shù)量（PN）為6×1011#/km，燃料組成是影響顆粒物質(zhì)量（PM）排放的重要因素。本田汽車公司的PM指數(shù)，從模型角度預(yù)測燃油組成對顆粒排放趨勢的影響，模型的正確性和科學(xué)性已被多個車油研究項目和小型專項試驗驗證。為了指導(dǎo)油品組成優(yōu)化，開發(fā)了簡化PM指數(shù)模型，將PM指數(shù)和餾程參數(shù)關(guān)聯(lián)并實現(xiàn)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，豐田汽車等車企基于大量研究提出汽油標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)引入T70限值，而歐洲車企提出引入T90限值。

重芳烴含量對顆粒物排放影響顯著，通過餾程指標(biāo)限值控制PM指數(shù)的本質(zhì)是控制汽油中的重芳烴含量。我國油品生產(chǎn)企業(yè)要和汽車企業(yè)合作，借鑒國外的研究成果，開展燃料組成與PM的關(guān)系研究和簡化模型開發(fā)，為制定我國國7車用油品標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

（三）開發(fā)高品質(zhì)燃料

面向未來的車用燃油既要求清潔化，支持內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)近零排放（不對大氣環(huán)境有負(fù)面影響），還要支持內(nèi)燃機(jī)提高效率，降低油耗，減少碳排放。根據(jù)目前的認(rèn)識，要求車用汽油不含碳九以上芳烴，提高RON值；考慮車輛啟動性、驅(qū)動性、蒸發(fā)排放等需求，要求車用汽油飽和蒸汽壓執(zhí)行地區(qū)/季節(jié)分區(qū)控制；要求車用柴油多環(huán)芳烴含量更低。

未來，煉油行業(yè)要注重優(yōu)化總加工流程提升油品質(zhì)量，同時開發(fā)、生產(chǎn)高品質(zhì)車用燃料。一是要致力于提高汽油RON值，盡快取消89號、92號，逐步減少95號，增供98號以上的汽油；二是要優(yōu)化汽油餾程，將T50從110 ℃降低到105 ℃以下，增設(shè)T70或T90限值指標(biāo)；三是要將柴油中的多環(huán)芳烴從7v%降低到更低水平。國外一個知名車企提出支持汽油提高效率的關(guān)鍵是要提高汽油的RON，不必設(shè)定MON的強(qiáng)制指標(biāo)；汽油中的烯烴有利于提高RON，限值指標(biāo)可以適當(dāng)放寬，不必追求過低限值。他們的新研究突破了傳統(tǒng)認(rèn)識，一時可能很難被國內(nèi)接受。我國要按清潔高效的要求，深入開展汽油RON、烯烴、芳烴含量對尾氣排放和內(nèi)燃機(jī)效率的影響研究，為科學(xué)制定新的汽油標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

（四）開發(fā)新規(guī)格燃料

以有效熱效率60%為目標(biāo)，內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域正在積極開發(fā)汽油壓縮燃燒（GCI）、雙燃料反應(yīng)活性控制著火燃燒（RCCI）、汽油/柴油雙燃料高效預(yù)混合低溫燃燒（HPCC）、均質(zhì)充量壓燃（HCCI）著火燃燒、適度和較高分層的壓燃燃燒（GDCI）等先進(jìn)燃燒技術(shù)[4]，先進(jìn)燃燒技術(shù)應(yīng)配套以新規(guī)格燃料。如Gautown Kalghatgi等開展汽油壓縮燃燒研究，提出了新規(guī)格燃料指標(biāo)[11,12]，見表5。為了壓縮燃燒內(nèi)燃機(jī)的量產(chǎn)和推廣，需要煉油行業(yè)和汽車行業(yè)緊密配合，共同深入研究壓縮燃燒內(nèi)燃機(jī)需要的油品的組成、餾程及其他質(zhì)量指標(biāo)對效率和排放的影響，建立新的燃料標(biāo)準(zhǔn)。從已有的研究結(jié)果看，隨著汽油壓縮燃燒內(nèi)燃機(jī)的量產(chǎn)與推廣，低辛烷值油品的消費增加，可支持煉油廠為現(xiàn)有汽油機(jī)提供更多RON值在98以上的汽油。

面向新型內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)，煉油行業(yè)要和汽車行業(yè)共同組成內(nèi)燃機(jī)燃燒新技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊，主動承接新規(guī)格燃料的研制開發(fā)任務(wù)，及時將研制開發(fā)的新燃料標(biāo)準(zhǔn)化。煉油行業(yè)要同步開展生產(chǎn)新規(guī)格燃料的石油煉制工藝開發(fā)和總流程優(yōu)化研究，為生產(chǎn)適應(yīng)新技術(shù)要求的燃料做好準(zhǔn)備。

（五）開發(fā)高檔潤滑油

降低發(fā)動機(jī)油耗，除提高燃燒效率外，還需要降低摩擦損失。煉油行業(yè)要配合高效內(nèi)燃機(jī)運動部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)材料表面的改性，做好配套的潤滑油基礎(chǔ)油和添加劑的技術(shù)開發(fā)。車用高檔潤滑油消費增長已成為我國高檔潤滑油消費增長的主要推動力，隨著高效低排放內(nèi)燃機(jī)汽車的增加，煉油企業(yè)要加快潤滑油品種結(jié)構(gòu)調(diào)整，增產(chǎn)高檔內(nèi)燃機(jī)潤滑油。

表5 GCI使用的新燃料主要性能指標(biāo)

五、結(jié)語

電動車、氫燃料電池車等新能源車的發(fā)展開啟了汽車動力革命的大幕，汽車動力開始進(jìn)入多元化的時代。受技術(shù)、資源和市場等多種因素制約，電動車、燃料電池車的發(fā)展是一個漸進(jìn)的長期的過程。內(nèi)燃機(jī)的熱效率還有很大的提升空間，采用高效內(nèi)燃機(jī)的油電混合動力汽車可大幅度降低污染物和碳排放，是符合我國國情的重要汽車動力。在今后幾十年內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)動力仍會占據(jù)汽車動力主體地位，到2050年汽車動力對液體燃料的依賴程度仍會在60%以上。我國柴油消費已進(jìn)入峰值平臺期，預(yù)計汽油消費在2025年達(dá)到峰值。為適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)汽車清潔高效的要求，要積極推進(jìn)煉油行業(yè)與汽車行業(yè)的協(xié)同發(fā)展，開發(fā)并生產(chǎn)高品質(zhì)車用燃料和潤滑油，要配合新型內(nèi)燃機(jī)研究開發(fā)與量產(chǎn)，開發(fā)和生產(chǎn)新規(guī)格燃料。