現代科學揭示了宇宙中能量質量守恒的自然規律,也就是說宇宙中能量一直是存在的并且不會滅亡。人類在學會利用各種不同形式的能量以滿足自身的存在發展需求後,才有了能源的概念——能源,就是可提供人類需求能量的物質。

人類需求的能量的形式主要有熱能、機械能、電能和光能,這幾種能量在使用時,都是要轉變為其他形式的能量而消耗的。因為熱力學第二定律的限制,它們最終必然消耗為環境溫度狀态下的熱能,所以需要從多種長期穩定存在的能源物質中,将能源制造出來。

最早被人類利用的能源就是能夠燃燒的木材和幫助人幹體力活的家畜了。木材燃燒,将其化學能轉變為熱能,使人可以取暖禦寒、煮飯炒菜,所以勞動者掙的工資叫作“薪水”。牲畜要吃植物,利用植物的化學能成長身體、産生力量。

随着人類社會的不斷發展,人們發現了更多的利用能源的方式。流動的河水可以用來驅動機械和發電機,不時刮起的大風可以用來驅動帆船行駛,地下挖出的煤炭石油和天然氣可以産生比木材更多的熱量,穩定的電力可以提供人們無窮無盡的新發明。于是人類社會以國家為單位開始逐步實現現代化了,現代化的标志之一就是耗費大量能源的現代農業和現代工業的全面建成。

生産力的現代化是建立在大量能源需求的基礎之上的,這些能源主要依靠的是煤炭、石油、天然氣這些化石燃料。水能、地熱能、核裂變能等,目前還沒有能夠成為一次能源的主力。非常幸運的是,地球上這些化石燃料似乎還能夠供養人類很長時間。

這些50多年前就已經大量有效使用的一次能源,包括化石燃料、水能、核裂變反應堆等,現在被稱為傳統能源了。而近幾十年才開始或有望大量有效使用的一次能源,如光伏發電場、大型風力電場、生物質燃料、光能制氫氣、核聚變反應堆等就被稱為新能源。

新能源有時也指某個特殊領域中傳統上不大使用的某些能源形式,例如汽車領域的新能源就包括電能。但實際上電動汽車比燃油汽車誕生的更早,隻是因為那時的電動汽車商品性能遠不如後來誕生的内燃機汽車,而被市場擱置了近一百年。

各種能量形式中,電能是人類使用最方便的能量形式,化學能和核能是自然界存儲運輸最方便的能量形式,而熱能是利用化學能和核能的最方便的中間能量形式。這裡,熱力發動機是人類的一個關鍵創造,任何燃料和核反應堆的能量,都可以通過熱力發動機實現其能量向電能或者機械能的高效轉換。熱力學為我們指明了用熱力發動機高效方便地從化學能和核能生産電力和動力的方向,也明确了燃燒将燃料化學能轉變為熱能,再把熱能轉變為機械能或者電能的熱轉換效率天花闆,即循環工作的熱力發動機,其最高熱效率取決于高溫熱源與低溫熱源的絕對溫度差,即卡諾循環的熱效率。

熱力學使我們認識到熱能與其他能量本質上的不同。隻有來自于高溫熱源的熱能才能夠部分地轉換為機械能,其餘部分必然進入低溫熱源而再不能被熱力發動機所利用。正因如此,能夠直接把燃料的化學能轉換為電能的燃料電池就成為更加理想的原動機。但遺憾的是,對燃料純度的苛刻要求、質子膜和電極活性等技術難點,使高效的燃料電池的實用化仍然遙遙無期。

目前,所有熱力發動機中,内燃機是能夠實現最高熱效率并且功率密度最高、功率範圍最廣、啟動最方便快捷、負荷調節最方便的發動機。因此,内燃機才成為了汽車、摩托車、輪船、飛機、發電機組、工程機械、農林機械、軍事裝備等衆多領域的主要動力。内燃機可以采用多種多樣的燃料,隻是為了更加适應用戶的需求和出于環境保護目的的排放法規,現在市場上主要存在的僅有汽油機和柴油機了。實際上天然氣内燃機、氫氣内燃機等都是可以批量市場推廣的。

近年來,由于環境污染和全球變暖問題被不斷熱炒,内燃機似乎成為了環境污染和氣候變暖問題的罪魁禍首之一,但實際上,這完全是一種誤解。

内燃機燃燒過程,确實會産生有害的污染環境的廢氣。但,經過科學家和技術人員的不斷努力,當前内燃機的燃燒可以說是所有燃燒現象中最為幹淨的燃燒。其有害污染物的排放濃度遠低于鍋爐燃燒、炊具燃燒和取暖爐的燃燒,更不用說山火、垃圾堆等的非受控燃燒。符合國六标準的汽車排氣,其有害物質已經降到了20年前中國汽車排放的百分之幾。除啟動後短時間的冷車階段以外,汽車尾氣的幹淨程度已經接近正常幹淨的空氣。這樣的低排放汽車,主要的技術手段就是尾氣後處理技術,即在發動機排氣管上安裝的尾氣後處理系統。它使用各種有效的催化及鋪集技術,将排氣中的有害物質如一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物和排煙顆粒物,高效率去除,去除效率一般在90%以上。

由于排氣成分的不同,汽油機和柴油機的尾氣後處理裝置有一些差異。汽油機排氣經過燃燒系統的精密控制,其燃燒空燃比(氣缸内空氣質量與燃油質量之比)被精确地控制在理論當量比,因此排氣中多餘的氧氣很少。因此,汽油機尾氣後處理采用了以貴金屬為主要催化劑的三元催化器,可以同時高效處理一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物三類有害物質。而柴油機燃燒是在總體空燃比遠大于理論當量比的條件下進行的,因此排氣中的氧氣濃度依然很高,貴金屬催化劑就隻能起到氧化催化器的作用,也就是隻能高效處理一氧化碳、碳氫化合物,而對氮氧化物沒有作用。因此柴油機就要再采用一個催化器——選擇性還原催化器SCR,用以專門高效處理氮氧化物。SCR系統需要精确當量的專門的還原劑氨氣,因此需要一個還原劑計量供給系統,如車用尿素液計量系統,将尿素水溶液精确計量、霧化噴入排氣管,利用高溫排氣的熱量熱解尿素,生成還原劑氨氣,再經過SCR催化器,将氮氧化物高效還原成無害的氮氣和水蒸氣。

幾乎任何燃料的燃燒過程都可能形成煙霧,原因在于很難避免局部的燃料過濃燃燒。氧氣不足、燃料過濃時的燃燒會生成一些高氣化點的物質,它們在排氣中就以固态及液态顆粒物的形式排到大氣中,或粘附到所接觸到的固體表面。顆粒物成分複雜,同樣屬于非常有害的排放物質。依靠一種非常細密的過濾裝置,就能夠過濾掉90%以上發動機的顆粒物排放,使發動機排煙徹底無法用肉眼看到了。

這就是國六汽車後處理系統中的GPF和DPF裝置。用于汽油機的,英文簡稱為GPF,即汽油機顆粒物過濾器;用于柴油機的,英文簡稱為叫DPF,即柴油機顆粒物過濾器。兩者本質上是一樣的,都是用能夠耐高溫的蜂窩陶瓷材料制成。其中有大量的細密微孔過濾通道,排氣通過陶瓷壁時,顆粒物被過濾掉,因此叫壁流式陶瓷過濾器。被過濾的顆粒物會在蜂窩陶瓷内部聚集,必須被高溫氧氣氧化成氣體,才能夠保持過濾器的通透性,這就是過濾器的再生。

再生分為被動式再生和主動式再生。被動式再生,要取決于排氣平均狀态是否能夠維持再生燃燒顆粒物的速度大于顆粒物的累積速度,對于工況基本處于高溫排氣狀态的汽油機和某些應用場景的柴油機,被動再生是完全能夠達成平衡的。但對于大多數柴油機來說,常用工況無法維持顆粒物過濾器被動再生平衡,因此就必須有主動再生系統,一般是車載的一種自動或可外部強制啟動的短時間高溫排氣生成系統;例如噴射不做功的燃油形成高濃度碳氫燃氣,再經過氧化催化器DOC燃燒,使進入DPF的排氣溫度達到550°C以上,從而引燃累積的顆粒物使其燃燒掉。

發動機尾氣後處理技術,近年來國内外同步快速發展。因為中國汽車國六排放法規是目前世界涉及面最廣、最嚴格的汽車排放法規,在它的強力推動下,中外同行共同努力,已經讓國産汽車及發動機水平趕上了世界先進水平。無錫恒和環保作為國内後處理産品主要供應商之一,依靠完全自主開發的世界獨有的尿素計量噴射技術,以及先進的後處理系統集成技術,在國内柴油機後處理市場占有率達到10%以上,助力恒和客戶的國五國六以及非道路國四柴油機産品技術處于行業領先地位。有了尾氣後處理技術的不斷發展,現在的發動機排放問題可以說已經不是問題,發動機排放已經不會對我們的生活及環境帶來明顯的危害,中國的天空也将會和發達國家的一樣蔚藍清爽!

近年來,作為溫室氣體之一的二氧化碳排放問題成為熱點,很多人又把矛頭對準了汽車及内燃機。其實以汽車為主的我國交通行業的碳排放,隻占全國所有行業總碳排放的7%～10%。即使把内燃機從汽車中完全放棄,碳排放的問題解決也不到10%。作為人類自古以來賴以生存的能源,使用中幾乎沒有不排放二氧化碳的,當然排放當量是有差異的。如果以單位燃燒熱量計算碳排放,那麼,木材∶煤炭∶燃油∶天然氣=2.0∶2.1∶1.5∶1.0。故就碳排放而言,燃油處于燃氣和燃煤的平均水平,減少碳排放的核心是用其他能源替代燃煤。用天然氣替代燃煤,就可以減少碳排放一半以上,用燃油(如果足夠的話)替代燃煤,也可以減少碳排放30%。部分發達國家多年前實現了碳達峰,其原因就是采用了天然氣替代燃煤的戰略,而不是什麼新能源戰略。

目前人類社會發展遇到的最大瓶頸是能源問題,而不是什麼智能化、電動化問題,也不是二次能源新能源化(例如交通工具電動化等)的問題。而所謂的新能源技術,還看不到短期内解決問題的希望。溫室氣體是一個問題,但不是人類能夠完全控制的問題。完全無碳排放是不必要的也是不可能的,因為人和動物的呼吸就會排出不少二氧化碳,還有溫室氣體甲烷的排放大多數與人類活動無關。

如果我們完全放棄碳氫能源,那麼隻能寄希望于綠色發電和核電的全面普及。但不幸的是,綠氫一次能源地球上并不存在;風能綠電明顯不夠人類使用,單位成本也難以繼續降低;光伏綠電理論上有可能滿足人類社會現代化需求,但對土地和環境資源的影響風險未知,投資發展過程也需要很長時間。風電、光電還有一個緻命缺陷,就是靠天發電,穩定性無法保證,因此才有了儲能 綠電的解決方案,也是氫能源作為一種二次能源被部分人看好的根本原因。

确實,還有核電也不産生碳排放,但是現在的核裂變核能電站,排放及安全風險太大。而核聚變核電技術雖然研發了半個世紀以上,但依然看不見産業化的希望。因此,世界上很多國家激進的能源政策,是沒有科學原理和可行技術支持的烏托邦政策。在新能源技術和資源還無法确保現代化人類繼續發展的當今,就推出強制限制或者淘汰化石能源使用的政策法規,是要給人類社會帶來災難的。

其實,以光伏和聚變核能綠電為核心的新能源的發展過程,需要傳統碳氫能源的配合逐漸過渡,過渡時間應該是百年級别的長期過程,隻有這樣,能源這個瓶頸問題才不會限制人類社會的現代化。綠電面臨的最大問題——電力供應穩定性問題,理論上其實并不緻命。如果用傳統化石能源,特别是低碳的天然氣來作為應急調整能源,未來的能源使用就能夠做到很少的碳排放,現代化的進一步發展就不會導緻溫室氣體的過度排放。基于這樣的未來社會願景是:電動化将是所有動力的主流;以傳統燃料和綠氫燃料内燃機為輔助或備用電站動力,應該是綠色電網最佳組合方案;氫燃料電池/高效内燃機與電池構成的節能低排混合動力系統,與綠色電動協同發展。這可能是突破人類社會發展的能源瓶頸的最可行之路。

(作者為楊延相，無錫恒和環保科技有限公司董事長、天津大學内燃機研究所教授)

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