■本报记者 沈春蕾

编者按

党的二十届三中全会提出，当前和今后一个时期是以中国式现代化全面推进强国建设、民族复兴伟业的关键时期。中国科协科普部特邀院士专家，畅谈科技强国。本期“科普话强国”栏目，带领读者走近清华大学车辆与运载学院教授帅石金团队，探寻内燃机零碳排放技术如何推动交通动力的低碳转型。

中国2020年郑重承诺“双碳”目标，即力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。2019年，中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》提出，推广新能源、清洁能源、智能化、数字化、轻量化、环保型交通装备及成套技术装备。

近年来，随着能源开采、转化技术和节能技术的快速发展，全球能源供需矛盾缓解，使得能源绿色低碳战略转型成为可能。清华大学车辆与运载学院教授帅石金认为，当前车用能源与动力呈多元化、低碳化和零碳化发展趋势，可以满足未来严格的汽车节能和排放法规要求。

如今，市场上主流的汽车动力可以分为纯内燃动力、纯电动力、燃料电池动力和混合动力。帅石金指出，纯电动力虽然在使用端是零碳排放，但还要看能源供给侧，即观察全生命周期的碳排放，比如需要将制造开采过程中的碳排放都考虑进去，并综合考虑经济、社会和环境效应等。

“目前纯电动乘用车在中国发展比较好，介于纯内燃车和纯电动车之间的就是混合动力车。”帅石金向《中国科学报》介绍，混合动力有两种，即油电和插电。

其中，油电混合动力车（HEV）在国外发展很好。业内人士称，中国乘用车不能放弃油电，因为其节能效果明显，对生活在没有充电基础设施的地区或寒冷地区的人来说，油电车是一种非常好的选择。插电式混合动力车（PHEV）可油可电、以电为主，既可以纯电驱动，又可以内燃机直驱，还可以电机和内燃机共同驱动，适用于所有工况。而插电增程混合动力车（REEV）是纯电驱动，动力响应好，内燃机在亏电时给电机发电，无里程焦虑，适合在城市工况运行。

2019年到2024年，各种插电混合动力汽车在中国的市场份额不断上升。数据显示，2022年至2024年，我国REEV销量快速增长，每年占比分别为3.6%、6.8%、9.1%。

此外，不难发现，PHEV具有节能减排和使用便捷等综合优势，是满足未来乘用车严格法规要求的主流技术路线之一，也是交通碳达峰和低碳化的有效技术路线。“其中量产混动专用内燃机峰值有效热效率已经超过45%，未来采用稀燃以及碳中和燃料，节能和减碳潜力较大。”帅石金说。

他还指出，车用动力电动化符合未来交通的可持续发展，而氢燃料电池动力以及甲醇内燃机和氢燃料内燃机等也是重要的技术发展方向。

从2021年开始，帅石金一直思考“碳中和”内燃机该如何发展、存在哪些机遇和挑战。他认为，氢能是我国未来实现“碳中和”不可缺少的一环。

“氢可爱又可恨。”帅石金打比方道，可爱的是氢属于零碳燃料，可恨的是氢体积能量密度低、易燃、储运成本高。

氢能汽车续航里程较长、氢燃料加注快、零碳排放、环境友好。对于氢内燃机产业化，帅石金信心十足，并指出需要解决3个关键问题：一是解决氢直喷系统的耐久性问题，二是制定氢内燃机使用安全性标准，三是将氢内燃机安全和排放标准纳入现有车、船、航空等应用标准体系。

由于氢气存在制备成本高、运输储存不便以及易燃易爆等缺点，限制了快速普及，研究人员开始关注氨燃料内燃机。帅石金表示：“虽然氨燃料更容易存储和运输，但氨燃料一般需要其他燃料引燃，且氮氧化物排放较高，产业化技术攻关还有一段路要走。”

近年来，帅石金开始关注电制合成燃料（e-fuel）。e-fuel是将水电解生成的氢气和捕集的二氧化碳通过催化反应合成的一种液体碳氢氧，如甲醇或碳氢燃料。e-fuel合成使用的二氧化碳必须是生物制备过程或直接空气捕集的二氧化碳，这样制备的e-fuel才是碳中和或绿色燃料。当前最受关注的e-fuel是绿色甲醇，成本相对其他绿色碳氢燃料，如汽油、煤油和柴油等更低，会优先得到发展。

帅石金指出，内燃机要想长期生存下去，必须从源头解决碳排放问题，使用零碳或碳中和燃料是唯一选择。在“碳中和”共识下，中国的内燃机也在适应和拥抱新能源。内燃机在相当长的一段时间里是主导动力，未来的内燃机应该是零碳或碳中和内燃机，包括混合动力专用内燃机，这一转变是建设交通强国的必经之路。