余浩 譚建勛 張志強 徐浩成

摘要：在我國碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)下，內(nèi)燃機(jī)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。但內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)碳減排仍然具有較大的潛力，短期內(nèi)，提高熱效率是內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵措施;中長期，使用零碳或碳中性燃料，內(nèi)燃機(jī)可實現(xiàn)零碳排放。提高內(nèi)燃機(jī)熱效率的關(guān)鍵技術(shù)包括先進(jìn)燃燒技術(shù)、智能可變技術(shù)、低摩擦技術(shù)。面向碳中和的新型燃料內(nèi)燃機(jī)包括氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)、氨燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)、生物質(zhì)燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)。內(nèi)燃機(jī)技術(shù)及燃料的不斷發(fā)展，將使得內(nèi)燃機(jī)獲得長久的生命力。

關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰;碳中和;內(nèi)燃機(jī);熱效率;零碳燃料;碳中性燃料

中圖分類號：TK406? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0181-02

0? 引言

CO2減排成為全球最為關(guān)注的議題，大部分國家宣稱到2050年前實現(xiàn)碳中和。2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上做出承諾，中國將采取更加有力的政策措施，CO2排放力爭于2030年前達(dá)峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。CO2是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的主要排放物，碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)愿景，對內(nèi)燃機(jī)行業(yè)提出了更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。對于內(nèi)燃機(jī)而言，短期內(nèi)，應(yīng)以提高熱效率（減碳）為目標(biāo)，中長期，應(yīng)以燃用零碳或碳中性燃料為目標(biāo)。

1? 提高內(nèi)燃機(jī)熱效率的關(guān)鍵技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)的熱效率相比于發(fā)明之初，已得到了大幅提高，汽油機(jī)最高有效熱效率可達(dá)到40%以上，柴油機(jī)最高有效熱效率可達(dá)到50%以上;但根據(jù)美國汽車研究理事會（USCAR）報告，活塞式內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)最大有效熱效率可以實現(xiàn)60%。若對內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行根本性改造，極限有效熱效率可實現(xiàn)85%?？梢钥闯鰞?nèi)燃機(jī)熱效率提高還有巨大的空間，下面對提高內(nèi)燃機(jī)熱效率的幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行概述。

1.1 先進(jìn)燃燒技術(shù)

提高內(nèi)燃機(jī)熱效率，燃燒技術(shù)的優(yōu)化是關(guān)鍵。未來的內(nèi)燃機(jī)必將吸收柴油機(jī)與汽油機(jī)各自的優(yōu)勢，向相互融合的方向發(fā)展。對于缸內(nèi)燃燒來說，都將往均質(zhì)化、稀薄燃燒這個方向發(fā)展。對于汽油機(jī)而言，稀薄燃燒已成為提高其熱效率公認(rèn)的必要手段，而高能點火可以提高汽油機(jī)的燃燒速度，是實現(xiàn)均質(zhì)稀薄燃燒的有效技術(shù)途徑。高能點火能夠有效拓寬汽油機(jī)均質(zhì)稀薄燃燒的空燃比極限，降低燃油消耗率同時降低NOx的缸內(nèi)排放。Wei[1]等人研究表明，點火能量主要影響初始火核的形成和早期火焰的形成，提高點火能量可以改善燃燒不穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，促進(jìn)熱效率提高。

對于柴油機(jī)而言，混合氣的均質(zhì)化是熱效率提高的重要手段。通過缸內(nèi)早噴柴油，贏得更多的混合時間，可促進(jìn)均質(zhì)混合氣形成，比較有代表性如豐田公司的UNIBUS（UniformBulky Combustion System）燃燒系統(tǒng)。通過缸內(nèi)晚噴柴油（活塞上止點之后噴射柴油），利用活塞下行階段缸內(nèi)溫度、壓力的降低，也可贏得更多的混合時間，比較有代表性的如Nissan的MK（Modulated Kinetics）燃燒系統(tǒng)。此外，利用汽油燃料的揮發(fā)性好，著火溫度高的特點，在高壓縮比的柴油機(jī)中直接壓燃汽油燃料，也是一種有利于均質(zhì)混合氣形成的有效手段，Hao[2]在一臺高低壓分開式循環(huán)、可變有效壓縮比、EGR的模型發(fā)動機(jī)上，采用LFEE協(xié)同控制策略展現(xiàn)了汽油稀燃均質(zhì)壓燃發(fā)動機(jī)實現(xiàn)高熱效率及超高熱效率的途徑。馬自達(dá)的第二代創(chuàng)馳藍(lán)天發(fā)動機(jī)SKYACTIV-X，其核心技術(shù)是采用火花塞點火控制的汽油壓燃（SPCCI）燃燒，可提高壓縮比及比熱比，相比于此前的SKYACTIV-G汽油機(jī)，燃油經(jīng)濟(jì)性提升了20%～30%。

1.2 智能可變技術(shù)

智能控制技術(shù)的發(fā)展，為內(nèi)燃機(jī)的精確控制、熱效率的優(yōu)化創(chuàng)造了條件?？勺儔嚎s比技術(shù)可以同步提高發(fā)動機(jī)的性能與效率，為降低能耗與控制排放提供有效手段?？勺儔嚎s比和可變氣門正時是調(diào)節(jié)有效壓縮比的兩種有效策略。Wittek等[3]設(shè)計并測試了多種壓縮比可變的發(fā)動機(jī)，結(jié)果表明使用可變壓縮比可提高火花點火發(fā)動機(jī)3%-8%的平均能量轉(zhuǎn)換效率。日本Nissan汽車公司于2017年實現(xiàn)了可變壓縮比技術(shù)在量產(chǎn)發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用，標(biāo)志著可變壓縮比技術(shù)在產(chǎn)業(yè)上日趨成熟。使用可變氣門驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以從功率密度、容積效率、排放以及油耗等方面顯著提升內(nèi)燃機(jī)性能。與傳統(tǒng)的基于凸輪的氣門傳動系統(tǒng)相比，液壓可變氣門驅(qū)動（HVVA）系統(tǒng)能夠為發(fā)動機(jī)氣門運動提供更大的自由度。Li等[4]通過HVVA策略對發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷進(jìn)行基于遺傳算法的優(yōu)化，可使發(fā)動機(jī)的有效燃油消耗率在運行工況范圍內(nèi)減少15.8%。乘用車的發(fā)動機(jī)在大部分時間（特別是在城市路況）處于部分負(fù)荷條件，此時關(guān)閉部分氣缸可以顯著降低泵氣損失，提高內(nèi)燃機(jī)效率，智能停缸技術(shù)也成為技術(shù)熱點，且還與其它熱效率提高方式（如發(fā)動機(jī)小型化與可變氣門驅(qū)動等）結(jié)合實現(xiàn)聯(lián)合優(yōu)化。

1.3 低摩擦技術(shù)

摩擦磨損問題影響發(fā)動機(jī)的能效，節(jié)能潤滑劑研究是內(nèi)燃機(jī)熱效率提高的重要方向之一。近年來，碳納米材料在摩擦學(xué)研究中的開發(fā)和應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，包括納米潤滑劑、自潤滑材料的制備和涂層的制備，以改善汽車磨損表面的減摩性能。由于納米顆粒的加入對流場產(chǎn)生擾動，可顯著提高潤滑油的換熱能力。Awang N[5]等人提出了一種新型納米纖維素（CNC）作為綠色添加劑提高潤滑劑的摩擦學(xué)性能。在不同的載荷、速度和溫度下以及潤滑油中，采用活塞-裙座摩擦磨損試驗機(jī)對不同濃度納米顆粒的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了測量。研究表明，CNC納米顆粒在機(jī)油中的混合可顯著降低潤滑油的粘度，從而改善機(jī)油的潤滑性能，提高內(nèi)燃機(jī)的性能和熱效率。

2? 面向碳中和的新型燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)

隨著國際社會對碳排放的關(guān)注，零碳燃料、碳中性燃料等新型燃料的使用為內(nèi)燃機(jī)的零碳化、零污染物排放的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件，相比于其它新型動力裝置，內(nèi)燃機(jī)可繼續(xù)發(fā)揮其可靠性高、產(chǎn)業(yè)成熟、應(yīng)用場景廣的優(yōu)勢。下面選取了幾種熱門的面向碳中和的內(nèi)燃機(jī)燃料進(jìn)行概述。

2.1 氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)

氫燃料由于不含碳，其燃燒產(chǎn)物只有水，被稱為零碳燃料;氫燃料又可以從其燃燒產(chǎn)物水分解制備，故也是可循環(huán)利用的清潔能源。氫能產(chǎn)業(yè)當(dāng)前受到各國的高度重視，被認(rèn)為是未來能源的重要發(fā)展方向。氫燃料電池發(fā)動機(jī)也被認(rèn)為是未來極具潛力的動力裝置，受到廣泛關(guān)注。容易被忽視的是，氫氣易于點燃，燃燒速度快，也可直接應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)燃燒，并且氫燃料內(nèi)燃機(jī)相對于燃料電池，對氫氣的純度要求更低，動力裝置可靠性更高，隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其熱效率也相差不大。孫柏剛團(tuán)隊[6-7]就氫燃料內(nèi)燃機(jī)展開了多方面的研究，研究了當(dāng)量燃空比、點火提前角和熱廢氣再循環(huán)對其NOx排放的影響和這些規(guī)律與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性;通過試驗驗證了利用富氧進(jìn)氣提高進(jìn)氣道噴射氫內(nèi)燃機(jī)功率的可行性;展示了氫燃料內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)的可行性。

2.2 氨燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)

與氫燃料相同，氨燃料也不含碳元素，完全燃燒只產(chǎn)生清潔無污染的水和氮氣，也屬于零碳燃料;且其含氫量高，目前已有廣泛使用的基礎(chǔ)設(shè)施，因此也被認(rèn)為是面向碳中和的理想的內(nèi)燃機(jī)燃料。氨燃料還具備常用燃料應(yīng)有的主要特點：廉價易得、易揮發(fā)、便于貯運、適當(dāng)?shù)娜紵旦p高辛烷值﹑操作相對安全、且可與一般燃料兼容等優(yōu)良特性。氨氣燃料發(fā)動機(jī)主要技術(shù)發(fā)展趨勢在于控制NOx排放，提高熱效率，采用混合燃料摻燒來調(diào)節(jié)其理化特性也是一種重要手段，同時氨氣燃料內(nèi)燃機(jī)在船舶上的應(yīng)用潛力更大。秦豪杰等[8]分析了不同摻氫比的氫氨混合燃料的理化性能和燃燒特性。實驗發(fā)現(xiàn)隨著摻氫比的增加，混合燃料的低熱值、理論空燃比及燃料總能量均減小，指示效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

2.3 生物質(zhì)燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)

生物質(zhì)燃料由于其生長過程會大量吸收CO2，因此從全生命周期角度看，屬于碳中性燃料，實現(xiàn)了碳的吸收和釋放，因此也是面向碳中和的理想燃料?？偨Y(jié)現(xiàn)階段柴油機(jī)使用生物柴油的研究現(xiàn)狀，可以看出適合于生物柴油的高壓共軌燃油系統(tǒng)、排氣后處理技術(shù)是未來生物柴油內(nèi)燃機(jī)研究的重要方向。各種醇醚類含氧燃料的研究也是未來內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)碳中和、近零排放的重要方向。黃震[9]等在一臺電控共軌發(fā)動機(jī)上研究乙醇摻混比例和噴射定時對二甲醚-乙醇混合燃料燃燒及排放特性，與純二甲醚燃料相比，乙醇混合比例增加使滯燃期延長，燃燒持續(xù)期縮短，最大壓升率增加，有助于熱效率提高。

3? 結(jié)束語

綜上所述，碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)愿景對于內(nèi)燃機(jī)而言既是挑戰(zhàn)，又是轉(zhuǎn)型機(jī)遇。短期內(nèi)，以提高熱效率，降低CO2排放為目標(biāo)，將促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，同時也會帶來內(nèi)燃機(jī)性能的整體提升;中長期，將迫使內(nèi)燃機(jī)尋找面向碳中和的新型燃料，帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，解決新型燃料內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)難題，從而實現(xiàn)零碳排放、零污染物排放內(nèi)燃機(jī)技術(shù)目標(biāo)。

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