劉洋

摘要：在我國(guó)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(shí)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(shí)現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵措施;中長(zhǎng)期，使用零碳或碳中性燃料，內(nèi)燃機(jī)可實(shí)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(zhǎng)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

1全球碳中和概況

1.1“碳”的類型

碳是生命物質(zhì)的主要元素之一，也是有機(jī)物質(zhì)的重要組成部分。它以二氧化碳、有機(jī)物和無機(jī)物的形式儲(chǔ)存在地球大氣層、陸地生態(tài)系統(tǒng)、海洋和巖石圈中。碳元素通過碳固定和碳釋放在地球大氣、陸地生態(tài)系統(tǒng)、海洋和巖石圈中循環(huán)。固碳是指通過植物光合作用吸收二氧化碳，海水將二氧化碳溶解在大氣中，干旱地區(qū)鹽堿土吸收二氧化碳，形成含碳巖石，以及利用人工技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品或燃料。碳釋放主要來自動(dòng)植物的呼吸、化石燃料的消耗以及巖石圈含碳巖石的分解。本文將大氣中固定或有效的二氧化碳定義為“灰碳”;不能固定或利用并留在大氣中的二氧化碳被定義為“黑碳”。

1.2碳中和的內(nèi)涵和意義

IPCC發(fā)布的全球變暖1.5℃特別報(bào)告指出，碳中和是指一個(gè)組織通過二氧化碳消除技術(shù)在一年內(nèi)平衡二氧化碳排放量，或凈零二氧化碳排放量。碳中和的目標(biāo)是到2030年將全球二氧化碳排放量比2010年減少約45%，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零二氧化碳排放。

碳中和的首要任務(wù)是在本世紀(jì)末將全球變暖控制在1.5℃。碳中和不僅是控制氣候變化，也是人類保護(hù)生態(tài)環(huán)境的根本措施。它有助于保護(hù)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)，避免更多物種滅絕。碳中和加速了能源系統(tǒng)的低碳綠色轉(zhuǎn)型，為世界帶來了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。根據(jù)國(guó)際可再生能源署（International Renewable energy Agency）發(fā)布的《2050年能源轉(zhuǎn)型報(bào)告》（energy transformation 2050 report），碳中和帶來了2.4%的額外GDP增長(zhǎng)，增加了7%能源行業(yè)有106個(gè)工作崗位。

2面向碳中和的新型燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)

隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)碳排放的重視，零碳燃料和碳中性燃料等新燃料的使用為內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)零碳化和零污染排放創(chuàng)造了條件。與其他新型動(dòng)力裝置相比，內(nèi)燃機(jī)可以繼續(xù)發(fā)揮其可靠性高、行業(yè)成熟、應(yīng)用前景廣闊的優(yōu)勢(shì)。選擇了幾種常用的用于碳中和的內(nèi)燃機(jī)燃料進(jìn)行概述。

2.1氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)

氫燃料被稱為零碳燃料，因?yàn)樗缓?，其燃燒產(chǎn)物只有水;氫燃料可以通過分解其燃燒產(chǎn)物水來制備，因此它也是一種可回收的清潔能源。目前，氫能產(chǎn)業(yè)受到各國(guó)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(dòng)機(jī)也被認(rèn)為是未來潛在的動(dòng)力裝置，受到了廣泛的關(guān)注。容易被忽視的是氫氣容易點(diǎn)燃，燃燒速度快。它也可以直接應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)燃燒。與燃料電池相比，氫燃料內(nèi)燃機(jī)對(duì)氫氣純度的要求較低，發(fā)電廠的可靠性較高。隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其熱效率相差不大。孫白剛的團(tuán)隊(duì)對(duì)氫燃料內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行了各種研究，并研究了當(dāng)量燃料空氣比、點(diǎn)火提前角和熱廢氣再循環(huán)對(duì)NOx排放的影響以及這些規(guī)律與轉(zhuǎn)速之間的相關(guān)性;通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用富氧進(jìn)氣提高噴氫內(nèi)燃機(jī)功率的可行性;論證了氫燃料內(nèi)燃機(jī)的可行性。

2.2氨燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)

與氫燃料一樣，氨燃料不含碳，完全燃燒只產(chǎn)生清潔無污染的水和氮?dú)?，這也是一種零碳燃料;由于其高氫含量和廣泛使用的基礎(chǔ)設(shè)施，它也被認(rèn)為是理想的內(nèi)燃機(jī)碳中和燃料。氨燃料還具有普通燃料的主要特點(diǎn)：廉價(jià)易得、易揮發(fā)、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸、燃燒值合適、辛烷值高、運(yùn)行相對(duì)安全、與普通燃料兼容?？刂频趸锱欧藕吞岣邿嵝适前比剂习l(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)發(fā)展方向?；旌先剂先紵彩钦{(diào)節(jié)其物理化學(xué)特性的重要手段。同時(shí)，氨燃料內(nèi)燃機(jī)在船舶上具有較大的應(yīng)用潛力。秦浩杰等分析了不同摻氫比的氫氨混合燃料的物理化學(xué)性質(zhì)和燃燒特性。結(jié)果表明，隨著氫比的增加，混合燃料的低熱值、理論空燃比和總?cè)剂夏芰烤档?，指示效率先升高后降低?/p>

2.3生物質(zhì)燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)

生物質(zhì)燃料在其生長(zhǎng)過程中會(huì)吸收大量的二氧化碳。因此，從整個(gè)生命周期的角度來看，它屬于碳中和的燃料，實(shí)現(xiàn)碳的吸收和釋放。因此，它也是碳中和的理想燃料。綜上所述，在柴油機(jī)上應(yīng)用生物柴油的研究現(xiàn)狀可以看出，適合生物柴油的高壓共軌燃油系統(tǒng)和排氣后處理技術(shù)是未來生物柴油內(nèi)燃機(jī)的重要研究方向。各種醇醚含氧燃料的研究也是未來內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)碳中和和近零排放的重要方向。黃震等人在電控共軌發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了乙醇混合比和噴油正時(shí)對(duì)二甲醚-乙醇混合燃料燃燒和排放特性的影響。與純二甲醚燃料相比，乙醇混合比的增加延長(zhǎng)了點(diǎn)火延遲期，縮短了燃燒持續(xù)時(shí)間，增加了最大壓力上升率，有利于熱效率的提高。

3綠色轉(zhuǎn)型

3.1中國(guó)制造業(yè)面臨的多重挑戰(zhàn)

中國(guó)制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是建設(shè)國(guó)家的基礎(chǔ)，是振興國(guó)家的工具，是鞏固國(guó)家的基礎(chǔ)。到2020年，中國(guó)工業(yè)增加值將達(dá)到31.31萬億元，連續(xù)11年保持世界第一制造國(guó)的地位，約占世界制造業(yè)的30%。其中，高技術(shù)制造業(yè)增加值平均增長(zhǎng)率達(dá)到10.4%，高于規(guī)模以上產(chǎn)業(yè)4.9個(gè)百分點(diǎn)。然而，中國(guó)制造業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的最大障礙是體制和機(jī)制問題。目前，中國(guó)普遍存在著與綠色經(jīng)濟(jì)背道而馳的制度和機(jī)制。一方面，不完善的環(huán)境監(jiān)管體系是影響制造業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵因素。目前，為了追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展，地方政府在制定和執(zhí)行環(huán)境政策方面給予了更大的靈活性。對(duì)于地方政府來說，綠色轉(zhuǎn)型是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、高投入、低效益的項(xiàng)目，影響了地方政府的積極性，也造成了綠色轉(zhuǎn)型的阻力。此外，地方政府僅依靠節(jié)能減排的市場(chǎng)調(diào)節(jié)，對(duì)綠色轉(zhuǎn)型的激勵(lì)作用不明顯。目前，綠色制造市場(chǎng)體系建設(shè)不完善，要素流動(dòng)不暢，價(jià)格沒有充分反映綠色產(chǎn)品的稀缺性和供求關(guān)系，與碳排放相關(guān)的衍生市場(chǎng)還不成熟。長(zhǎng)期以來，制造企業(yè)在生產(chǎn)中普遍停留在以經(jīng)濟(jì)成本為導(dǎo)向的觀念上，綠色價(jià)值觀尚未真正普及。既有舊思維慣性的主觀原因，也有環(huán)境價(jià)值不能充分體現(xiàn)的客觀原因。

3.2企業(yè)綠色轉(zhuǎn)型能力的缺乏主要體現(xiàn)在資源和技術(shù)的缺乏上。

綠色轉(zhuǎn)型需要充足的資金、設(shè)備、人力資源等生產(chǎn)要素。雖然從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，轉(zhuǎn)型可以提高資源利用效率，增強(qiáng)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力，但從短期來看，企業(yè)需要花費(fèi)巨大的代價(jià)，投入巨資更換生產(chǎn)設(shè)備、綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品、綠色回收和廢物處理，這不僅直接增加了企業(yè)的經(jīng)營(yíng)成本，也帶來了一定的投資風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

當(dāng)今世界正在經(jīng)歷一個(gè)世紀(jì)以來從未有過的巨大變化。生態(tài)環(huán)境關(guān)系到人類的生存和可持續(xù)發(fā)展，需要各國(guó)團(tuán)結(jié)合作，共同應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。碳中和是人類為應(yīng)對(duì)全球氣候變化而達(dá)成的共識(shí)。世界各國(guó)積極致力于實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。碳替代、碳減排、碳儲(chǔ)存和碳循環(huán)是實(shí)現(xiàn)碳中和的四種主要途徑。碳取代是碳中和的主鏈。預(yù)計(jì)到2050年，它將貢獻(xiàn)47%的二氧化碳減排量。

參考文獻(xiàn)

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