面向碳達峰碳中和的內燃機技術概述

余浩 譚建勛 張志強 徐浩成

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

關鍵詞：碳達峰;碳中和;內燃機;熱效率;零碳燃料;碳中性燃料

中圖分類號：TK406? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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年前達峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。CO2是傳統(tǒng)內燃機的主要排放物，碳達峰、碳中和的目標愿景，對內燃機行業(yè)提出了更為嚴苛的挑戰(zhàn)。對于內燃機而言，短期內，應以提高熱效率（減碳）為目標，中長期，應以燃用零碳或碳中性燃料為目標。

1? 提高內燃機熱效率的關鍵技術

內燃機的熱效率相比于發(fā)明之初，已得到了大幅提高，汽油機最高有效熱效率可達到40%以上，柴油機最高有效熱效率可達到50%以上;但根據美國汽車研究理事會（USCAR）報告，活塞式內燃機結構最大有效熱效率可以實現(xiàn)60%。若對內燃機進行根本性改造，極限有效熱效率可實現(xiàn)85%?？梢钥闯鰞热紮C熱效率提高還有巨大的空間，下面對提高內燃機熱效率的幾種關鍵技術進行概述。

1.1 先進燃燒技術

提高內燃機熱效率，燃燒技術的優(yōu)化是關鍵。未來的內燃機必將吸收柴油機與汽油機各自的優(yōu)勢，向相互融合的方向發(fā)展。對于缸內燃燒來說，都將往均質化、稀薄燃燒這個方向發(fā)展。對于汽油機而言，稀薄燃燒已成為提高其熱效率公認的必要手段，而高能點火可以提高汽油機的燃燒速度，是實現(xiàn)均質稀薄燃燒的有效技術途徑。高能點火能夠有效拓寬汽油機均質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，促進熱效率提高。

對于柴油機而言，混合氣的均質化是熱效率提高的重要手段。通過缸內早噴柴油，贏得更多的混合時間，可促進均質混合氣形成，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中直接壓燃汽油燃料，也是一種有利于均質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)動機上，采用LFEE協(xié)同控制策略展現(xiàn)了汽油稀燃均質壓燃發(fā)動機實現(xiàn)高熱效率及超高熱效率的途徑。馬自達的第二代創(chuàng)馳藍天發(fā)動機SKYACTIV-X，其核心技術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，燃油經濟性提升了20%～30%。

1.2 智能可變技術

智能控制技術的發(fā)展，為內燃機的精確控制、熱效率的優(yōu)化創(chuàng)造了條件?？勺儔嚎s比技術可以同步提高發(fā)動機的性能與效率，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節(jié)有效壓縮比的兩種有效策略。Wittek等[3]設計并測試了多種壓縮比可變的發(fā)動機，結果表明使用可變壓縮比可提高火花點火發(fā)動機3%-8%的平均能量轉換效率。日本Nissan汽車公司于2017年實現(xiàn)了可變壓縮比技術在量產發(fā)動機中的應用，標志著可變壓縮比技術在產業(yè)上日趨成熟。使用可變氣門驅動機構可以從功率密度、容積效率、排放以及油耗等方面顯著提升內燃機性能。與傳統(tǒng)的基于凸輪的氣門傳動系統(tǒng)相比，液壓可變氣門驅動（HVVA）系統(tǒng)能夠為發(fā)動機氣門運動提供更大的自由度。Li等[4]通過HVVA策略對發(fā)動機部分負荷進行基于遺傳算法的優(yōu)化，可使發(fā)動機的有效燃油消耗率在運行工況范圍內減少15.8%。乘用車的發(fā)動機在大部分時間（特別是在城市路況）處于部分負荷條件，此時關閉部分氣缸可以顯著降低泵氣損失，提高內燃機效率，智能停缸技術也成為技術熱點，且還與其它熱效率提高方式（如發(fā)動機小型化與可變氣門驅動等）結合實現(xiàn)聯(lián)合優(yōu)化。

1.3 低摩擦技術

摩擦磨損問題影響發(fā)動機的能效，節(jié)能潤滑劑研究是內燃機熱效率提高的重要方向之一。近年來，碳納米材料在摩擦學研究中的開發(fā)和應用受到廣泛關注，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對不同濃度納米顆粒的摩擦學性能進行了測量。研究表明，CNC納米顆粒在機油中的混合可顯著降低潤滑油的粘度，從而改善機油的潤滑性能，提高內燃機的性能和熱效率。

2? 面向碳中和的新型燃料內燃機技術

隨著國際社會對碳排放的關注，零碳燃料、碳中性燃料等新型燃料的使用為內燃機的零碳化、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，內燃機可繼續(xù)發(fā)揮其可靠性高、產業(yè)成熟、應用場景廣的優(yōu)勢。下面選取了幾種熱門的面向碳中和的內燃機燃料進行概述。

2.1 氫燃料內燃機技術

氫燃料由于不含碳，其燃燒產物只有水，被稱為零碳燃料;氫燃料又可以從其燃燒產物水分解制備，故也是可循環(huán)利用的清潔能源。氫能產業(yè)當前受到各國的高度重視，被認為是未來能源的重要發(fā)展方向。氫燃料電池發(fā)動機也被認為是未來極具潛力的動力裝置，受到廣泛關注。容易被忽視的是，氫氣易于點燃，燃燒速度快，也可直接應用于內燃機燃燒，并且氫燃料內燃機相對于燃料電池，對氫氣的純度要求更低，動力裝置可靠性更高，隨著內燃機技術的發(fā)展，其熱效率也相差不大。孫柏剛團隊[6-7]就氫燃料內燃機展開了多方面的研究，研究了當量燃空比、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)律與轉速的相關性;通過試驗驗證了利用富氧進氣提高進氣道噴射氫內燃機功率的可行性;展示了氫燃料內燃機實現(xiàn)的可行性。

2.2 氨燃料內燃機技術

與氫燃料相同，氨燃料也不含碳元素，完全燃燒只產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設施，因此也被認為是面向碳中和的理想的內燃機燃料。氨燃料還具備常用燃料應有的主要特點：廉價易得、易揮發(fā)、便于貯運、適當的燃燒值﹑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)動機主要技術發(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節(jié)其理化特性也是一種重要手段，同時氨氣燃料內燃機在船舶上的應用潛力更大。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 生物質燃料內燃機技術

生物質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現(xiàn)階段柴油機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)、排氣后處理技術是未來生物柴油內燃機研究的重要方向。各種醇醚類含氧燃料的研究也是未來內燃機實現(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? 結束語

綜上所述，碳達峰碳中和的目標愿景對于內燃機而言既是挑戰(zhàn)，又是轉型機遇。短期內，以提高熱效率，降低CO2排放為目標，將促進內燃機技術快速發(fā)展，同時也會帶來內燃機性能的整體提升;中長期，將迫使內燃機尋找面向碳中和的新型燃料，帶動相關產業(yè)發(fā)展，解決新型燃料內燃機的技術難題，從而實現(xiàn)零碳排放、零污染物排放內燃機技術目標。

參考文獻：

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