时间：2024-04-30 19:44:05 作者：新技术让内燃机“脱碳”之路越走越宽 浏览量：34562
◎本报记者 陈 曦
在近日天津召开的2024世界内燃机大会上，多个厂家展示了热效率达到50%的柴油机产品。
提高热效率，是内燃机减排的重要路径之一。内燃机诞生百年来，为交通运输、工程建设、工业生产等领域提供了强劲动力。但在经济发展低碳化转型趋势下，内燃机行业面临史无前例的挑战。
与会人士一致认为：面对全球能源转型巨大挑战，内燃机在推动经济社会发展中仍不可替代，碳中性燃料和零碳燃料将使内燃机行业焕发蓬勃活力。
多条技术路线齐头并进
“每年我国内燃机消耗全国60%的石油，碳排放量约占全国碳排放量的8%—10%。”中国内燃机学会秘书长李树生坦言，内燃机行业是节能减碳的主力军，节能减排的压力不小。
当前，内燃机减排多条技术路线齐头并进，其中主要包括有效热效率的提高、低碳和碳中和燃料的使用、治理技术的进步。
“提高热效率意味着单位燃料能够产生更多的有用功，从而减少燃料的消耗。”玉柴机器股份有限公司高级副总裁钟玉伟认为，这直接降低了内燃机在运行过程中的碳排放量，有助于内燃机在能源转型过程中保持竞争力。
不过受卡诺循环高、低温限值的影响，内燃机热效率的提升并非易事。
通过高膨胀燃烧、高效燃油喷射、低阻力摩擦、低噪声控制等方面技术的持续创新，目前我国柴油机本体热效率突破53%，汽油机热效率也达到44%。
在内燃机热效率不断提升的同时，零碳/碳中和燃料技术的发展，为我国实现“双碳”目标开辟了新赛道。
“内燃机只是一种能量转换装置，能将燃料燃烧产生的热能转化为机械能。如果内燃机用的是零碳燃料，它就是零碳的。”中国工程院院士、2024世界内燃机大会学术委员会主任、上海交通大学智慧能源创新学院院长黄震的观点得到了业内众多专家认同。
氢、氨、醇类净零碳燃料和生物质燃料都是热门候选。为了适应新燃料，保证内燃机的安全和可靠性，内燃机需要在燃料供应系统、点火系统、燃烧系统、尾气后处理以及内燃机结构和材料等方面进行相应调整。
中国内燃机学会常务理事、清华大学教授帅石金认为，内燃机节能、减排技术近年来确实取得长足进展，可以满足当前世界上最严的欧七排放标准。“但内燃机要实现可持续发展，关键是如何适应氢、氨等零碳燃料的喷雾燃烧要求，并降低全生命周期综合成本，提高发动机热效率等，满足未来严格的排放法规要求。”帅石金说。
还有科研团队通过治理技术实现减排。“以大型远洋货轮为例，由于需要强大的动力输出，因此在几十年内，内燃机动力仍占主导。鉴于船体空间大，我们在探索二氧化碳捕集的方法来减少碳排放。”中船第七一一研究所总工程师王锋说，后处理在现阶段是比较简单易行的办法。处理二氧化碳，既可以将其运到陆地深埋，也可以对它们进行再次利用。
目前的技术能捕集到99.9%纯度的二氧化碳，可以通过合成生物技术，把二氧化碳人工合成为淀粉、己糖等。未来可以利用二氧化碳和可再生能源制成新型电子燃料，直接进行燃烧。
积极拥抱电动化
传统汽车主要由内燃机直接驱动。进入新世纪以来，以电力驱动为代表的新能源汽车快速发展，电动化是汽车发展的重要方向。
李树生认为，未来汽车动力系统将从内燃机的“独唱”变为内燃机和电机的“二重唱”，甚至出现更多元的动力驱动，这是大势所趋。
“研究已经证明，在汽车领域，纯电动、混合动力、燃料电池这三条技术路线可以实现‘双碳’目标。”中国工程院院士、中国汽车工程学会理事长、清华大学教授李骏说。
“电动新能源汽车的发展对于内燃机来说也是一个机遇。内燃机要积极拥抱电动化，发挥各自优势。”帅石金认为，内燃机在混合动力中可实现直驱，也能与电机并联驱动，还能够直接驱动电机发电。内燃机在混合动力运行时一直工作在高效区，可实现大幅度节能减排。
“电动车的智能化、电动化技术也能为内燃机汽车所用，以提升内燃机汽车的性能和效率。”北京汽车集团有限公司质量总师李继凯举例，将智能化和电动化技术与内燃机动力系统集成，通过算法优化，实现动力系统的协调与高效运行。还可以通过先进的控制策略，优化整车的动力分配、能量管理和驾驶模式，提高整车的能效和驾驶体验。
“对于出行半径在100公里以内的小型乘用车来说，动力采用纯电动更加经济适用，但纯电动无法满足越野车等的一些特殊出行需求。同时，我们的产品还要兼顾出口，很多国家的电网设施并没那么健全。因此，混合动力以及插电混合动力的汽车的需求十分旺盛。”李继凯介绍。
李树生认为，氢内燃机混合动力系统及氢燃料电池应是商用车加快电动化转型、降低碳排放的重要技术路径。
据介绍，中国商用汽车在道路交通运输的碳排放占比超过50%。氢能燃料电池汽车将成为降低商用汽车碳排放，特别是长途客车、重载货车、厢式物流等商用汽车低碳发展的主要方向。
推动更多技术创新
中国工程院院士、中国内燃机学会理事长、天津大学校长金东寒认为，目前及未来相当长的一段时间内，内燃机都将是陆上运输、工程机械、远洋运输的主导动力，也是推动节能减排以及碳减排最具潜力的产品。“内燃机行业必将朝着‘更清洁、更高效、更智能、更可靠’的方向快速发展。”金东寒说。
目前，我国内燃机行业已提早布局多条低碳化技术路线。
在国家科技规划层面，我国先后部署和推动氢、氨、醇类净零碳燃料和生物质燃料的内燃动力科技研发，为实现碳中和目标开辟新赛道。
由可再生能源电水解制成的氢气以及大气中捕获的二氧化碳可合成氢基甲醇，目前我国已具备量产能力，并已投入试运行。全国有21000辆燃料电池汽车参与示范运营，248座加氢站投入运营。燃料电池轨道列车和旅游客船也投入运行。
同时，我国内燃机在性能和有害排放控制，以及智能化等方面的技术，都已处于世界第一梯队。
“此次世界内燃机大会在天津召开，充分展示了我国在内燃机领域的成果和技术实力。”金东寒说，天津作为中国内燃机产业的重要基地，拥有扎实的研发、制造、检测和零部件生产基础。世界内燃机大会走进津沽大地，无论是对天津市还是对内燃机行业都具有特殊意义。
大会召开期间，内燃动力全国重点实验室联盟、中国内燃机学会京博吉大联合实验室、中国内燃机学会氨发动机创新联合体和中国内燃机学会氢发动机创新联合体揭牌成立。
“内燃机的龙头企业、科研院所、高校都参与其中。”帅石金认为，联合体将发挥行业协同效应，以氢/氨发动机产业需求为牵引，围绕重大科学、技术和工程化共性问题，通过设置课题开展联合技术攻关，突破氢/氨发动机及关键零部件产业化关键技术瓶颈，创建支撑氢/氨发动机高质量发展的标准体系，打造跨学科的高端智库，为国家决策部门提供激励政策依据，促进内燃机产业可持续、高质量发展。
金东寒表示，天津大学在2024年世界内燃机大会期间牵头成立联盟具有重要意义。
天津大学内燃机学科历史悠久，在我国内燃机基础研究中发挥了开拓和牵引作用。作为首席科学家单位，天津大学主持内燃机领域的全部4项973计划项目，承担了一批包括国家自然基金创新研究群体在内的重大和重点项目。天津大学共荣获国家科技奖励18项，其中，近年来作为第一完成单位获奖6项；以数字化设计为牵引，构建了以过程能力为核心的车用发动机精益化研发设计体系，解决了从基础理论、工程设计到技术转化等问题，为自主品牌成功开发数十款高性能产品，累计产销数百万台，助力我国汽车品牌自立自强。
“未来联盟要充分发挥内燃动力全国重点实验室联盟的独特优势，更好地将企业、高校、科研院所、实验室等创新主体紧密联系起来，有效促进实验室人才培养、科技创新、成果转移转化的深度融合，打造内燃动力国家战略科技力量主力军。”金东寒说。（科技日报）