◎本報記者 陳 曦
在近日天津召開的2024世界內(nèi)燃機大會上，多個廠家展示了熱效率達到50%的柴油機產(chǎn)品。
提高熱效率，是內(nèi)燃機減排的重要路徑之一。內(nèi)燃機誕生百年來，為交通運輸、工程建設、工業(yè)生產(chǎn)等領域提供了強勁動力。但在經(jīng)濟發(fā)展低碳化轉(zhuǎn)型趨勢下，內(nèi)燃機行業(yè)面臨史無前例的挑戰(zhàn)。
與會人士一致認為：面對全球能源轉(zhuǎn)型巨大挑戰(zhàn)，內(nèi)燃機在推動經(jīng)濟社會發(fā)展中仍不可替代，碳中性燃料和零碳燃料將使內(nèi)燃機行業(yè)煥發(fā)蓬勃活力。
多條技術路線齊頭并進
“每年我國內(nèi)燃機消耗全國60%的石油，碳排放量約占全國碳排放量的8%—10%�！敝袊鴥�(nèi)燃機學會秘書長李樹生坦言，內(nèi)燃機行業(yè)是節(jié)能減碳的主力軍，節(jié)能減排的壓力不小。
當前，內(nèi)燃機減排多條技術路線齊頭并進，其中主要包括有效熱效率的提高、低碳和碳中和燃料的使用、治理技術的進步。
“提高熱效率意味著單位燃料能夠產(chǎn)生更多的有用功，從而減少燃料的消耗�！庇癫駲C器股份有限公司高級副總裁鐘玉偉認為，這直接降低了內(nèi)燃機在運行過程中的碳排放量，有助于內(nèi)燃機在能源轉(zhuǎn)型過程中保持競爭力。
不過受卡諾循環(huán)高、低溫限值的影響，內(nèi)燃機熱效率的提升并非易事。
通過高膨脹燃燒、高效燃油噴射、低阻力摩擦、低噪聲控制等方面技術的持續(xù)創(chuàng)新，目前我國柴油機本體熱效率突破53%，汽油機熱效率也達到44%。
在內(nèi)燃機熱效率不斷提升的同時，零碳/碳中和燃料技術的發(fā)展，為我國實現(xiàn)“雙碳”目標開辟了新賽道。
“內(nèi)燃機只是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，能將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機械能。如果內(nèi)燃機用的是零碳燃料，它就是零碳的�！敝袊こ淘涸菏俊�2024世界內(nèi)燃機大會學術委員會主任、上海交通大學智慧能源創(chuàng)新學院院長黃震的觀點得到了業(yè)內(nèi)眾多專家認同。
氫、氨、醇類凈零碳燃料和生物質(zhì)燃料都是熱門候選。為了適應新燃料，保證內(nèi)燃機的安全和可靠性，內(nèi)燃機需要在燃料供應系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、尾氣后處理以及內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)和材料等方面進行相應調(diào)整。
中國內(nèi)燃機學會常務理事、清華大學教授帥石金認為，內(nèi)燃機節(jié)能、減排技術近年來確實取得長足進展，可以滿足當前世界上最嚴的歐七排放標準�！暗珒�(nèi)燃機要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，關鍵是如何適應氫、氨等零碳燃料的噴霧燃燒要求，并降低全生命周期綜合成本，提高發(fā)動機熱效率等，滿足未來嚴格的排放法規(guī)要求。”帥石金說。
還有科研團隊通過治理技術實現(xiàn)減排�！耙源笮瓦h洋貨輪為例，由于需要強大的動力輸出，因此在幾十年內(nèi)，內(nèi)燃機動力仍占主導。鑒于船體空間大，我們在探索二氧化碳捕集的方法來減少碳排放�！敝写谄咭灰谎芯克偣こ處熗蹁h說，后處理在現(xiàn)階段是比較簡單易行的辦法。處理二氧化碳，既可以將其運到陸地深埋，也可以對它們進行再次利用。
目前的技術能捕集到99.9%純度的二氧化碳，可以通過合成生物技術，把二氧化碳人工合成為淀粉、己糖等。未來可以利用二氧化碳和可再生能源制成新型電子燃料，直接進行燃燒。
積極擁抱電動化
傳統(tǒng)汽車主要由內(nèi)燃機直接驅(qū)動。進入新世紀以來，以電力驅(qū)動為代表的新能源汽車快速發(fā)展，電動化是汽車發(fā)展的重要方向。
李樹生認為，未來汽車動力系統(tǒng)將從內(nèi)燃機的“獨唱”變?yōu)閮?nèi)燃機和電機的“二重唱”，甚至出現(xiàn)更多元的動力驅(qū)動，這是大勢所趨。
“研究已經(jīng)證明，在汽車領域，純電動、混合動力、燃料電池這三條技術路線可以實現(xiàn)‘雙碳’目標�！敝袊こ淘涸菏俊⒅袊嚬こ虒W會理事長、清華大學教授李駿說。
“電動新能源汽車的發(fā)展對于內(nèi)燃機來說也是一個機遇。內(nèi)燃機要積極擁抱電動化，發(fā)揮各自優(yōu)勢。”帥石金認為，內(nèi)燃機在混合動力中可實現(xiàn)直驅(qū)，也能與電機并聯(lián)驅(qū)動，還能夠直接驅(qū)動電機發(fā)電。內(nèi)燃機在混合動力運行時一直工作在高效區(qū)，可實現(xiàn)大幅度節(jié)能減排。
“電動車的智能化、電動化技術也能為內(nèi)燃機汽車所用，以提升內(nèi)燃機汽車的性能和效率。”北京汽車集團有限公司質(zhì)量總師李繼凱舉例，將智能化和電動化技術與內(nèi)燃機動力系統(tǒng)集成，通過算法優(yōu)化，實現(xiàn)動力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與高效運行。還可以通過先進的控制策略，優(yōu)化整車的動力分配、能量管理和駕駛模式，提高整車的能效和駕駛體驗。
“對于出行半徑在100公里以內(nèi)的小型乘用車來說，動力采用純電動更加經(jīng)濟適用，但純電動無法滿足越野車等的一些特殊出行需求。同時，我們的產(chǎn)品還要兼顧出口，很多國家的電網(wǎng)設施并沒那么健全。因此，混合動力以及插電混合動力的汽車的需求十分旺盛�！崩罾^凱介紹。
李樹生認為，氫內(nèi)燃機混合動力系統(tǒng)及氫燃料電池應是商用車加快電動化轉(zhuǎn)型、降低碳排放的重要技術路徑。
據(jù)介紹，中國商用汽車在道路交通運輸?shù)奶寂欧耪急瘸^50%。氫能燃料電池汽車將成為降低商用汽車碳排放，特別是長途客車、重載貨車、廂式物流等商用汽車低碳發(fā)展的主要方向。
推動更多技術創(chuàng)新
中國工程院院士、中國內(nèi)燃機學會理事長、天津大學校長金東寒認為，目前及未來相當長的一段時間內(nèi)，內(nèi)燃機都將是陸上運輸、工程機械、遠洋運輸?shù)闹鲗恿�，也是推動�?jié)能減排以及碳減排最具潛力的產(chǎn)品。“內(nèi)燃機行業(yè)必將朝著‘更清潔、更高效、更智能、更可靠’的方向快速發(fā)展�！苯饢|寒說。
目前，我國內(nèi)燃機行業(yè)已提早布局多條低碳化技術路線。
在國家科技規(guī)劃層面，我國先后部署和推動氫、氨、醇類凈零碳燃料和生物質(zhì)燃料的內(nèi)燃動力科技研發(fā)，為實現(xiàn)碳中和目標開辟新賽道。
由可再生能源電水解制成的氫氣以及大氣中捕獲的二氧化碳可合成氫基甲醇，目前我國已具備量產(chǎn)能力，并已投入試運行。全國有21000輛燃料電池汽車參與示范運營，248座加氫站投入運營。燃料電池軌道列車和旅游客船也投入運行。
同時，我國內(nèi)燃機在性能和有害排放控制，以及智能化等方面的技術，都已處于世界第一梯隊。
“此次世界內(nèi)燃機大會在天津召開，充分展示了我國在內(nèi)燃機領域的成果和技術實力�！苯饢|寒說，天津作為中國內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)的重要基地，擁有扎實的研發(fā)、制造、檢測和零部件生產(chǎn)基礎。世界內(nèi)燃機大會走進津沽大地，無論是對天津市還是對內(nèi)燃機行業(yè)都具有特殊意義。
大會召開期間，內(nèi)燃動力全國重點實驗室聯(lián)盟、中國內(nèi)燃機學會京博吉大聯(lián)合實驗室、中國內(nèi)燃機學會氨發(fā)動機創(chuàng)新聯(lián)合體和中國內(nèi)燃機學會氫發(fā)動機創(chuàng)新聯(lián)合體揭牌成立。
“內(nèi)燃機的龍頭企業(yè)、科研院所、高校都參與其中。”帥石金認為，聯(lián)合體將發(fā)揮行業(yè)協(xié)同效應，以氫/氨發(fā)動機產(chǎn)業(yè)需求為牽引，圍繞重大科學、技術和工程化共性問題，通過設置課題開展聯(lián)合技術攻關，突破氫/氨發(fā)動機及關鍵零部件產(chǎn)業(yè)化關鍵技術瓶頸，創(chuàng)建支撐氫/氨發(fā)動機高質(zhì)量發(fā)展的標準體系，打造跨學科的高端智庫，為國家決策部門提供激勵政策依據(jù)，促進內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展。
金東寒表示，天津大學在2024年世界內(nèi)燃機大會期間牽頭成立聯(lián)盟具有重要意義。
天津大學內(nèi)燃機學科歷史悠久，在我國內(nèi)燃機基礎研究中發(fā)揮了開拓和牽引作用。作為首席科學家單位，天津大學主持內(nèi)燃機領域的全部4項973計劃項目，承擔了一批包括國家自然基金創(chuàng)新研究群體在內(nèi)的重大和重點項目。天津大學共榮獲國家科技獎勵18項，其中，近年來作為第一完成單位獲獎6項；以數(shù)字化設計為牽引，構(gòu)建了以過程能力為核心的車用發(fā)動機精益化研發(fā)設計體系，解決了從基礎理論、工程設計到技術轉(zhuǎn)化等問題，為自主品牌成功開發(fā)數(shù)十款高性能產(chǎn)品，累計產(chǎn)銷數(shù)百萬臺，助力我國汽車品牌自立自強。
“未來聯(lián)盟要充分發(fā)揮內(nèi)燃動力全國重點實驗室聯(lián)盟的獨特優(yōu)勢，更好地將企業(yè)、高校、科研院所、實驗室等創(chuàng)新主體緊密聯(lián)系起來，有效促進實驗室人才培養(yǎng)、科技創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的深度融合，打造內(nèi)燃動力國家戰(zhàn)略科技力量主力軍�！苯饢|寒說。（科技日報）