面向碳达峰碳中和的内燃机技术概述

余浩 谭建勋 张志强 徐浩成

摘要：在我国碳达峰碳中和的目标下，内燃机面临严峻的挑战。但内燃机实现碳减排仍然具有较大的潜力，短期内，提高热效率是内燃机实现碳减排的关键措施;中长期，使用零碳或碳中性燃料，内燃机可实现零碳排放。提高内燃机热效率的关键技术包括先进燃烧技术、智能可变技术、低摩擦技术。面向碳中和的新型燃料内燃机包括氢燃料内燃机技术、氨燃料内燃机技术、生物质燃料内燃机技术。内燃机技术及燃料的不断发展，将使得内燃机获得长久的生命力。

关键词：碳达峰;碳中和;内燃机;热效率;零碳燃料;碳中性燃料

中图分类号：TK406                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）16-0181-02

0  引言

CO2减排成为全球最为关注的议题，大部分国家宣称到2050年前实现碳中和。2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会上做出承诺，中国将采取更加有力的政策措施，CO2排放力争于2030年前达峰，努力争取2060年前实现碳中和。CO2是传统内燃机的主要排放物，碳达峰、碳中和的目标愿景，对内燃机行业提出了更为严苛的挑战。对于内燃机而言，短期内，应以提高热效率（减碳）为目标，中长期，应以燃用零碳或碳中性燃料为目标。

1  提高内燃机热效率的关键技术

内燃机的热效率相比于发明之初，已得到了大幅提高，汽油机最高有效热效率可达到40%以上，柴油机最高有效热效率可达到50%以上;但根据美国汽车研究理事会（USCAR）报告，活塞式内燃机结构最大有效热效率可以实现60%。若对内燃机进行根本性改造，极限有效热效率可实现85%。可以看出内燃机热效率提高还有巨大的空间，下面对提高内燃机热效率的几种关键技术进行概述。

1.1 先进燃烧技术

提高内燃机热效率，燃烧技术的优化是关键。未来的内燃机必将吸收柴油机与汽油机各自的优势，向相互融合的方向发展。对于缸内燃烧来说，都将往均质化、稀薄燃烧这个方向发展。对于汽油机而言，稀薄燃烧已成为提高其热效率公认的必要手段，而高能点火可以提高汽油机的燃烧速度，是实现均质稀薄燃烧的有效技术途径。高能点火能够有效拓宽汽油机均质稀薄燃烧的空燃比极限，降低燃油消耗率同时降低NOx的缸内排放。Wei[1]等人研究表明，点火能量主要影响初始火核的形成和早期火焰的形成，提高点火能量可以改善燃烧不稳定性和热稳定性，促进热效率提高。

对于柴油机而言，混合气的均质化是热效率提高的重要手段。通过缸内早喷柴油，赢得更多的混合时间，可促进均质混合气形成，比较有代表性如丰田公司的UNIBUS（UniformBulky Combustion System）燃烧系统。通过缸内晚喷柴油（活塞上止点之后喷射柴油），利用活塞下行阶段缸内温度、压力的降低，也可赢得更多的混合时间，比较有代表性的如Nissan的MK（Modulated Kinetics）燃烧系统。此外，利用汽油燃料的揮发性好，着火温度高的特点，在高压缩比的柴油机中直接压燃汽油燃料，也是一种有利于均质混合气形成的有效手段，Hao[2]在一台高低压分开式循环、可变有效压缩比、EGR的模型发动机上，采用LFEE协同控制策略展现了汽油稀燃均质压燃发动机实现高热效率及超高热效率的途径。马自达的第二代创驰蓝天发动机SKYACTIV-X，其核心技术是采用火花塞点火控制的汽油压燃（SPCCI）燃烧，可提高压缩比及比热比，相比于此前的SKYACTIV-G汽油机，燃油经济性提升了20%～30%。

1.2 智能可变技术

智能控制技术的发展，为内燃机的精确控制、热效率的优化创造了条件。可变压缩比技术可以同步提高发动机的性能与效率，为降低能耗与控制排放提供有效手段。可变压缩比和可变气门正时是调节有效压缩比的两种有效策略。Wittek等[3]设计并测试了多种压缩比可变的发动机，结果表明使用可变压缩比可提高火花点火发动机3%-8%的平均能量转换效率。日本Nissan汽车公司于2017年实现了可变压缩比技术在量产发动机中的应用，标志着可变压缩比技术在产业上日趋成熟。使用可变气门驱动机构可以从功率密度、容积效率、排放以及油耗等方面显著提升内燃机性能。与传统的基于凸轮的气门传动系统相比，液压可变气门驱动（HVVA）系统能够为发动机气门运动提供更大的自由度。Li等[4]通过HVVA策略对发动机部分负荷进行基于遗传算法的优化，可使发动机的有效燃油消耗率在运行工况范围内减少15.8%。乘用车的发动机在大部分时间（特别是在城市路况）处于部分负荷条件，此时关闭部分气缸可以显著降低泵气损失，提高内燃机效率，智能停缸技术也成为技术热点，且还与其它热效率提高方式（如发动机小型化与可变气门驱动等）结合实现联合优化。

1.3 低摩擦技术

摩擦磨损问题影响发动机的能效，节能润滑剂研究是内燃机热效率提高的重要方向之一。近年来，碳纳米材料在摩擦学研究中的开发和应用受到广泛关注，包括纳米润滑剂、自润滑材料的制备和涂层的制备，以改善汽车磨损表面的减摩性能。由于纳米颗粒的加入对流场产生扰动，可显著提高润滑油的换热能力。Awang N[5]等人提出了一种新型纳米纤维素（CNC）作为绿色添加剂提高润滑剂的摩擦学性能。在不同的载荷、速度和温度下以及润滑油中，采用活塞-裙座摩擦磨损试验机对不同浓度纳米颗粒的摩擦学性能进行了测量。研究表明，CNC纳米颗粒在机油中的混合可显著降低润滑油的粘度，从而改善机油的润滑性能，提高内燃机的性能和热效率。

2  面向碳中和的新型燃料内燃机技术

随着国际社会对碳排放的关注，零碳燃料、碳中性燃料等新型燃料的使用为内燃机的零碳化、零污染物排放的实现创造了条件，相比于其它新型动力装置，内燃机可继续发挥其可靠性高、产业成熟、应用场景广的优势。下面选取了几种热门的面向碳中和的内燃机燃料进行概述。

2.1 氢燃料内燃机技术

氢燃料由于不含碳，其燃烧产物只有水，被称为零碳燃料;氢燃料又可以从其燃烧产物水分解制备，故也是可循环利用的清洁能源。氢能产业当前受到各国的高度重视，被认为是未来能源的重要发展方向。氢燃料电池发动机也被认为是未来极具潜力的动力装置，受到广泛关注。容易被忽视的是，氢气易于点燃，燃烧速度快，也可直接应用于内燃机燃烧，并且氢燃料内燃机相对于燃料电池，对氢气的纯度要求更低，动力装置可靠性更高，随着内燃机技术的发展，其热效率也相差不大。孙柏刚团队[6-7]就氢燃料内燃机展开了多方面的研究，研究了当量燃空比、点火提前角和热废气再循环对其NOx排放的影响和这些规律与转速的相关性;通过试验验证了利用富氧进气提高进气道喷射氢内燃机功率的可行性;展示了氢燃料内燃机实现的可行性。

2.2 氨燃料内燃机技术

与氢燃料相同，氨燃料也不含碳元素，完全燃烧只产生清洁无污染的水和氮气，也属于零碳燃料;且其含氢量高，目前已有广泛使用的基础设施，因此也被认为是面向碳中和的理想的内燃机燃料。氨燃料还具备常用燃料应有的主要特点：廉价易得、易挥发、便于贮运、适当的燃烧值﹑高辛烷值﹑操作相对安全、且可与一般燃料兼容等优良特性。氨气燃料发动机主要技术发展趋势在于控制NOx排放，提高热效率，采用混合燃料掺烧来调节其理化特性也是一种重要手段，同时氨气燃料内燃机在船舶上的应用潜力更大。秦豪杰等[8]分析了不同掺氢比的氢氨混合燃料的理化性能和燃烧特性。实验发现随着掺氢比的增加，混合燃料的低热值、理论空燃比及燃料总能量均减小，指示效率呈现先增加后减小的趋势。

2.3 生物质燃料内燃机技术

生物质燃料由于其生长过程会大量吸收CO2，因此从全生命周期角度看，属于碳中性燃料，实现了碳的吸收和释放，因此也是面向碳中和的理想燃料。总结现阶段柴油机使用生物柴油的研究现状，可以看出适合于生物柴油的高压共轨燃油系统、排气后处理技术是未来生物柴油内燃机研究的重要方向。各种醇醚类含氧燃料的研究也是未来内燃机实现碳中和、近零排放的重要方向。黄震[9]等在一台电控共轨发动机上研究乙醇掺混比例和喷射定时对二甲醚-乙醇混合燃料燃烧及排放特性，与纯二甲醚燃料相比，乙醇混合比例增加使滞燃期延长，燃烧持续期缩短，最大压升率增加，有助于热效率提高。

3  结束语

综上所述，碳达峰碳中和的目标愿景对于内燃机而言既是挑战，又是转型机遇。短期内，以提高热效率，降低CO2排放为目标，将促进内燃机技术快速发展，同时也会带来内燃机性能的整体提升;中长期，将迫使内燃机寻找面向碳中和的新型燃料，带动相关产业发展，解决新型燃料内燃机的技术难题，从而实现零碳排放、零污染物排放内燃机技术目标。

参考文献：

[1]Wei H ， Zhang R ， Chen L ， et al. Effects of high ignition energy on lean combustion characteristics of natural gas using an optical engine with a high compression ratio[J]. Energy， 2021， 223： 120053.

[2]H  Yu，  Su W . Numerical study on the approach for super-high thermal efficiency in a gasoline homogeneous charge compression ignition lean-burn engine[J]. International Journal of Engine Research， 2019：146808741988924.

[3]Karsten Wittek， Frank Geiger， Marilia G. Justino Vaz. Characterization of the system behaviour of a variable compression ratio （VCR） connecting rod with eccentrically piston pin suspension and hydraulic moment support[J]. Energy Conversion and Management， 2020，213，112814.

[4]Yangtao Li， Amir Khajepour， Cécile Devaud， et al. Power and fuel economy optimizations of gasoline engines using hydraulic variable valve actuation system[J]. Applied Energy，2017，206：577-593.

[5]Awang N W ， Ramasamy D ， Kadirgama K ， et al. Study on friction and wear of Cellulose Nanocrystal （CNC） nanoparticle as lubricating additive in engine oil[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 131：1196-1204.

[6]段俊法，刘福水，孙柏刚.PFI氢内燃机NOx排放特性的实验研究[J].汽车工程，2014，36（10）：1175-1179.

[7]付洪宇，柴华，孙柏刚，包凌志.富氧燃烧对PFI氢内燃机性能的影响[J].车用發动机，2020（4）：1-6.

[8]秦豪杰，申方.掺氢氨发动机的燃烧理论研究[J].河南科技，2017（1）：137-140.

[9]汤清，乔信起，李鹏飞，王春海，黄震.掺混比例和喷射定时对二甲醚-乙醇发动机燃烧和排放的影响[J].热科学与技术，2017，16（05）：404-410.