內(nèi)燃機(jī)前景

宋世哲 康寧

摘 要：內(nèi)燃機(jī)是燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，并且將燃燒釋放出來(lái)的熱能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能的一種動(dòng)力機(jī)械裝置。具有體積小，移動(dòng)靈活，熱效率高和操作方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸，工程機(jī)械，農(nóng)業(yè)機(jī)械，小型發(fā)電設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)市場(chǎng)分析，市場(chǎng)需求量大，前景廣闊。同時(shí)，新材料、新技術(shù)的出現(xiàn)使內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性提升。根據(jù)目前形勢(shì)，將內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)相比較，由于電池技術(shù)的不成熟和電動(dòng)機(jī)技術(shù)的不完善，在短時(shí)間內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)仍然是主要的動(dòng)力機(jī)械來(lái)源。各種代用清潔燃料的出現(xiàn)和混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，讓內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展有一個(gè)很好的應(yīng)用前景。最后給出當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；市場(chǎng)需求；發(fā)展現(xiàn)狀；電動(dòng)機(jī)；發(fā)展方向

1 內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng)需求現(xiàn)狀

1.1 內(nèi)燃機(jī)在汽車(chē)領(lǐng)域的需求

截至2014年年底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)2.64億輛，其中汽車(chē)1.54億輛；機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛?cè)送黄?億人，其中汽車(chē)駕駛?cè)顺^(guò)2.46億人。統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，近五年機(jī)動(dòng)車(chē)年均增量1500多萬(wàn)輛，排名世界第二位。其中機(jī)動(dòng)車(chē)99%以上動(dòng)力來(lái)源于內(nèi)燃機(jī)。根據(jù)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2015-2020年 中國(guó)內(nèi)燃機(jī)及配件制造行業(yè)市場(chǎng)前瞻與轉(zhuǎn)型升級(jí)分析報(bào)告》分析認(rèn)為，汽車(chē)行業(yè)是內(nèi)燃機(jī)的重點(diǎn)需求領(lǐng)域，《“十二五”汽車(chē)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃意見(jiàn)》指出，“十二五”時(shí)期，我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量將達(dá)到2800萬(wàn)-3000萬(wàn)輛，汽車(chē)工業(yè)將以12%以上的速度增長(zhǎng)，這將大力推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)用內(nèi)燃機(jī)需求的增長(zhǎng)。

1.2 內(nèi)燃機(jī)在船舶領(lǐng)域的需求

工信部發(fā)布的《船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》對(duì)“十二五”期間船舶工業(yè)的發(fā)展提出了如下目標(biāo)：環(huán)渤海灣、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲造船基地成為世界級(jí)造船基地，產(chǎn)業(yè)集中度明顯提升，前10家造船企業(yè)造船完工量占全國(guó)總量的70%以上，進(jìn)入世界造船前十強(qiáng)企業(yè)達(dá)到5家以上。工信部發(fā)布的《船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》對(duì)“十二五”期間船舶工業(yè)的發(fā)展提出了如下目標(biāo)：環(huán)渤海灣、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲造船基地成為世界級(jí)造船基地，產(chǎn)業(yè)集中度明顯提升，前10家造船企業(yè)造船完工量占全國(guó)總量的70%以上，進(jìn)入世界造船前十強(qiáng)企業(yè)達(dá)到5家以上。其中，我國(guó)大型船舶多數(shù)采用電力推動(dòng)，其電能來(lái)源于若干大型中速柴油機(jī)組。

1.3 內(nèi)燃機(jī)在鐵道交通領(lǐng)域的需求

在我國(guó)乃至世界鐵道交通領(lǐng)域的自然環(huán)境嚴(yán)峻地帶，鐵道交通搭建電力線(xiàn)路建造成本，維護(hù)成本高，受環(huán)境影響，可靠性低，因此柴油內(nèi)燃大馬力牽引機(jī)車(chē)不可替代。同時(shí)這些地區(qū)有待開(kāi)發(fā)，線(xiàn)路擴(kuò)張，前景可觀。目前調(diào)車(chē)作業(yè)很大部分由內(nèi)燃機(jī)車(chē)完成。美國(guó)，巴西，澳大利亞均采取內(nèi)燃牽引重載。

綜上所述，內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)廣闊。

2 內(nèi)燃機(jī)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

內(nèi)燃機(jī)是燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒，并且將燃燒釋放出來(lái)的熱能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能的一種動(dòng)力機(jī)械裝置。具有體積小，移動(dòng)靈活，熱效率高和操作方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸，工程機(jī)械，農(nóng)業(yè)機(jī)械，小型發(fā)電設(shè)備等領(lǐng)域【1】。汽油缸內(nèi)直噴（GDI）、柴油高壓共軌（CR）、渦輪增壓中冷（TCI）、可變配氣相位（VVT）、分層燃燒直噴技術(shù)（FSI）等技術(shù)逐漸成熟。并且陶瓷材料和工程塑料（如纖維增強(qiáng)塑料）具有比傳統(tǒng)材料優(yōu)越的減摩性、耐磨性和耐腐蝕性，其比重與鋁合金不相上下而比鋼和鑄鐵輕得多。隨著工藝水平的提高及價(jià)格的降低，未來(lái)工程塑料在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用將會(huì)與日俱增。

2.1 內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)差異

隨著對(duì)排放的控制逐漸嚴(yán)格，內(nèi)燃機(jī)的排放問(wèn)題逐漸被重視。隨即電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)汽車(chē)以及一些新型的汽車(chē)走向市場(chǎng)。車(chē)輛電子，電控，（譬如內(nèi)燃機(jī)電子打火，廢棄的控制，車(chē)載系統(tǒng)，車(chē)燈，儀表盤(pán)，等等）發(fā)展多年，技術(shù)成熟，汽車(chē)基于之前的研究為基礎(chǔ)朝著電子化的方向發(fā)展，繼續(xù)延伸。電動(dòng)機(jī)目前很長(zhǎng)一段時(shí)間不能替代內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)方面就是，內(nèi)燃機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩，而電動(dòng)機(jī)車(chē)用永磁電動(dòng)機(jī)本身存在著調(diào)速范圍不易擴(kuò)大，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生溫升對(duì)永磁體影響比較明顯等問(wèn)題，并且最大轉(zhuǎn)矩，百公里加速等技術(shù)指標(biāo)也沒(méi)有全面超越傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)用性并不強(qiáng)。高速狀態(tài)下提供不了足夠大的轉(zhuǎn)矩。重型機(jī)械完全無(wú)法靠電池驅(qū)動(dòng)。電池短時(shí)間內(nèi)無(wú)法達(dá)到燃油這么高的能量密度。

針對(duì)目前形勢(shì)，電動(dòng)機(jī)有以下幾個(gè)問(wèn)題。

1.充電時(shí)間太長(zhǎng)，超級(jí)電容技術(shù)的速充技術(shù)，但離成熟太遠(yuǎn)。

2.續(xù)航能力不夠，基礎(chǔ)設(shè)施也不夠。

3.安全性不夠，能量密度好的鈷酸鋰電池的安全、壽命都最差，而比較安全、壽命也好的鐵鋰電池和鈦酸鋰電池，能量密度卻比較低。特斯拉的續(xù)航尚可因?yàn)樗玫拟捤徜囯姵兀踩陨暇吐缘土?。其發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性矛盾的協(xié)調(diào)問(wèn)題。

4.能源格局不允許。內(nèi)燃機(jī)是將化石燃料轉(zhuǎn)化成機(jī)械能效率最好的機(jī)械之一。電動(dòng)機(jī)本身當(dāng)然不用化石燃料，也沒(méi)有排放，但是追溯到源頭來(lái)看。我國(guó)能源格局：華南地區(qū)水利工程多，但北方大多是用火電廠發(fā)電，燃料為煤。根據(jù)2014年我國(guó)電力市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀分析：火力發(fā)電仍是主力，發(fā)電約占全國(guó)電力生產(chǎn)總量80%左右，水電在15%左右，剩下的是核電和風(fēng)電。在我國(guó)電動(dòng)車(chē)電能利用主要來(lái)源于火力發(fā)電，最終體現(xiàn)在燒煤的多少上，按照我國(guó)目前的發(fā)電比例，推廣電動(dòng)機(jī)，可以綠色環(huán)保無(wú)污染，代價(jià)卻是將污染轉(zhuǎn)移到城郊火電廠真正所在的地區(qū)，而且火電需要將燃料轉(zhuǎn)化成電能，再通過(guò)電網(wǎng)充給汽車(chē)，再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，其中能量轉(zhuǎn)化效率下降，而且將分散排放轉(zhuǎn)化為集中排放，對(duì)本質(zhì)上的節(jié)能減拍意義不大，而且需要改變國(guó)內(nèi)能源布局，影響范圍廣，實(shí)施難度大。

就乘用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)而言，相較于電池，內(nèi)燃機(jī)仍是并將長(zhǎng)時(shí)間是成本更低、可靠性更高的動(dòng)力源。

3 內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展方向

進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)油氣最佳混合。目前技術(shù)有采用增壓+中冷技術(shù)、采用多氣門(mén)+可變配氣相位（VTEC）、采用多氣門(mén)+可變配氣相位（VTEC）技術(shù)等【2】。

燃燒室和燃燒方式。燃燒、流動(dòng)機(jī)理復(fù)雜艱深，先進(jìn)燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)是前沿?zé)狳c(diǎn)。壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)是發(fā)動(dòng)機(jī)的未來(lái)。合適的燃料+高壓縮比+缸壓閉環(huán)控制+EGR（廢氣再循環(huán)技術(shù)）+先進(jìn)的噴射控制，將可以實(shí)現(xiàn)高效清潔的燃燒。近十年來(lái)，類(lèi)HCCI的先進(jìn)燃燒模式PCCI LTC RCCI等等分別從不同的角度入手在一定的負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的高效清潔燃燒。

混合動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)控制問(wèn)題、發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)升級(jí)與匹配、機(jī)電耦合中的動(dòng)態(tài)問(wèn)題等。

另外對(duì)于內(nèi)燃機(jī)的噪聲震動(dòng)問(wèn)題、燃油供給系統(tǒng)、排放后處理、材料技術(shù)等方面均有很大研究前景。

參考文獻(xiàn)

[1]王中錚.熱能與動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ) [M]. 1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué) [M]. 3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.