内燃机工业节能减排的现状、问题和建议27 创新潜能激发出来,形成以市场为导向、产学研紧密结合的技术创新体系,培育 和造就一批具有自主创新能力、拥有重要核心技术知识产权和著名品牌的跨国 企业,以及中小企业集群。 内燃机目前虽然处于探索阶段,却拥有未来应用前景的关键技术:①生物 制造;②绿色制造;③远程制造;④协同制造;⑤全球制造;⑥下一代制造生产 模式。 制造数字化是内燃机制造信息化的基石,企业数字化包括产品设计数字化 管理数字化、制造装备数字化、生产过程数字化。 内燃机的高新技术创新与汇聚,基于更多学科知识和技术。信息技术、纳米 技术、生物技术及智能技术创新的汇聚将给制造工程带来新的机会和挑战。未 来20年内,信息、纳米、生物和智能技术将主导技术发展,将被应用到包括制造 工程、化学工程、生物工程、能源工程、水处理工程、天空海洋工程、农业工程、环 保工程等各个领域并影响人们的日常生活。 对内燃机工业节能减排的建议有以下四点 1)建议工业和信息化部会同财政部,从国家节能减排专项资金中拨付专项 费用,实现内燃机节能减排关键基础零部件产业技术提升; 2)建议国家行政管理部门和法规执行部门,严格执行技术法规,公开透明, 奖惩分明,重视法规的科学性、严肃性和强制性; 3)建议研究出台鼓励采用替代燃料的扶植政策和优惠政策,重视乘用车柴 油化的问题; 4)建议在国家组织实施的年度企业技术改造支持专项中,对替代燃料内燃 机专用关键零部件制造企业给予项目支持。 推进内燃机节能减排工作,必须立足于我国能源安全、应对气候变化和提高 内燃机产业竞争力的要求,以降低能源资源消耗、减少二氧化碳排放为主线,以 降低燃油消耗为总体目标,发挥企业主体作用,重点突破,加快内燃机节能新技 术研发和产业化推广,加快推进内燃机替代能源多元化应用,加快推动在制造产 业发展。 (参加本文编写人员:北京理工大学刘福水教授、李向荣教授,留美学者杨嘉 林教授,同济大学楼狄明教授,吉林大学李君教授,潍柴股份有限公司孙少军高 工,广西玉柴机器股份有限公司林志强高工,昆明云内动力股份有限公司杨永忠 教授级高工,重庆长安汽车股份有限公司詹樟松教授级高工,长堿汽车股份有限 公司高定伟高工,中国内燃机工业协会魏安力高工,上海内燃机硏究所计维斌高 工,天津内燃机研究所贾滨工程师。)
创新潜能激发出来，形成以市场为导向、产学研紧密结合的技术创新体系，培育 和造就一批具有自主创新能力、拥有重要核心技术知识产权和著名品牌的跨国 企业，以及中小企业集群。 内燃机目前虽然处于探索阶段，却拥有未来应用前景的关键技术：① 生物 制造；② 绿色制造；③ 远程制造；④ 协同制造；⑤ 全球制造；⑥ 下一代制造生产 模式。 制造数字化是内燃机制造信息化的基石，企业数字化包括产品设计数字化、 管理数字化、制造装备数字化、生产过程数字化。 内燃机的高新技术创新与汇聚，基于更多学科知识和技术。信息技术、纳米 技术、生物技术及智能技术创新的汇聚将给制造工程带来新的机会和挑战。未 来 ２０年内，信息、纳米、生物和智能技术将主导技术发展，将被应用到包括制造 工程、化学工程、生物工程、能源工程、水处理工程、天空海洋工程、农业工程、环 保工程等各个领域并影响人们的日常生活。 对内燃机工业节能减排的建议有以下四点： １）建议工业和信息化部会同财政部，从国家节能减排专项资金中拨付专项 费用，实现内燃机节能减排关键基础零部件产业技术提升； ２）建议国家行政管理部门和法规执行部门，严格执行技术法规，公开透明， 奖惩分明，重视法规的科学性、严肃性和强制性； ３）建议研究出台鼓励采用替代燃料的扶植政策和优惠政策，重视乘用车柴 油化的问题； ４）建议在国家组织实施的年度企业技术改造支持专项中，对替代燃料内燃 机专用关键零部件制造企业给予项目支持。 推进内燃机节能减排工作，必须立足于我国能源安全、应对气候变化和提高 内燃机产业竞争力的要求，以降低能源资源消耗、减少二氧化碳排放为主线，以 降低燃油消耗为总体目标，发挥企业主体作用，重点突破，加快内燃机节能新技 术研发和产业化推广，加快推进内燃机替代能源多元化应用，加快推动在制造产 业发展。 （参加本文编写人员：北京理工大学刘福水教授、李向荣教授，留美学者杨嘉 林教授，同济大学楼狄明教授，吉林大学李君教授，潍柴股份有限公司孙少军高 工，广西玉柴机器股份有限公司林志强高工，昆明云内动力股份有限公司杨永忠 教授级高工，重庆长安汽车股份有限公司詹樟松教授级高工，长城汽车股份有限 公司高定伟高工，中国内燃机工业协会魏安力高工，上海内燃机研究所计维斌高 工，天津内燃机研究所贾滨工程师。） 内燃机工业节能减排的现状、问题和建议 ２７
28中国工程科技论坛:内燃机节能减排技术发展战略 参考文献 [1]中华人民共和国国务院办公厅.2013.关于加强内燃机工业节能减排的意见[R]. [2]中华人民共和国国务院.2013.关于加快发展节能环保产业的意见[R] [3]中华人民共和国国务院.2013.关于印发大气污染防治行动计划的通知[R] [4]中华人民共和国国家发展和改革委员会.2013.关于油品质量升级价格政策有关意见 的通知[R] [5]中华人民共和国环境保护部.2013.关于发布国家环保标准《轻型汽车污染物排放限 值及测量方法(中国第五阶段)》的公告[R] [6]中国内燃机工业协会.2013.2012年中国内燃机工业发展报告[R] [冂]中国内燃机工业协会.2013.2013年中国内燃机协会工作总结[R] [8]中国内燃机工业协会.2013.内燃机及零部件行业排头兵企业的调查[R] [9]中华人民共和国环境保护部.2013.2012年我国机动车污染物排放情况[R 邢敏教授级高级工程师,国家科学技术奖评审专 家,中国机械工业联合会专家委员会专家、中国机械 工程会常务理事。《设备与维修》杂志主编,《内燃杌 与配件》杂志总编辑,《机械制造手册》主编,组织编 写《实用机床设计手册》。1978-1997年,在国家政 府部门先后任处长、司长、局长;1997—2008年,在央 企担任总经理、党委书记。历任中国机械工程学会 第七届、第九届、第十届常务理事,并任中国机械工 程学会设备与维修工程分会主任;中国机床工具信 息网络协会理事长;中国机械工业金属切削技术协会第六届、第七届理事长。在 农业机械、重型机械、机床、工具、内燃杌制造等领堿工作多年,现任中国内燃机 工业协会常务副会长兼秘书长
参考文献 ［１］ 中华人民共和国国务院办公厅．２０１３．关于加强内燃机工业节能减排的意见［Ｒ］． ［２］ 中华人民共和国国务院．２０１３．关于加快发展节能环保产业的意见［Ｒ］． ［３］ 中华人民共和国国务院．２０１３．关于印发大气污染防治行动计划的通知［Ｒ］． ［４］ 中华人民共和国国家发展和改革委员会．２０１３．关于油品质量升级价格政策有关意见 的通知［Ｒ］． ［５］ 中华人民共和国环境保护部．２０１３．关于发布国家环保标准《轻型汽车污染物排放限 值及测量方法（中国第五阶段）》的公告［Ｒ］． ［６］ 中国内燃机工业协会．２０１３．２０１２年中国内燃机工业发展报告［Ｒ］． ［７］ 中国内燃机工业协会．２０１３．２０１３年中国内燃机协会工作总结［Ｒ］． ［８］ 中国内燃机工业协会．２０１３．内燃机及零部件行业排头兵企业的调查［Ｒ］． ［９］ 中华人民共和国环境保护部．２０１３．２０１２年我国机动车污染物排放情况［Ｒ］． 邢敏 教授级高级工程师，国家科学技术奖评审专 家，中国机械工业联合会专家委员会专家、中国机械 工程会常务理事。《设备与维修》杂志主编，《内燃机 与配件》杂志总编辑，《机械制造手册》主编，组织编 写《实用机床设计手册》。１９７８—１９９７年，在国家政 府部门先后任处长、司长、局长；１９９７—２００８年，在央 企担任总经理、党委书记。历任中国机械工程学会 第七届、第九届、第十届常务理事，并任中国机械工 程学会设备与维修工程分会主任；中国机床工具信 息网络协会理事长；中国机械工业金属切削技术协会第六届、第七届理事长。在 农业机械、重型机械、机床、工具、内燃机制造等领域工作多年，现任中国内燃机 工业协会常务副会长兼秘书长。 ２８ 中国工程科技论坛：内燃机节能减排技术发展战略
内燃机热效率潜力及提高途径探索29 内燃机热效率潜力及提高途径探索 尧命发等 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 、引言 内燃机是热效率最高、单位体积和单位重量功率最大(升功率可达140kW/L) 应用最为广泛的动力装置,广泛应用于汽车、机车、轮船、农用机械(农用车)、工 程机械及军用车辆等移动装置,全世界内燃机保有量已超过十几亿台。而且内 燃机还具有燃料适应性好、成本低、可靠性高等特点。2009年美国科学院的国 家能源报告指出:内燃机在未来几十年仍将在移动式动力装置中占有支配地 位口。我国是世界上最大的内燃机制造国和消费国,2010年,我国内燃机产量 达到7350万台(其中出口2300余万台),内燃机工业是国民经济和国防建设的 重要基础制造业。 内燃机是工程学科最为活跃的领域之一。在过去30年,内燃机有害排放降 低了100倍,正在向接近于零排放迈进。同时,内燃机性能也得到了明显提升, 例如车用柴油机的有效热效率从35%提高到45%,升功率提高了3~4倍。目 前世界内燃机在实现清洁燃烧、超低有害尾气排放的同时,节能和降低CO,排放 成为内燃机领域新的研究重点、成为推动内燃机技术进步新的推动力。在全球 节能减排、低碳经济的背景下,内燃机工业在不断满足日益严格的有害物排放法 规的同时,各国、各地区又纷纷制定了CO2排放法规。图1为世界各国或地区制 定的乘用车每公里CO2排放目标,从图中可以看到,无论是美国、欧洲,还是中 国,其CO2排放都是朝着不断降低的方向迈进,其中通过不断提高内燃机热效 率、燃用低碳或生物质燃料是满足CO2法规的重要途径。 目前,以提高热效率为目标的新一轮内燃机技术竞赛正成为国际上内燃机 研究的热点,世界各国政府通过不同的计划提出了相应的内燃机热效率目标。 例如,美国能源部在2005年的DEER会议上,给出了提高发动机热效率未来发 展规划。报告中指出,用10~15年的时间,使商用柴油机有效热效率达到 60%,轻型卡车、SUV等达到%的目标(2。进而在2009年,由美国能源部牵 头,以占全美75%市场份额的四大重型卡车制造商为主,实施“超级卡车”项目
内燃机热效率潜力及提高途径探索 尧命发 等 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 一、引言 内燃机是热效率最高、单位体积和单位重量功率最大（升功率可达１４０ｋＷ／Ｌ）、 应用最为广泛的动力装置，广泛应用于汽车、机车、轮船、农用机械（农用车）、工 程机械及军用车辆等移动装置，全世界内燃机保有量已超过十几亿台。而且内 燃机还具有燃料适应性好、成本低、可靠性高等特点。２００９年美国科学院的国 家能源报告指出：内燃机在未来几十年仍将在移动式动力装置中占有支配地 位［１］ 。我国是世界上最大的内燃机制造国和消费国，２０１０年，我国内燃机产量 达到 ７３５０万台（其中出口 ２３００余万台），内燃机工业是国民经济和国防建设的 重要基础制造业。 内燃机是工程学科最为活跃的领域之一。在过去 ３０年，内燃机有害排放降 低了 １００倍，正在向接近于零排放迈进。同时，内燃机性能也得到了明显提升， 例如车用柴油机的有效热效率从 ３５％提高到 ４５％，升功率提高了 ３～４倍。目 前世界内燃机在实现清洁燃烧、超低有害尾气排放的同时，节能和降低 ＣＯ２ 排放 成为内燃机领域新的研究重点、成为推动内燃机技术进步新的推动力。在全球 节能减排、低碳经济的背景下，内燃机工业在不断满足日益严格的有害物排放法 规的同时，各国、各地区又纷纷制定了 ＣＯ２ 排放法规。图 １为世界各国或地区制 定的乘用车每公里 ＣＯ２ 排放目标，从图中可以看到，无论是美国、欧洲，还是中 国，其 ＣＯ２ 排放都是朝着不断降低的方向迈进，其中通过不断提高内燃机热效 率、燃用低碳或生物质燃料是满足 ＣＯ２ 法规的重要途径。 目前，以提高热效率为目标的新一轮内燃机技术竞赛正成为国际上内燃机 研究的热点，世界各国政府通过不同的计划提出了相应的内燃机热效率目标。 例如，美国能源部在 ２００５年的 ＤＥＥＲ会议上，给出了提高发动机热效率未来发 展规划。报告 中 指 出，用 １０～１５年 的 时 间，使 商 用 柴 油 机 有 效 热 效 率 达 到 ６０％，轻型卡车、ＳＵＶ等达到 ５５％的目标［２］ 。进而在 ２００９年，由美国能源部牵 头，以占全美 ７５％市场份额的四大重型卡车制造商为主，实施“超级卡车”项目。 内燃机热效率潜力及提高途径探索 ２９
30中国工程科技论坛:内燃机节能减排技术发展战略 一美国 H 美国加州 亠加拿大 欧盟 中国 ■EU2020:95 年份 图1世界各国或地区制定的乘用车每公里CO2排放目标 其主要目标之一是在2015-2017年间,使北美重型卡车实现优化后的示范 行,其发动机的有效热效率达到55%3。2011年,美国政府颁布轻型车2017 2025年温室气体排放和燃油经济性标准(,规定中的关键要素是到2025年平 均新轻型车温室气体排放(等价二氧化碳)从2016年的250g/mi(注:1m 1.609km)减低至163g/mi,降低35%;燃油经济性从2016年平均34.lmi/gal (注:lgal≈3.785L)提高到49.6mi/gal,提高45%。2009年,英国汽车委员会 提出的目标是汽车发动机能源利用率达到70%的 图2是目前不同领域应用的内燃机的热效率现状。图中表明,小缸径的内 燃机(主要应用于无人飞机、遥控模型、小型工程机械等领域)由于高散热损失、 高扫气损失和低燃烧效率,其热效率相对较低;而大缸径的内燃机转速低、摩擦 和传热损失小,因此热效率较高。而单缸直径达到1m的船用内燃机热效率最 高可达到55%左右。但是,对于所有的内燃机应用领域,用于乘用车、商用车 工程机械和农用机械的重型、中型和轻型内燃机约占9%,其热效率如图中方 框所标示的区域,其有效热效率对汽油机而言为30%~35%,对柴油机而言轻型 车用热效率略低(40%~42%),重型车用相对较高(42%~47%)。因此,这一区 域的节能技术是内燃机研究的重点。本报告也以此范围内燃机为重点开展极限 热效率讨论,并对提高热效率的技术途径进行探讨。同时,本报告最后也简单介 绍了船用柴油机的发展现状及未来趋势
图 １ 世界各国或地区制定的乘用车每公里 ＣＯ２ 排放目标 其主要目标之一是在 ２０１５—２０１７年间，使北美重型卡车实现优化后的示范运 行，其发动机的有效热效率达到 ５５％［３］ 。２０１１年，美国政府颁布轻型车 ２０１７— ２０２５年温室气体排放和燃油经济性标准［４］ ，规定中的关键要素是到 ２０２５年平 均新轻型车温室气体排放（等价二氧化碳）从 ２０１６年的 ２５０ｇ／ｍｉ（注：１ｍｉ≈ １６０９ｋｍ）减低至 １６３ｇ／ｍｉ，降低 ３５％；燃油经济性从 ２０１６年平均 ３４１ｍｉ／ｇａｌ （注：１ｇａｌ≈３７８５Ｌ）提高到 ４９６ｍｉ／ｇａｌ，提高 ４５％。２００９年，英国汽车委员会 提出的目标是汽车发动机能源利用率达到 ７０％［５］ 。 图 ２是目前不同领域应用的内燃机的热效率现状。图中表明，小缸径的内 燃机（主要应用于无人飞机、遥控模型、小型工程机械等领域）由于高散热损失、 高扫气损失和低燃烧效率，其热效率相对较低；而大缸径的内燃机转速低、摩擦 和传热损失小，因此热效率较高。而单缸直径达到 １ｍ的船用内燃机热效率最 高可达到 ５５％左右。但是，对于所有的内燃机应用领域，用于乘用车、商用车、 工程机械和农用机械的重型、中型和轻型内燃机约占 ９０％，其热效率如图中方 框所标示的区域，其有效热效率对汽油机而言为 ３０％ ～３５％，对柴油机而言轻型 车用热效率略低（４０％ ～４２％），重型车用相对较高（４２％ ～４７％）。因此，这一区 域的节能技术是内燃机研究的重点。本报告也以此范围内燃机为重点开展极限 热效率讨论，并对提高热效率的技术途径进行探讨。同时，本报告最后也简单介 绍了船用柴油机的发展现状及未来趋势。 ３０ 中国工程科技论坛：内燃机节能减排技术发展战略
内燃机热效率潜力及提高途径探索31 0505 大发电机组 约45%50%船舶柴油机 轻型交通运输用重型交通运输用 约55% 约30%35%汽油机约42%~4t 050 小发电机组 约15%~20% 无人机 遥控模型 图2不同领域应用的内燃机的热效率现状 二、国内外内燃机热效率潜力探讨 近年来,围绕内燃机极限热效率,国际上开展了广泛的探讨。美国橡树岭国 家实验室在2010年举行了内燃机热效率论坛,探讨内燃机热效率极限。论坛邀 请了美国汽车内燃机工业界和学术界30余位专家,包括美国圣地亚国家实验 室、美国威斯康星大学、三大汽车公司、康明斯公司等,论坛讨论结果向美国能源 部进行了报告。与会专家认为,内燃机热力循环过程包括化学反应和换气过程, 是开口的工作循环,其工作过程向周围散热不是必需的。因此,内燃机热效率极 限不受卡诺定理的限制,其理论热效率甚至可以超过卡诺循环热效率。然而对 于实际发动机,由于不可逆损失(摩擦、燃烧不可逆损失等)、热功转换效率以及 材料和成本制约,内燃机热效率远低于极限热效率7 关于极限热效率,与会专家认为:目前乘用车柴油机最高有效热效率略高于 40%,意味着在理想条件下,有40%以上的燃料能量转化为曲轴输出功;由于非 受控(非平衡)燃烧过程的不可逆损失,燃料20%~25%的佣不能转化为功而损 失掉;最高有效热效率大于60%将是一个较长期的目标,这需要包括内燃机复 合热力循环、先进的发动机结构设计等多种技术支持,而且相关研究工作应该从 当前就开展实施;如果要得到更高的热效率,发动机需要做一系列根本性的改 变,但是其极限有效热效率也很难超过85%;未来发动机技术最重要的挑战是 在保证或者提高发动机功率密度的同时提高发动机热效率。论坛专家认为,提
图 ２ 不同领域应用的内燃机的热效率现状［６］ 二、国内外内燃机热效率潜力探讨 近年来，围绕内燃机极限热效率，国际上开展了广泛的探讨。美国橡树岭国 家实验室在 ２０１０年举行了内燃机热效率论坛，探讨内燃机热效率极限。论坛邀 请了美国汽车内燃机工业界和学术界 ３０余位专家，包括美国圣地亚国家实验 室、美国威斯康星大学、三大汽车公司、康明斯公司等，论坛讨论结果向美国能源 部进行了报告。与会专家认为，内燃机热力循环过程包括化学反应和换气过程， 是开口的工作循环，其工作过程向周围散热不是必需的。因此，内燃机热效率极 限不受卡诺定理的限制，其理论热效率甚至可以超过卡诺循环热效率。然而对 于实际发动机，由于不可逆损失（摩擦、燃烧不可逆损失等）、热功转换效率以及 材料和成本制约，内燃机热效率远低于极限热效率［７］ 。 关于极限热效率，与会专家认为：目前乘用车柴油机最高有效热效率略高于 ４０％，意味着在理想条件下，有 ４０％以上的燃料能量转化为曲轴输出功；由于非 受控（非平衡）燃烧过程的不可逆损失，燃料 ２０％ ～２５％的 不能转化为功而损 失掉；最高有效热效率大于 ６０％将是一个较长期的目标，这需要包括内燃机复 合热力循环、先进的发动机结构设计等多种技术支持，而且相关研究工作应该从 当前就开展实施；如果要得到更高的热效率，发动机需要做一系列根本性的改 变，但是其极限有效热效率也很难超过 ８５％；未来发动机技术最重要的挑战是 在保证或者提高发动机功率密度的同时提高发动机热效率。论坛专家认为，提 内燃机热效率潜力及提高途径探索 ３１