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清华大学教授帅石金:聚焦双碳目标,内燃机的未来该何去何从?

第一工程机械网 原创】“碳达峰、碳中和”是时下热点,作为二氧化碳排放排行第三的地面运输动力如何助力“碳达峰、碳中和”目标的实现?这其中,内燃机产业重担在肩。

4月21日—24日,以“绿色、高效、智能、可靠”为主题的第二届世界内燃机大会在山东济南召开,关于内燃机行业前景的探讨备受各界关注。面临环境、法规、安全等严峻考验以及新能源的冲击,内燃机的未来路在何方?为此,第一工程机械网记者采访了清华大学车辆与运载学院教授、航空发动机研究院副院长、燃烧能源中心副主任帅石金。

清华大学车辆与运载学院教授、航空发动机研究院副院长、燃烧能源中心副主任帅石金

清华大学车辆与运载学院教授、航空发动机研究院副院长、燃烧能源中心副主任帅石金

近中期,内燃机应走高效、低碳化技术路线

中国内燃机学会副理事长、内燃机可靠性国家重点实验室主任谭旭光,在第十届内燃机可靠性技术国际研讨会上表示,“双碳指标将在未来5~10年带来颠覆性的变革。特别是面对排放升级和新能源挑战,以及各细分市场复杂工况对内燃机可靠性的严苛要求,如何实现核心技术和原创技术的新突破,是需要认真思考的课题。”

2020年发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中指出,在相当长的时期内,内燃机仍是汽车动力系统的主体,是汽车产业节能减排降碳的主要贡献者。路线图研究认为,2030年我国汽车产销的50%以上,仍是以内燃机为主体的动力。

帅石金认为,现阶段,不断提高内燃机的热效率、节能减排是内燃机在碳达峰、碳中和之下必须完成的课题。他介绍,内燃机的碳排放与热效率密切相关,热效率的提高本身就是减碳。但进一步提升内燃机热效率存在着较大的技术难度,这也是业内公认的技术难题。从源头上采用低碳燃料也是一条切实可行的低碳技术路线,如在这次世界内燃机大会上,清华大学牵手沙特阿美公司、一汽锡柴和山东京博公司,在柴油机上燃用低辛烷值汽油类燃料,降低了共轨压力需求,减少了集成后处理技术成本,通过第三方测试验证,满足了2027年美国加州最严近零排放法规限值要求。

潍柴动力全球首款突破50%热效率的商业化柴油机

潍柴动力全球首款突破50%热效率的商业化柴油机

内燃机行业龙头潍柴动力于2020年发布了全球首款突破50%热效率的商业化柴油机,发动机本体热效率达50.26%。这是内燃机发展史上的一次革命性突破,不仅改写了世界内燃机技术格局,也树立了全球商用车柴油机热效率的新标杆。

帅石金还表示,追求碳中和是一个循序渐进的过程。从近中期看,内燃机走低碳化技术路线,尽可能地节能减排,对我国交通能源早日实现碳达峰和碳中和意义重大。

实现“30·60”双碳目标,内燃机还需烧零碳燃料

帅石金坦言,如果只是一味提高燃烧效率和热效率,不解决燃料来源本身的问题,终究还是难以满足“碳中和”的长期目标。因此,内燃机要想不被淘汰,行业势必要从源头上解决碳排放问题,尽快研发零碳燃料发动机,也是长远解决内燃机困境的一条出路。

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清华大学车辆与运载学院教授、航空发动机研究院副院长、燃烧能源中心副主任帅石金

未来解决零排放的问题,内燃机可以烧“氢”。

据帅石金介绍,氢内燃机从技术角度上讲已经比较成熟,国际上将氢燃料用于内燃机主要基于如下几个方面的认识:

其一,内燃机经过100多年的发展仍然具有很大的发展潜力,普通氢燃料内燃机成本比常规汽油机成本略高一些,但远低于燃料电池,具有成本优势;其二,氢燃料内燃机具有多种燃料适应性,不仅可以使用纯氢为燃料,也可以使用氢与天然气、氢与其他燃料的混合燃料,是当前降低对石油依赖的重要途径;其三,氢燃料内燃机没有温室气体二氧化碳排放,没有CO、HC和碳烟排放;其四,氢燃料内燃机冷启动更容易,不存在氢燃料电池冷起动问题。

但是,目前氢内燃机还存在一些需要解决的技术问题,诸如易发生早燃、回火、工作粗暴和NOx排放较高等缺点。

除了“氢”外,内燃机还可使用“E-Fuels”——液态阳光燃料。

据了解,“E-Fuels”中的“Fuel”是英语“燃料”的意思,而字母“E”则代表“可再生电力”。简单翻译,“E-fuel”是可以将水电解生成的H2,并与CO2通过催化反应合成的一种液体碳氢燃料。

“E-Fuels”的化学结构和基本特性与传统的柴油或汽油燃料并没有本质的区别。但因其利用可再生能源所制得,并且可以使CO2的排放和吸收平衡,因此从理论上讲,“电力合成燃料”可以帮助我们改善传统燃油所令人诟病的“碳足迹”,实现“碳中和”。

从理论上讲,使用电力合成燃料发动机的汽车,在驾驶的过程中已经可以实现“碳中和”。同时,如果选择使用“ 电力合成燃料”,我们就可以继续使用加油站等现有基础设施以及最大限度的保留同内燃机技术所相关的产业供应链,无需大量布局新的充电站和加氢站。

当然,“E-Fuels”大规模应用的最大挑战还是燃料价格过于昂贵。不过,帅石金也坦言,技术变革带来的挑战和不确定性对内燃机行业来说是不可避免的,但新技术的突破必将是减少排放和降低成本的长期解决方案。

采访最后,帅石金呼吁内燃机行业与能源行业携手合作,积极推动政府、产业、科研、教育,持续加大对内燃机的科技创新、技术研发人才培养的投入力度,为实现内燃机产业的节能减排,实现产业碳达峰、碳中和的战略目标作出更大的贡献。

责任编辑:Yaodl

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