內燃機前景

宋世哲 康寧

摘 要：內燃機是燃料在機器內部燃燒，并且將燃燒釋放出來的熱能轉換成為機械能的一種動力機械裝置。具有體積小，移動靈活，熱效率高和操作方便等特點，廣泛應用在交通運輸，工程機械，農業機械，小型發電設備等領域。根據市場分析，市場需求量大，前景廣闊。同時，新材料、新技術的出現使內燃機動力性經濟性提升。根據目前形勢，將內燃機和電動機相比較，由于電池技術的不成熟和電動機技術的不完善，在短時間內，內燃機仍然是主要的動力機械來源。各種代用清潔燃料的出現和混合動力技術的發展，讓內燃機的發展有一個很好的應用前景。最后給出當今內燃機發展方向。

關鍵詞：內燃機；市場需求；發展現狀；電動機；發展方向

1 內燃機市場需求現狀

1.1 內燃機在汽車領域的需求

截至2014年年底，我國機動車保有量達2.64億輛，其中汽車1.54億輛；機動車駕駛人突破3億人，其中汽車駕駛人超過2.46億人。統計數字顯示，近五年機動車年均增量1500多萬輛，排名世界第二位。其中機動車99%以上動力來源于內燃機。根據產業研究院發布的《2015-2020年 中國內燃機及配件制造行業市場前瞻與轉型升級分析報告》分析認為，汽車行業是內燃機的重點需求領域，《“十二五”汽車工業發展規劃意見》指出，“十二五”時期，我國汽車產量將達到2800萬-3000萬輛，汽車工業將以12%以上的速度增長，這將大力推動我國汽車用內燃機需求的增長。

1.2 內燃機在船舶領域的需求

工信部發布的《船舶工業“十二五”發展規劃》對“十二五”期間船舶工業的發展提出了如下目標：環渤海灣、長江三角洲和珠江三角洲造船基地成為世界級造船基地，產業集中度明顯提升，前10家造船企業造船完工量占全國總量的70%以上，進入世界造船前十強企業達到5家以上。工信部發布的《船舶工業“十二五”發展規劃》對“十二五”期間船舶工業的發展提出了如下目標：環渤海灣、長江三角洲和珠江三角洲造船基地成為世界級造船基地，產業集中度明顯提升，前10家造船企業造船完工量占全國總量的70%以上，進入世界造船前十強企業達到5家以上。其中，我國大型船舶多數采用電力推動，其電能來源于若干大型中速柴油機組。

1.3 內燃機在鐵道交通領域的需求

在我國乃至世界鐵道交通領域的自然環境嚴峻地帶，鐵道交通搭建電力線路建造成本，維護成本高，受環境影響，可靠性低，因此柴油內燃大馬力牽引機車不可替代。同時這些地區有待開發，線路擴張，前景可觀。目前調車作業很大部分由內燃機車完成。美國，巴西，澳大利亞均采取內燃牽引重載。

綜上所述，內燃機應用市場廣闊。

2 內燃機特點及發展現狀

內燃機是燃料在機器內部燃燒，并且將燃燒釋放出來的熱能轉換成為機械能的一種動力機械裝置。具有體積小，移動靈活，熱效率高和操作方便等特點，廣泛應用在交通運輸，工程機械，農業機械，小型發電設備等領域【1】。汽油缸內直噴（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（FSI）等技術逐漸成熟。并且陶瓷材料和工程塑料（如纖維增強塑料）具有比傳統材料優越的減摩性、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格的降低，未來工程塑料在內燃機上的應用將會與日俱增。

2.1 內燃機與電動機差異

隨著對排放的控制逐漸嚴格，內燃機的排放問題逐漸被重視。隨即電動汽車和混動汽車以及一些新型的汽車走向市場。車輛電子，電控，（譬如內燃機電子打火，廢棄的控制，車載系統，車燈，儀表盤，等等）發展多年，技術成熟，汽車基于之前的研究為基礎朝著電子化的方向發展，繼續延伸。電動機目前很長一段時間不能替代內燃機的一個方面就是，內燃機可以實現高轉速大轉矩，而電動機車用永磁電動機本身存在著調速范圍不易擴大，電機長時間工作產生溫升對永磁體影響比較明顯等問題，并且最大轉矩，百公里加速等技術指標也沒有全面超越傳統發動機。實用性并不強。高速狀態下提供不了足夠大的轉矩。重型機械完全無法靠電池驅動。電池短時間內無法達到燃油這么高的能量密度。

針對目前形勢，電動機有以下幾個問題。

1.充電時間太長，超級電容技術的速充技術，但離成熟太遠。

2.續航能力不夠，基礎設施也不夠。

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。特斯拉的續航尚可因為它用的鈷酸鋰電池，安全性上就略低了。其發動機的動力性與經濟性矛盾的協調問題。

4.能源格局不允許。內燃機是將化石燃料轉化成機械能效率最好的機械之一。電動機本身當然不用化石燃料，也沒有排放，但是追溯到源頭來看。我國能源格局：華南地區水利工程多，但北方大多是用火電廠發電，燃料為煤。根據2014年我國電力市場發展現狀分析：火力發電仍是主力，發電約占全國電力生產總量80%左右，水電在15%左右，剩下的是核電和風電。在我國電動車電能利用主要來源于火力發電，最終體現在燒煤的多少上，按照我國目前的發電比例，推廣電動機，可以綠色環保無污染，代價卻是將污染轉移到城郊火電廠真正所在的地區，而且火電需要將燃料轉化成電能，再通過電網充給汽車，再轉化成機械能，其中能量轉化效率下降，而且將分散排放轉化為集中排放，對本質上的節能減拍意義不大，而且需要改變國內能源布局，影響范圍廣，實施難度大。

就乘用車動力系統而言，相較于電池，內燃機仍是并將長時間是成本更低、可靠性更高的動力源。

3 內燃機的發展方向

進氣系統改進，實現油氣最佳混合。目前技術有采用增壓+中冷技術、采用多氣門+可變配氣相位（VTEC）、采用多氣門+可變配氣相位（VTEC）技術等【2】。

燃燒室和燃燒方式。燃燒、流動機理復雜艱深，先進燃燒的發動機開發是前沿熱點。壓燃式發動機會是發動機的未來。合適的燃料+高壓縮比+缸壓閉環控制+EGR（廢氣再循環技術）+先進的噴射控制，將可以實現高效清潔的燃燒。近十年來，類HCCI的先進燃燒模式PCCI LTC RCCI等等分別從不同的角度入手在一定的負荷范圍內實現了穩定的高效清潔燃燒。

混合動力系統的開發。復雜的動力系統控制問題、發動機的技術升級與匹配、機電耦合中的動態問題等。

另外對于內燃機的噪聲震動問題、燃油供給系統、排放后處理、材料技術等方面均有很大研究前景。

參考文獻

[1]王中錚.熱能與動力機械基礎 [M]. 1版.北京：機械工業出版社，2004.

[2]周龍保.內燃機學 [M]. 3版.北京：機械工業出版社，2011.