淺談柴油機(jī)的未來

淺談柴油機(jī)的未來

100多年前的發(fā)明。若把蒸汽機(jī)的發(fā)明認(rèn)為是第一次動(dòng)力革命,那么內(nèi)燃機(jī)的問世當(dāng)之無愧是第二次動(dòng)力革命,因?yàn)樗粌H是動(dòng)力史上的一次大飛躍,而且其應(yīng)用范圍之廣、數(shù)量之多也是當(dāng)今任何一種別的動(dòng)力機(jī)械無與倫比的。隨著科技的發(fā)展,內(nèi)燃機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性等諸多方面取得了驚人的進(jìn)步,為人類做出了巨大貢獻(xiàn)。蒸汽機(jī)從初創(chuàng)到完成花去了一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間,從完成到極盛又走了一個(gè)世紀(jì),從極盛到衰落大約也是一個(gè)世紀(jì)。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明也經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的歷程,從那時(shí)起,人類又前進(jìn)了一個(gè)世紀(jì),可以說如今內(nèi)燃機(jī)已進(jìn)入了極盛時(shí)期。在世紀(jì)之交的今天,我們關(guān)注內(nèi)燃機(jī)的未來,人們?cè)谑媚恳源耐瑫r(shí),更希望內(nèi)燃機(jī)能在新的世紀(jì)再創(chuàng)輝煌的業(yè)績。本文將通過對(duì)能源、環(huán)保、技術(shù)等方面的分析,探討新世紀(jì)里內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展趨勢。1世紀(jì)的天然氣和燃料發(fā)展內(nèi)燃機(jī)與其燃料的關(guān)系是相互依存、相互促進(jìn)的,近百年來內(nèi)燃機(jī)和石油及其制品的發(fā)展史可以說是它們伴生相隨的發(fā)展史。從19世紀(jì)60年代美國人開始懂得用間歇法蒸餾石油而分割其不同餾分,到1967年石油在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一躍超過煤炭而位居第一,人類真正步入了“石油時(shí)代”。專家預(yù)測,雖然石油在世界一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中的比例目前一直穩(wěn)居第一,但今后世界石油產(chǎn)量的增長速度會(huì)逐步減慢,在2030年左右到達(dá)頂峰。這個(gè)階段仍是“石油時(shí)代”,其他代用燃料只起輔助或局部代替的作用。不能回避的問題是,石油枯竭終將在21世紀(jì)內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)。與此同時(shí),世界天然氣產(chǎn)量將持續(xù)上升,彌補(bǔ)石油比例的下降,并在2040年前后到達(dá)高峰期,年產(chǎn)量超過石油,人類將進(jìn)入“天然氣時(shí)代”。此后,天然氣在一次性能源中的主導(dǎo)作用還將持續(xù)幾十年,從而逐步向非礦物能源過渡。所以,許多專家認(rèn)為:“21世紀(jì)中葉將進(jìn)入天然氣時(shí)代”、“21世紀(jì)是天然氣時(shí)代”、“天然氣是21世紀(jì)的全球能源”。內(nèi)燃機(jī)2000年第6期·9·另一方面,為了充分合理利用現(xiàn)有石油的資源,石油系燃料本身正在向重質(zhì)化、寬餾分化以及按地區(qū)、季節(jié)供應(yīng)不同凝點(diǎn)的燃油等方面發(fā)展。例如,為節(jié)約能源、降低運(yùn)行成本以及提高適應(yīng)能力,大型低速船用柴油機(jī)也從改進(jìn)自身的供油系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)甚至增壓系統(tǒng)入手,使自己能燃用更重、更差一些的燃料。歷史和現(xiàn)實(shí)證明,燃料的發(fā)展促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展,而內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展又反過來推動(dòng)了各種燃料的發(fā)展。不論中東戰(zhàn)爭和石油危機(jī)以后內(nèi)燃機(jī)各種代用燃料的研究和使用,還是內(nèi)燃機(jī)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展,以及煉油工業(yè)為適應(yīng)內(nèi)燃機(jī)工作過程的需要和各國政府對(duì)排放的從嚴(yán)控制而對(duì)燃油品質(zhì)的不斷提高等都充分證明了這一點(diǎn)。隨著石油燃料來源逐漸減少,人們將愈來愈多地依靠發(fā)展石油系以外的各種燃料來發(fā)展內(nèi)燃機(jī),21世紀(jì)最有前途的內(nèi)燃機(jī)代用燃料將是天然氣、醇類、植物油及氫等,這些代用燃料都能在改善能源結(jié)構(gòu)、降低排放污染等方面起到積極作用。所以,要研究和發(fā)展內(nèi)燃機(jī)工業(yè),必須同時(shí)重視內(nèi)燃機(jī)燃料的研究,必須關(guān)注世界能源結(jié)構(gòu)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和各國政府的能源政策。因此,我們有理由相信:a.21世紀(jì)天然氣將成為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的主要代用燃料;b.21世紀(jì)中葉內(nèi)燃機(jī)將進(jìn)入代用燃料時(shí)代;c.21世紀(jì)之內(nèi),內(nèi)燃機(jī)的傳統(tǒng)燃料——汽油、柴油將退出歷史舞臺(tái);d.節(jié)約能源仍是21世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的主題。2混合能源或混合動(dòng)力是未來能源低排放的重點(diǎn)方向內(nèi)燃機(jī)是目前世界上用途最廣的動(dòng)力裝置,在各行各業(yè)中起著不可替代的重要作用,內(nèi)燃機(jī)工業(yè)水平成為一個(gè)國家發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一。但內(nèi)燃機(jī)同時(shí)又是造成大氣污染的主要污染源之一。內(nèi)燃機(jī)的有害排放物包含燃料燃燒后排出的廢氣,曲軸箱竄氣,機(jī)油蒸發(fā)排放,油箱和化油器的燃油蒸發(fā)排放等,其中以排出廢氣的有害物最多,對(duì)大氣污染嚴(yán)重,并直接威脅人的生命。為此,各國政府千方百計(jì)地采取有效措施,以減少內(nèi)燃機(jī)的有害排放物,達(dá)到保護(hù)環(huán)境、保證人們身心健康的目的。為了從法律上保證控制環(huán)境污染,促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)排放控制技術(shù)的飛速發(fā)展,各國都相繼制定了日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。以美國的車輛排放法規(guī)為例,它不僅制定了聯(lián)邦的車輛排放法,而且各州政府還根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r制定適合本州的車輛排放法規(guī)。最著名、最有影響力的是加州大氣保護(hù)局(CARB)制定的車輛排放法規(guī),它已被美國聯(lián)邦政府和許多國家制定相應(yīng)法規(guī)時(shí)參照和引用。加州這項(xiàng)在1990年10月制定的法律規(guī)定,到1998年底,零污染車輛至少應(yīng)占當(dāng)今總銷售車輛的2%,到2003年,至少應(yīng)占10%(目前只有電動(dòng)汽車等能達(dá)到零污染的要求)。雖然在1995年底美國底特律汽車展開幕之前,加州立法機(jī)關(guān)同意暫緩執(zhí)行有關(guān)增加零污染汽車銷量的法律,使美國幾家大汽車公司的老板們都松了一口氣,但該法律的頒布已使加州車輛的排放水平低于聯(lián)邦法規(guī)控制的車輛排放水平。歐洲聯(lián)盟(當(dāng)時(shí)為歐洲共同體)從1970年起開始推行汽車排放標(biāo)準(zhǔn)。起初只限制HC和CO的排放,1977年開始限制NOX排放,在1984年以后的歐洲標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)HC和NOX的排放標(biāo)準(zhǔn)是限制這兩項(xiàng)的總和,從1988年開始對(duì)柴油機(jī)的微粒排放也進(jìn)行了限制。2005年歐洲聯(lián)盟的輕型汽車各種排氣污染物的排放限值(歐洲4)將在1992年(歐洲1)的水平上降低63%~82%。人們不堪忍受的還有內(nèi)燃機(jī)的噪聲污染。噪聲同樣危害人類的身心健康,因而也受到各國政府越來越嚴(yán)格的限制。因此,不論是從內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行可靠性還是從減少環(huán)境污染、保障人們身心健康,以及操作舒適性出發(fā),都必須認(rèn)真對(duì)待內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)和噪聲問題,世界各國也都把內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)、噪聲及其控制問題作為重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一。近年來,由于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展,研制出了一些先進(jìn)的低排放、高燃油經(jīng)濟(jì)性的內(nèi)燃機(jī),它們?cè)谖囱b用任何處理裝置的情況下達(dá)到了美國1994年排放法規(guī)的要求,顯示出內(nèi)燃機(jī)機(jī)內(nèi)凈化的巨大潛力。這就必須利用先進(jìn)技術(shù)對(duì)燃燒過程進(jìn)行優(yōu)化,使內(nèi)燃機(jī)達(dá)到高效率、低污染的要求,同時(shí)采用有力措施提高和改善燃料的品質(zhì)。幾乎所有為降低污染排放所采取的技術(shù)措施都面臨著成本問題。對(duì)制造商來說,一項(xiàng)重要的實(shí)用技術(shù)研究和推廣通常要耗費(fèi)數(shù)億、乃至上十億美元之巨。因此,立法當(dāng)局面臨一個(gè)困難的選擇:從保護(hù)環(huán)境出發(fā),必須充分考慮汽車排放對(duì)環(huán)境特別是公眾健康的損害,但由此制定的法律是否可行,卻受到技術(shù)與成本的限制。幾乎每一項(xiàng)相對(duì)超前的立法都使制造商感到不快。在技術(shù)和成本未能取得劃時(shí)代的突破之前,采用混合能源或混合動(dòng)力裝置是相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的選擇,未來將出現(xiàn)多種類型并存及搭配使用的局面。例如,采用內(nèi)燃機(jī)和電力混合動(dòng)力裝置的汽車將在21世紀(jì)的道路交通中占據(jù)舉足輕重的位置。無論是從環(huán)保角度還是從能源角度看,未來電動(dòng)汽車(以燃料電池、蓄電池及太陽能為動(dòng)力源)都將有一個(gè)大的發(fā)展,其開發(fā)將關(guān)系到眾多工業(yè)的興衰,可能成為未來新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。隨著技術(shù)難題的解決及價(jià)格矛盾的排除,在21世紀(jì)