刘洋
摘要：在我国碳达峰碳中和的目标下，内燃机面临严峻的挑战。但内燃机实现碳减排仍然具有较大的潜力，短期内，提高热效率是 内燃机实现碳减排的关键措施;中长期，使用零碳或碳中性燃料，内燃机可实现零碳排放。提高内燃机热效率的关键技术包括先进燃 烧技术、智能可变技术、低摩擦技术。面向碳中和的新型燃料内燃机包括氢燃料内燃机技术、氨燃料内燃机技术、生物质燃料内燃机技 术。内燃机技术及燃料的不断发展，将使得内燃机获得长久的生命力。
关键词：碳达峰;碳中和;内燃机;热效率;零碳燃料;碳中性燃料
1全球碳中和概况
1.1“碳”的类型
碳是生命物质的主要元素之一，也是有机物质的重要组成部分。它以二氧化碳、有机物和无机物的形式储存在地球大气层、陆地生态系统、海洋和岩石圈中。碳元素通过碳固定和碳释放在地球大气、陆地生态系统、海洋和岩石圈中循环。固碳是指通过植物光合作用吸收二氧化碳，海水将二氧化碳溶解在大气中，干旱地区盐碱土吸收二氧化碳，形成含碳岩石，以及利用人工技术将二氧化碳转化为化学品或燃料。碳释放主要来自动植物的呼吸、化石燃料的消耗以及岩石圈含碳岩石的分解。本文将大气中固定或有效的二氧化碳定义为“灰碳”;不能固定或利用并留在大气中的二氧化碳被定义为“黑碳”。
1.2碳中和的内涵和意义
IPCC发布的全球变暖1.5℃特别报告指出，碳中和是指一个组织通过二氧化碳消除技术在一年内平衡二氧化碳排放量，或净零二氧化碳排放量。碳中和的目标是到2030年将全球二氧化碳排放量比2010年減少约45%，到2050年实现净零二氧化碳排放。
碳中和的首要任务是在本世纪末将全球变暖控制在1.5℃。碳中和不仅是控制气候变化，也是人类保护生态环境的根本措施。它有助于保护生物多样性和生态系统，避免更多物种灭绝。碳中和加速了能源系统的低碳绿色转型，为世界带来了新的经济增长点。根据国际可再生能源署（International Renewable energy Agency）发布的《2050年能源转型报告》（energy transformation 2050 report），碳中和带来了2.4%的额外GDP增长，增加了7%能源行业有106个工作岗位。
2面向碳中和的新型燃料内燃机技术
随着国际社会对碳排放的重视，零碳燃料和碳中性燃料等新燃料的使用为内燃机实现零碳化和零污染排放创造了条件。与其他新型动力装置相比，内燃机可以继续发挥其可靠性高、行业成熟、应用前景广阔的优势。选择了几种常用的用于碳中和的内燃机燃料进行概述。
2.1氢燃料内燃机技术
氢燃料被称为零碳燃料，因为它不含碳，其燃烧产物只有水;氢燃料可以通过分解其燃烧产物水来制备，因此它也是一种可回收的清洁能源。目前，氢能产业受到各国的高度重视，被认为是未来能源的重要发展方向。氢燃料电池发动机也被认为是未来潜在的动力装置，受到了广泛的关注。容易被忽视的是氢气容易点燃，燃烧速度快。它也可以直接应用于内燃机燃烧。与燃料电池相比，氢燃料内燃机对氢气纯度的要求较低，发电厂的可靠性较高。随着内燃机技术的发展，其热效率相差不大。孙白刚的团队对氢燃料内燃机进行了各种研究，并研究了当量燃料空气比、点火提前角和热废气再循环对NOx排放的影响以及这些规律与转速之间的相关性;通过实验验证了采用富氧进气提高喷氢内燃机功率的可行性;论证了氢燃料内燃机的可行性。
2.2氨燃料内燃机技术
与氢燃料一样，氨燃料不含碳，完全燃烧只产生清洁无污染的水和氮气，这也是一种零碳燃料;由于其高氢含量和广泛使用的基础设施，它也被认为是理想的内燃机碳中和燃料。氨燃料还具有普通燃料的主要特点：廉价易得、易挥发、易于储存和运输、燃烧值合适、辛烷值高、运行相对安全、与普通燃料兼容。控制氮氧化物排放和提高热效率是氨燃料发动机的主要技术发展方向。混合燃料燃烧也是调节其物理化学特性的重要手段。同时，氨燃料内燃机在船舶上具有较大的应用潜力。秦浩杰等分析了不同掺氢比的氢氨混合燃料的物理化学性质和燃烧特性。结果表明，随着氢比的增加，混合燃料的低热值、理论空燃比和总燃料能量均降低，指示效率先升高后降低。
2.3生物质燃料内燃机技术
生物质燃料在其生长过程中会吸收大量的二氧化碳。因此，从整个生命周期的角度来看，它属于碳中和的燃料，实现碳的吸收和释放。因此，它也是碳中和的理想燃料。综上所述，在柴油机上应用生物柴油的研究现状可以看出，适合生物柴油的高压共轨燃油系统和排气后处理技术是未来生物柴油内燃机的重要研究方向。各种醇醚含氧燃料的研究也是未来内燃机实现碳中和和近零排放的重要方向。黄震等人在电控共轨发动机上研究了乙醇混合比和喷油正时对二甲醚-乙醇混合燃料燃烧和排放特性的影响。与纯二甲醚燃料相比，乙醇混合比的增加延长了点火延迟期，缩短了燃烧持续时间，增加了最大压力上升率，有利于热效率的提高。
3绿色转型
3.1中国制造业面临的多重挑战
中国制造业是国民经济的主体，是建设国家的基础，是振兴国家的工具，是巩固国家的基础。到2020年，中国工业增加值将达到31.31万亿元，连续11年保持世界第一制造国的地位，约占世界制造业的30%。其中，高技术制造业增加值平均增长率达到10.4%，高于规模以上产业4.9个百分点。然而，中国制造业绿色转型的最大障碍是体制和机制问题。目前，中国普遍存在着与绿色经济背道而驰的制度和机制。一方面，不完善的环境监管体系是影响制造业绿色转型的关键因素。目前，为了追求经济发展，地方政府在制定和执行环境政策方面给予了更大的灵活性。对于地方政府来说，绿色转型是一项长期的、高投入、低效益的项目，影响了地方政府的积极性，也造成了绿色转型的阻力。此外，地方政府仅依靠节能减排的市场调节，对绿色转型的激励作用不明显。目前，绿色制造市场体系建设不完善，要素流动不畅，价格没有充分反映绿色产品的稀缺性和供求关系，与碳排放相关的衍生市场还不成熟。长期以来，制造企业在生产中普遍停留在以经济成本为导向的观念上，绿色价值观尚未真正普及。既有旧思维惯性的主观原因，也有环境价值不能充分体现的客观原因。
3.2企业绿色转型能力的缺乏主要体现在资源和技术的缺乏上。
绿色转型需要充足的资金、设备、人力资源等生产要素。虽然从长远来看，转型可以提高资源利用效率，增强企业的可持续发展能力，但从短期来看，企业需要花费巨大的代价，投入巨资更换生产设备、绿色设计产品、绿色回收和废物处理，这不仅直接增加了企业的经营成本，也带来了一定的投资风险。
4 结语
当今世界正在经历一个世纪以来从未有过的巨大变化。生态环境关系到人类的生存和可持续发展，需要各国团结合作，共同应对挑战。碳中和是人类为应对全球气候变化而达成的共识。世界各国积极致力于实现碳中和的目标。碳替代、碳减排、碳储存和碳循环是实现碳中和的四种主要途径。碳取代是碳中和的主链。预计到2050年，它将贡献47%的二氧化碳减排量。
参考文献
[1]洪宇，柴华，孙柏刚，包凌志.富氧燃烧对 PFI 氢内燃机性能的影响.车用发动机，
[2]秦豪杰，申方.掺氢氨发动机的燃烧理论研究.
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