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兵在掌上阅 亮剑弹指间

4%的巨大意义

从热效率提升看内燃机发展


■邰丰顺 丁 勇

狄塞尔研制的世界第一台柴油机

9月16日,潍柴动力股份有限公司在山东省济南市发布全球第一款热效率突破50%的商业化柴油机,刷新全球柴油机热效率纪录。

热效率是衡量动力装置燃油利用效率的标准。一般来说,诸如蒸汽机、内燃机等常规动力装置的燃料燃烧效率基本达到95%以上,但受限于常规动力装置本身的特性和热力学定律,其产生的热能大部分被冷却装置和排气装置消耗,用来做功产生动力的剩余热能并不多。

内燃机、蒸汽机和燃气轮机是目前人类社会生产生活中,大量使用的三大常规动力装置。其中内燃机是一种燃料在装置内部燃烧释放热能做功,将热能转化为动能的热力发动机。广义的内燃机不仅包括各类活塞式发动机,也包括喷气式发动机这样的旋转叶轮式发动机。不过,内燃机现多指活塞式内燃机,常见的有柴油机和汽油机。

与之相反,蒸汽机是典型的外燃机,燃料燃烧产生的热能,从外部加热装置内部锅炉中的水,使之转化为蒸汽,驱动机械装置做功。

燃气轮机严格来说也属内燃机,但由于其将燃料与压缩空气混合成高温高压气体,在涡轮中膨胀做功,驱动叶轮高速旋转产生动能,与活塞式内燃机工作原理差别较大,故多单列为一类发动机。

目前,这3种类别下的各类发动机热效率分别为:蒸汽机4%至8%,蒸汽轮机25%至30%,汽油机26%至45%,柴油机34%至46%,燃气轮机50%至60%,喷气式发动机50%至60%。

相比蒸汽机,在产生同样动力的情况下,内燃机具有整机体积小、重量轻、装机适应性强等优势,且热效率更高,启动速度更快。

相比燃气轮机,内燃机的热效率虽较低,但具有制造、使用成本低,噪音小等优势。特别是属内燃机范畴的柴油机,扭矩大、安全性高、经济效能好。因此,内燃机特别是大功率柴油机被广泛应用于军民用领域,如军民用船只、常规动力潜艇、坦克装甲车辆、民用运输卡车和重型牵引车辆等。

1860年,法国人勒努瓦发明了世界上第一台使用煤气的内燃机,热效率为4%左右。

1883年,德国人戴姆勒设计制造了第一台汽油内燃机。

1897年,德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸启发,压缩吸入气缸的空气,使其温度超过燃料燃点温度,再以高压空气将燃料吹入气缸,点燃燃料,以此研制制造了压缩点火式内燃机,也就是柴油机,热效率达到26%。

对于柴油机来说,提高其热效率,需从提高燃料燃烧效率,降低冷却和排放热能损耗,降低整机热能损耗等方面入手。

不过,说起来容易做起来难。尽管提升柴油机热效率主要为热力学问题,但内燃机工作时,内燃机工质的流动、燃料燃烧、热交换等,涉及燃烧学、传热学、流体力学和化学动力学等一系列学科,是一个跨学科综合应用的复杂问题。自1897年世界上第一台柴油机面世,历经百年技术改进,柴油机的热效率也只提高了20%,达到46%。

根据媒体报道,潍柴为将柴油机热效率提升至50.26%,开创协同燃烧技术、协调设计技术、排气能量分配技术、分区润滑技术和智能控制技术五大专有技术,有针对性地解决了阻碍柴油机热效率提升的一系列世界级难题。

行业专家指出,以目前46%的行业热效率水平估算,热效率提升至50%,柴油消耗将降低8%,二氧化碳排放将减少8%。

不要小看这4%的提升,若按目前国内重型柴油机市场保有量700万台估算,全部替换为50%热效率的柴油机,每年约可节约燃油3332万吨,减少二氧化碳排放10495万吨,具有极为重要的意义。

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