今天的内容篇幅比较长,我还是要从山上下来,回到比较"正常"的地方和大家交流,欢迎收看174期睡前消息,请静静远程介绍新闻。
9月16日,潍柴集团正式发布新产品,全球首款热效率突破50%的商业化柴油机
督工,你怎么看这次潍柴集团的的技术突破?
我看到有媒体说,这是世界内燃机发展的历史性新突破,为全球柴油机热效率定义新标杆。潍柴集团董事长谭旭光自己形容,可以比作人类100米成绩第一次进入10秒,
https://www.sohu.com/a/418822404_115362
但这些形容还是太粗略了,我还是从中学知识出发,先说说柴油机热效率的概念。
19世纪中后期,第二次工业革命开始起步,标志性技术突破就是电力和内燃机。1862年,法国工程师德罗沙提出了进气、压缩、燃烧、排气的"四冲程"概念,告诉人类如果要摆脱巨大的燃煤锅炉,需要往哪个方向发展。1876年,德国工程师奥托造出了第一台四冲程内燃机,1878年送到巴黎世博会上展览,被称为"瓦特以来动力机方面的最大成就"。直到今天,大多数汽车发动机的运行原理还叫奥托循环。
奥托原型机不烧油,靠煤气运转,必须配一个高压罐才能装到车上,这太危险了。所以之后的内燃机分出了两条道路,一个是点燃式的汽油机,一个是压燃式的柴油机。
https://www.bilibili.com/video/BV1hx411j728/?spm_id_from=333.788.videocard.0
汽油机有点火器,把空气压缩到十分之一就开始燃烧。柴油机要把空气压缩到二十分之一才能利用压缩热量点燃柴油。虽然理论上柴油机的效率更高,但是因为要配更强大,更结实的压缩设备,比汽油机笨重,原理上就有差距。
https://www.bilibili.com/video/BV13b411v7HX?from=search&seid=2821688629703765271
所以1883年就出现了汽油机,之后9年,1892年,德国的狄塞尔博士才注册了点火压缩机的专利,到1897年做出来第一台压缩点火单缸柴油机,功率14W,热效率26%。这就是柴油机热效率的起点。
做出柴油机,不等于立刻有人接受。柴油机除了压缩需求比汽油机多,还需要解决柴油挥发性不如汽油的问题。为了让柴油均匀分布到气缸里面,和高温空气充分混合,必须制作特别的高压喷嘴,把雾化的柴油喷进去。狄塞尔搞出柴油机的时候,这些条件还不具备,柴油机相对汽油机没有优势。所以狄塞尔的产业投入大,赚钱少,弥补不了狄塞尔商业方面的缺陷。1913年,狄塞尔跳海自杀了。
其实狄塞尔距离世界级企业只差一步,他自杀前后,柴油机的配套设备也基本成熟了,1913年已经出现了柴油机驱动的火车头。而且1914年爆发世界大战,所有发达国家都疯狂购买能推动车辆的动力设备,德国尤其需要柴油机推动潜艇和小型军舰,所以说狄塞尔死在了事业成功的前夜。
http://www.360che.com/news/160909/65239.html
第一次世界大战的结果是苏联建立。到了第二次世界大战前,苏联虽然已经是世界第二大工业国,但是大而不强,造不出复杂的发动机,尤其不喜欢造汽油机点火花塞这种复杂部件。柴油机虽然结构笨重,但也意味着可靠性高,坏了容易修。正好苏联自己的石油油品偏重,炼柴油容易,所以苏联非常重视开发柴油机。
苏联最著名的柴油机,是B2柴油机。二战前苏联找法国买了航空柴油机仿造,从德国博世(BOSCH)公司买了高压喷油泵技术,发展了B2柴油机系列产品,第一个成就,就是给T34坦克提供发动机。回顾二战的照片和电影,我们经常看到苏联坦克兵直接用火烤柴油机,预热发动机,这就是柴油机可靠性高的表现。
此后,苏联B2柴油机继续发展,美苏冷战时期,苏联的坦克、自行火炮、牵引车、军舰、石油钻井、载重车,都用B2系列柴油机。这几天亚美尼亚和阿塞拜疆打仗,开出来的T72坦克,装的还是B2柴油机后续型号。
这种B2发展到最后,理论热效率也勉强超过40%。考虑到加工、组装精度和维护状况,实际热效率肯定不到40%。中国的86式步兵战车也是B2柴油机驱动,多次改进以后,热效率达到43%,几乎是苏联技术路线的极限了,但是其他方面技术指标差,消耗润滑油像喝水一样。这是20世纪后期,冷战水平的柴油机效率。
70年代,欧美发起第三次工业革命,电子工业大发展,带动了机械加工精度的提升,柴油机可以进一步小型化、精细化,苏联就开始跟不上节奏了。这时候,德国的博世公司造出的新型高压喷油泵,压力差不多2000个大气压,再加上微电子设备的精细控制,西方国家的柴油机性能快速提升,把热效率提升到了45%左右。中国这一轮柴油机效率提升,就是在吸收第三次工业革命的成果以后,反过来继续给第二次工业革命的欠账补课。
https://baike.baidu.com/item/苏联УΤД-20柴油机/15526266?fr=aladdin
http://www.doc88.com/p-8876248431729.html
https://baike.baidu.com/item/6V150柴油机/4834872?fr=aladdin
中国的柴油机为什么能超过西方的热效率?
苏联最早的柴油机技术源自西方国家,中国这几十年柴油机技术,也是在不断引进、消化西方技术。
70年代,中国普及率最高的柴油机,还是农村手摇启动的单缸柴油机。这些单缸柴油机不仅拖拉机在用,凡是生产上能想到的地方,过去都在用。直到现在,农村地区还有很多几十年前留下来的单缸柴油机。
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1652709859462215569&wfr=spider&for=pc
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1652942492825497169&wfr=spider&for=pc
https://zhidao.baidu.com/question/248089077453891204.html
但就连这些单缸柴油机,一开始我们都不能自己造。因为柴油机的喷油泵、喷油嘴,生产难度超出了一般农机厂的技术水平。我父亲当时修拖拉机,就要反复修理50年代引进的苏联烧球式柴油机,启动之前要给发动机里面放一块硫磺预热。修到70年代,80年代也舍不得报废。
为了生产单缸柴油机,1969年,北京农业局安排丰台农机厂研发喷油泵,1971年解决了初步的大规模生产问题,这就是现在北油的前身。
https://xw.qq.com/cmsid/20191213A0FLYI00
http://www.fantasia-byc.com/intro/6.html
但到80年代中期,随着国内经济进一步发展,对柴油机的要求也在变高。刚才我讲过,苏联B2柴油机买了30年代德国博世公司的油泵油嘴技术。1984年,北油还是找博世公司引进了A型多缸泵、多孔式长油嘴及下置弹簧喷油器,全面改造全国的军用民用柴油机。
在北油引进博世公司技术的这一年,潍柴也从母公司中国重汽引入了车辆柴油机生产线,而中国重汽的技术,来自1979年引进的奥地利斯太尔汽车。
早期的潍柴,和大多数国企一样,内部问题很多,往往抱着一套引进技术用到落后就倒闭。90年代潍柴就差点关门,
1998年政府任命谭旭光出任潍柴董事长,账面资金只剩8万,欠债3亿,主要生产线KW铸造线还被火灾烧毁了。谭旭光发挥了跑业务的特长,考察全国市场,给潍柴找出路。其中最重要方向,就是重卡。
https://max.book118.com/html/2017/0708/121147064.shtm
https://wenku.baidu.com/view/f43f39c408a1284ac85043e9.html
http://news.bitauto.com/hao/wenzhang/921374
1998年刚好也是中国房改,地产大跃进的起点,国内工程机械市场,几乎还是一片空白。谭旭光刚提出想做重卡,母公司中国重汽还提出反对,因为这部分市场原本是母公司独家的,怕抢生意。之后几年,潍柴开发出了性能不错的重卡,与母公司之间的关系进一步恶化。
2004年,熟悉市场的谭旭光率先带领潍柴在香港上市,而这时候母公司中国重汽也在筹备到香港上市,矛盾进一步升级。到了2006年,中国重汽与潍柴的矛盾已经不可调和,只能在山东省国资委主持下和平分手。
再往后,随着国内工程机械市场越来越发达,70年代奥地利技术也不够用了,中国重汽和潍柴又分别引进德国曼恩(MAN)的技术,开发了全新的产品。但总体来说,潍柴的进度要更快一些。2018年,谭旭光反过来当上过去的母公司,中国重汽党委书记,重组两家国企,说明政府也很认可潍柴这些年的发展。
http://auto.sohu.com/20060404/n242633432.shtml
可以说,最近20年,中国基建和地产业大发展,是重型工程机械快速进步的主要原因,能抓住这个机遇的企业就能扭转局势。另外一个次要原因,是对西方技术的消化吸收,现在潍柴推出来的超50%热效率柴油机,用的喷嘴仍然是德国博世喷嘴,工作压力接近2500个大气压。这既说明中国充分消化了西方技术,也说明局部问题上还有差距/
我们应该怎么理解潍柴超越的50%热效率指标?
柴油机热效率突破40%不难,但进一步提高非常困难。内燃机越大,气缸越大,冷却越慢,机械转速越低,摩擦损耗也越小,越容易实现高热效率,所以船用柴油机比车用的热效率要高。但即便是体积巨大船用柴油机,热效率提升也极为困难。金东寒院士总结过船用柴油机每做功1千瓦时的燃油消耗量,人类用了50年时间,才压缩25克,平均每2年1克。把金院士这个说法,换算成热效率,相当于船用柴油机花了50年才累计提高10%的效率。车用柴油机体型比船用的小,热效率提升难度要高得多,潍柴把热效率从46%提高到50%以上,的确是系统整体的巨大突破。
https://www.sohu.com/a/354473160_203321
国外也经常有消息,说实现了柴油机热效率突破50%,但都是实验室产品,很多设计往往是牺牲了其它指标,片面提高燃烧率制造大新闻,根本没法商用。而潍柴这次出品的是商业级发动机,还是符合国6标准的。这意味着如果按照实验室套路,牺牲一部分减排指标和使用寿命,热效率还会有更夸张的提升。这就是为什么潍柴敢喊话55%。
https://www.sohu.com/a/166752811_455835
既然中国是消化吸收西方技术达到现在的水平,为什么能率先突破50%热效率呢。
内燃机的热效率损耗,有几个主要方面,比如排气、冷却、机械的摩擦碰撞,都要释放能量,再加上泵气损失和燃烧损失,这些都会降低热效率。为了提高柴油机效率,就要利用废气回收做涡轮增压,用旋转活塞降低机械损耗。
刚才我提到潍柴最新一轮引进,是消化德国曼恩公司的技术。德国第一台涡轮增压柴油机卡车,就是1951年曼恩公司生产的。而旋转活塞要解决平面移动过程中的密封问题,1957年才被德国工程师汪克尔做出来。
https://www.sohu.com/a/166752811_455835
http://www.360che.com/news/160909/65239.html
再往后,柴油机每提高1个百分点都越来越困难。现代柴油机要用各种技术手段反复推敲每个环节,要研究油品有没有改良的空间,要给燃烧室的燃烧过程建模分析,研究油嘴喷出的柴油进入燃烧室的动态分布,研究燃烧室内壁结构对油雾分布的影响,还要用电子技术对柴油机的机械部件实现更精密的控制。
1997年,国家科技领导小组召开第三次会议,制定国家重点基础研究发展规划,也就是973计划。973计划中,能源部分专门提出了"新一代内燃机燃烧理论和石油燃料替代途径的基础研究"课题,首席科学家是工程院院士苏万华。http://skle.tju.edu.cn/show.jsp?informationid=201212031118296606&classid=201210241623590438
苏万华院士带领的天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,这些年给潍柴持续输送人才。潍柴现在能摸到国际先进水平,的确也是整个国家科研力量和财政资金支持的结果。
最后还是要强调一下,潍柴的成功,很大程度上是因为它不像我们一般概念中的国企。去年7月30日的第六期睡前消息,我们报道过潍柴给总设计师发1000万奖金的新闻。
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1640037008965704080&wfr=spider&for=pc
也同样是去年,潍柴谭旭光掌管中国重汽以后, 立刻传出了裁员2.2万的消息。
https://www.sohu.com/a/294487007_715091
谭旭光之后公开表示,中国重汽确实要减员,目前20万辆重卡、20万辆轻卡的产量,就是养不了4.2万人,国有企业不是养老的地方、不是养懒汉的地方。谭旭光同时表示,尽量少用派遣工干活,多用自己的员工干活。这说明,如果潍柴谭旭光代表了国企的成功方向和改革样板,以后至少国企的"体制内"概念会越来越弱,一方面进去拿编制会越来越容易,另一方面拿到编制也不等于拿到铁饭碗,生活无忧。很多人抱着求稳定的概念去国企,将来可能行不通了。
好,174期睡前消息到此结束,最后提醒大家一下。这几天我在四川西部活动,全靠穆好古同学的3.0柴油车才能挣扎着从山上下来。8月份这一带有暴雨,以小金县为中心,有很大一片区域的道路严重损坏,在全面翻修,最近的塌方和山崩事故也很多,经常几十公里的路要停下十几次,给工程机械让路,修好了才能单侧通行。如果今年像每年一样,大量游客到四川西部的阿坝雅安旅游,一定会出现非常恐怖的大堵车,希望有类似计划的观众慎重考虑自己的计划,如果一定要去,要配老司机和非常好的越野车。
下期睡前消息我要回到演播室,我们175期再见。