1.1 汽車發動機的近期發展與未來展望

在過去的30年中，在汽車發動機領域里已經創造出了大量優秀的整機和零部件新技術，并已應用到了發動機新產品中。廢氣渦輪增壓、汽油缸內直噴、增強型電子控制、可變機構（可變氣門正時、可變氣門升程、可變壓縮比、可變工作容積（停缸）等）和智能熱管理等關鍵技術使得發動機燃燒更高效、更清潔。新的工作循環（阿特金森循環和米勒循環）、高壓縮比（最高可達16）、高滾流缸內氣體運動和高廢氣再循環率等技術已在最新一代發動機中應用。這些技術的應用大幅度提高了發動機的動力性和燃油經濟性，同時顯著降低了污染物和CO₂排放量。

圖1-1說明了車用汽油機熱效率（燃油利用效率）的進步。該圖匯總了最近報道的量產汽油機的最高有效熱效率，還引用了豐田汽車公司在2015年之前的歷史數據[8]。目前推出的新一代發動機中，最大熱效率超過39%已經很常見了，這比上一代發動機相對提高了10%以上。同時可以看到混合動力專用發動機的熱效率高于常規燃油動力發動機的熱效率。此外，據報道，具有創新燃燒技術的實驗室發動機已經達到高于52%[9，10]和接近60%[11]的指示熱效率。

在政府法規和客戶需求的推動下，隨著發動機燃油利用效率的提高和車輛技術的進步，全球范圍內新車的燃油經濟性一直在穩步提高。例如，如圖1-2所示，根據中國國家工信部發布的數據，從2012年到2019年，全國乘用車當年新車公告的平均燃油消耗量累計降低了24.45%。但是，根據同樣的數據來源，從2012年到2019年平均新車車重卻增加了149kg。否則，如果車重保持在2012年的水平，平均燃油消耗可再減少10%左右。

汽車發動機動力性能的年度變化如圖1-3所示。數據來源于美國《沃德汽車世界》雜志評選的“沃德10佳發動機”（Wards 10 Best Engines）[12]和中國《汽車與運動》雜志評選的“中國心”十佳發動機[13]。為了與中國的數據比較，圖中僅選取了4缸汽油發動機的數據。由于“中國心”十佳發動機評選始于2006年，因此中國發動機的數據從2006年開始，且只選用了自主品牌汽車公司的數據。可以看出在過去的20年中，盡管自然吸氣發動機的升功率（每升發動機排量的功率）和升轉矩（每升發動機排量的轉矩）逐漸小幅增加，但是廢氣渦輪增壓技術使得美國市場上的汽油機動力性指標（升功率和升轉矩）翻了一番，在中國市場上中國自主品牌汽油機的動力性指標也提高了約80%。

1963年美國制定了世界上第一部汽車污染物排放標準，主要是為了應對洛杉磯市的煙霧問題。從那時起，許多國家和地區都實施了政府強制性汽車排放標準。因此，道路車輛的污染物排放大大地降低。中國于2000年實施了輕型車輛的國1排放標準，并于2020年實施了國6a排放標準。在此基礎上，汽車新車的各類未燃碳氫化合物（THC）和一氧化碳（CO）排放量減少到原來的近1/5，氮氧化物（NO_x）排放量減少到原來的近1/10，如圖1-4所示。此外，國6標準對汽油機顆粒排放的顆粒數（PN）進行了限制，同時還采用了更為嚴格的測試工況，即全球統一輕型車測試規程（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cy-cle，WLTC），以取代原用的新標歐洲測試規程（New European Driving Cycle，NEDC）。到2023年，國6b階段強制性的實際駕駛排放（Real-Driving Emis-sions，RDE）測試將縮小經測試工況批準的車輛排放與實際排放之間的差距。

迄今為止，世界上還沒有專門的汽車二氧化碳（CO₂）排放的法規，而CO₂排放的減少源于汽車燃油經濟性的改善。全生命周期基礎上的汽車CO₂排放立法將有利于促進低碳燃料和可再生能源的利用。在內燃機中使用低碳替代燃料，例如天然氣、醇基燃料（甲醇、乙醇）、生物柴油，二甲醚（DME）、氫氣等，不僅可以減少石油消耗，而且可以降低內燃機的CO₂排放量[14]。例如，有研究表明化學當量比條件下燃用天然氣（主要成分為甲烷），比燃用汽油可以減少20%以上的CO₂排放量，同時還符合國6b排放標準，且PM排放幾乎為零[15]。由于天然氣的自然資源豐富（常規天然氣、頁巖氣和甲烷水合物），基礎設施和汽車技術相對完善，被國家認定是清潔有效的低碳能源[16]。因此，在交通領域里大規模使用天然氣燃料應該是近、中期實現大幅度減少汽車CO₂排放的現實且經濟的路線。值得一提的是，在大規模經濟的綠色電力成為現實之前，以高CO₂排放的煤炭能源為代價生產清潔的汽車電力和氫氣能源的手段值得推敲。

電動汽車在減少主要城市的大氣污染方面有其優點，但電池安全性、儲能和充電基礎設施方面的問題仍有待解決。在可預見的未來，道路車輛動力的多元化是不可避免的。但是，許多全球知名的內燃機和汽車專家研究預測，內燃機將繼續占據主要份額[17]。內燃機、純電驅動和混合動力將按地理區域、能源可獲得性以及終端用途劃分市場。

根據《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》的積極預測，到2035年中國乘用車新車中占45%的份額將是純電動汽車，但是仍然有50%的混合動力汽車和5%的插電式混合動力汽車使用內燃機[1]。由于混合動力汽車由驅動電機和內燃機一起提供動力，因此內燃機的角色將從單一動力源“獨唱”轉變為與驅動電機共同驅動的“二重唱”。為此，需要重新優化設計內燃機以適應其新的角色變化。另外，需要關注混合動力系統的整體能量轉化效率，研發與應用依據車輛行駛目的地和道路實時條件的車輛能源優化管理控制策略。人工智能（Artificial Intelligence）、云計算（Cloud Computation）和智慧交通（Intelligent Transporta-tion）在能量管理實時優化上的應用也非常有用。

實際上，混合動力技術為內燃機提供了一個很好的發展機會。在混合動力發展的過程中，常規內燃機將轉型或者說重生[18]。重生的內燃機將具有熱效率高、近零排放和結構簡單的特點。這種內燃機被稱為混合動力專用發動機。由于混合動力專用發動機工作的轉速和轉矩范圍變小（特別是在串聯式混合動力或增程式電動力系統中），因此對專用發動機的一些性能要求可以降低，例如低速轉矩、高轉速下的額定功率、低怠速等，如圖1-5所示。因而，專用發動機的燃燒優化可以集中在中間轉速范圍內；而在負荷方面，要么優化大負荷到滿負荷區域，要么優化低負荷到中負荷區域，這取決于為滿足功率需求而選擇的發動機排量大小。在前一種情況下，爆燃是主要挑戰，而在后一種情況下，泵氣損失和燃燒效率是主要問題。因此在常規內燃機中遇到的矛盾問題就可以分開，可以通過針對性方法和技術手段解決相應問題。比如，因受汽車安裝尺寸限制而選擇較小排量的內燃機時，可以集中精力降低內燃機爆燃傾向，提高內燃機大負荷區域的熱效率[19]。均質壓燃（Homogeneous-Charge Compression Ignition，HCCI）或化學活性可控壓燃（Reactivity-Controlled Compression Igni-tion，RCCI）等燃燒新概念，可以在中間運行工況范圍內采用。另外，由于汽車電氣化，以前由內燃機附件提供的一些功能現在可以由混合動力系統的電氣部分提供，這樣就可以去掉內燃機的一些附件，例如空調壓縮機和起動機等。因為所需的發動機轉矩大大降低，在混合動力專用發動機中可能就不再需要諸如渦輪增壓甚至燃油缸內直噴等復雜技術。結果，與常規燃油汽車中對應的內燃機相比，混合動力汽車中的內燃機可以變得更加簡單。

自20世紀90年代中期以來，電控高壓共軌燃油噴射技術促進了現代缸內燃油直噴汽油機（Direct Injection，DI）的批量生產。由于汽油被直接噴入發動機氣缸內，因此可以更加準確動態地控制燃油的供應。所以，可以改善氣缸內的空氣燃油混合，減小氣缸間的供油偏差。缸內燃油蒸發引起的混合氣冷卻有助于減小發動機爆燃傾向，因而可以提高發動機的壓縮比，或者可以加大爆燃限制點火提前角（Knock Limited Spark Advance，KLSA）。結果，可以提高發動機的熱效率。

汽油缸內直噴技術可以幫助發動機實現早期噴射均勻混合氣燃燒和后期噴射分層混合氣燃燒。其良好的動態特性助力廢氣渦輪增壓技術提供出色的低速轉矩特性。廢氣渦輪增壓直噴小排量汽油機替代了大排量進氣道噴射（Port Fuel In-jection，PFI）汽油機，從而獲得更好的整車燃油經濟性。目前直噴汽油機采用的多孔噴嘴技術為噴霧中每個油束的設計提供了一定的靈活性。將噴射壓力增加到當前的35MPa水平可以在兩個方面幫助燃燒。首先，燃油噴霧油滴變得更小、更均勻[20]，這導致更快的燃油蒸發和混合，以及更少的燃油濕壁，從而可以減少發動機碳煙顆粒物的排放。其次，更高的噴射壓力為采用燃油多次噴射策略提供了更大的靈活性。燃油多次噴射可以改善燃油空氣混合并減輕高負荷下的爆燃傾向[6]，還能改善冷起動時的燃燒穩定性和污染物排放[21]。其它燃油霧化機理，例如，過熱閃沸產生的噴霧[22]及產品應用，控制噴霧貫穿距的方法都需要進一步的深入研究。

當前，量產汽油機的最大熱效率已經超過40%，如圖1-1所示。這些汽油機采用化學當量預混均質燃燒。為了達到45%～50%的熱效率，需要采用稀薄燃燒[9-11]。燃燒穩定性是稀薄燃燒的關鍵問題之一。爆燃燃燒是提高汽油機壓縮比的最大障礙之一，因此迫切需要在汽油機設計和性能開發階段準確預測KLSA，需要創造出減小爆燃傾向的實際可行的新方法和新技術。

對于柴油機而言，污染物排放控制仍然是關鍵問題。可以通過優化燃燒室形狀、噴油嘴設計、氣體流動、噴油策略和廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation，EGR）來減少缸內NO_x和碳煙的生成。目前，車用柴油機必須使用帶有柴油機氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）、柴油機顆粒過濾器（Diesel Particu-late Filter，DPF）和選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）的后處理裝置來滿足排放標準。柴油機低溫燃燒[23]有可能大幅度降低缸內NO_x和碳煙生成而為簡化后處理裝置提供機會。

目前人們正在研究一些新的燃燒概念例如RCCI、HCCI和PCCI（Premixed-Charge Compression Ignition，預混壓燃）。在這些概念中燃燒發生在碳煙和NO_x生成率低的溫度-當量比區域，因而展現了令人振奮的高熱效率和超低排放潛力[24，25]。但是，燃燒相位有效控制、負荷區域擴展、燃燒模式切換和瞬態運行等問題仍然是挑戰。其中，RCCI很有前途，因為它提供了燃燒相位控制的有效實用方法[26，27]。基于RCCI的基本原理，柴油-天然氣雙燃料燃燒可能是RCCI最佳的應用場景，現有已經存在的雙燃料基礎技術和應用環境為其推廣實施提供了便利條件。

另一方面，人們已經開始認識到傳統的商業燃料或單一成分燃料不能滿足內燃機高效率和低排放燃燒的要求，內燃機燃料設計已經成為新的研究課題。例如，為了控制HCCI著火和燃燒相位并擴大其工作負荷范圍，已經開展了關于燃料分子結構、成分和組成以及物理化學性質的改型或設計研究，以使其更適合于實際的HCCI發動機燃燒[28]。通過添加劑、燃料混合和雙燃料等手段來改變或者設計燃料的十六烷值、辛烷值、分子結構、氧含量、蒸發潛熱以及沸點和蒸餾特性。此外，最近幾年來，關于協同設計與優化燃料和發動機的研究也很活躍。例如，美國國家實驗室正在通過美國能源部的“燃料和發動機協同優化”計劃開展這一項目的研究[29]，該計劃旨在協同開發燃料和發動機，以最大限度地提高能源利用效率以及利用可再生燃料。目前，該計劃已經在分析燃料特性對汽油機熱效率的詳細影響[30]，以及在刻畫燃料生產途徑、分子結構和化學/物理特性與發動機性能之間的關系方面取得了進展[29]。燃料和發動機協同優化的前景是在短期內尋找改善當前存在的大多數內燃機類型和燃料的方法，在更長的時間周期里開發出革命性的、影響更大的內燃機技術系列解決方案。

30年來在內燃機基礎研究領域也取得了許多重要成果。這些成果除了豐富了內燃機的基本理論和探索燃燒新方法以外，還包括建立了許多先進的數值模型和光學實驗手段。內燃機數值模擬可以得到四維時空里的結果，內燃機光學診斷技術可以獲取缸內現象的時空圖像。可以說，內燃機缸內過程可視化是過去30年內燃機基礎研究的最杰出成就。可視化可以通過光學或數值“透明”內燃機來實現，它使得人們可以看見內燃機這一黑匣子內部的令人感興趣的過程，并通過觀察快速確定問題的根本原因所在。

圖1-6展示了一個柴油機碳煙生成可視化模擬的示例（見彩插）。在燃燒室中，計算指出碳煙高濃度區域位于燃油噴霧前部區域，如彩色的云圖顯示。噴霧油滴由彩色顆粒表示，其中不同的顏色表示不同的油滴尺寸。通過內燃機可視化模擬，可以看見通過多次燃油噴射減少柴油機碳煙生成的過程[31]。

圖1-7（見彩插）給出了另一個示例。數值模擬和光學成像幫助確定了某一直噴汽油機早期設計中在均勻混合氣燃燒時產生過量煙霧排放的根本原因。研究表明該問題是由于進氣氣流沖擊燃油噴霧而導致部分油滴碰撞到并沉積在進氣門上，如圖1-7a的模擬結果所示；而這些沉積的燃油發生池火，生成煙霧（碳煙）排放，如圖1-7b的光學圖像所示。找到根本原因后，研究人員通過修改設計，在不影響其它性能的前提下迅速解決了該問題[6]。采用傳統的試錯方法將花費更長的時間和更多的成本來尋找問題和解決問題。本書中還有許多類似的例子。這些實例都說明了內燃機可視化的重要作用，它是研究內燃機燃燒復雜問題的重要手段。