1.1 汽车发动机的近期发展与未来展望

在过去的30年中，在汽车发动机领域里已经创造出了大量优秀的整机和零部件新技术，并已应用到了发动机新产品中。废气涡轮增压、汽油缸内直喷、增强型电子控制、可变机构（可变气门正时、可变气门升程、可变压缩比、可变工作容积（停缸）等）和智能热管理等关键技术使得发动机燃烧更高效、更清洁。新的工作循环（阿特金森循环和米勒循环）、高压缩比（最高可达16）、高滚流缸内气体运动和高废气再循环率等技术已在最新一代发动机中应用。这些技术的应用大幅度提高了发动机的动力性和燃油经济性，同时显著降低了污染物和CO₂排放量。

图1-1说明了车用汽油机热效率（燃油利用效率）的进步。该图汇总了最近报道的量产汽油机的最高有效热效率，还引用了丰田汽车公司在2015年之前的历史数据[8]。目前推出的新一代发动机中，最大热效率超过39%已经很常见了，这比上一代发动机相对提高了10%以上。同时可以看到混合动力专用发动机的热效率高于常规燃油动力发动机的热效率。此外，据报道，具有创新燃烧技术的实验室发动机已经达到高于52%[9，10]和接近60%[11]的指示热效率。

在政府法规和客户需求的推动下，随着发动机燃油利用效率的提高和车辆技术的进步，全球范围内新车的燃油经济性一直在稳步提高。例如，如图1-2所示，根据中国国家工信部发布的数据，从2012年到2019年，全国乘用车当年新车公告的平均燃油消耗量累计降低了24.45%。但是，根据同样的数据来源，从2012年到2019年平均新车车重却增加了149kg。否则，如果车重保持在2012年的水平，平均燃油消耗可再减少10%左右。

汽车发动机动力性能的年度变化如图1-3所示。数据来源于美国《沃德汽车世界》杂志评选的“沃德10佳发动机”（Wards 10 Best Engines）[12]和中国《汽车与运动》杂志评选的“中国心”十佳发动机[13]。为了与中国的数据比较，图中仅选取了4缸汽油发动机的数据。由于“中国心”十佳发动机评选始于2006年，因此中国发动机的数据从2006年开始，且只选用了自主品牌汽车公司的数据。可以看出在过去的20年中，尽管自然吸气发动机的升功率（每升发动机排量的功率）和升转矩（每升发动机排量的转矩）逐渐小幅增加，但是废气涡轮增压技术使得美国市场上的汽油机动力性指标（升功率和升转矩）翻了一番，在中国市场上中国自主品牌汽油机的动力性指标也提高了约80%。

1963年美国制定了世界上第一部汽车污染物排放标准，主要是为了应对洛杉矶市的烟雾问题。从那时起，许多国家和地区都实施了政府强制性汽车排放标准。因此，道路车辆的污染物排放大大地降低。中国于2000年实施了轻型车辆的国1排放标准，并于2020年实施了国6a排放标准。在此基础上，汽车新车的各类未燃碳氢化合物（THC）和一氧化碳（CO）排放量减少到原来的近1/5，氮氧化物（NO_x）排放量减少到原来的近1/10，如图1-4所示。此外，国6标准对汽油机颗粒排放的颗粒数（PN）进行了限制，同时还采用了更为严格的测试工况，即全球统一轻型车测试规程（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cy-cle，WLTC），以取代原用的新标欧洲测试规程（New European Driving Cycle，NEDC）。到2023年，国6b阶段强制性的实际驾驶排放（Real-Driving Emis-sions，RDE）测试将缩小经测试工况批准的车辆排放与实际排放之间的差距。

迄今为止，世界上还没有专门的汽车二氧化碳（CO₂）排放的法规，而CO₂排放的减少源于汽车燃油经济性的改善。全生命周期基础上的汽车CO₂排放立法将有利于促进低碳燃料和可再生能源的利用。在内燃机中使用低碳替代燃料，例如天然气、醇基燃料（甲醇、乙醇）、生物柴油，二甲醚（DME）、氢气等，不仅可以减少石油消耗，而且可以降低内燃机的CO₂排放量[14]。例如，有研究表明化学当量比条件下燃用天然气（主要成分为甲烷），比燃用汽油可以减少20%以上的CO₂排放量，同时还符合国6b排放标准，且PM排放几乎为零[15]。由于天然气的自然资源丰富（常规天然气、页岩气和甲烷水合物），基础设施和汽车技术相对完善，被国家认定是清洁有效的低碳能源[16]。因此，在交通领域里大规模使用天然气燃料应该是近、中期实现大幅度减少汽车CO₂排放的现实且经济的路线。值得一提的是，在大规模经济的绿色电力成为现实之前，以高CO₂排放的煤炭能源为代价生产清洁的汽车电力和氢气能源的手段值得推敲。

电动汽车在减少主要城市的大气污染方面有其优点，但电池安全性、储能和充电基础设施方面的问题仍有待解决。在可预见的未来，道路车辆动力的多元化是不可避免的。但是，许多全球知名的内燃机和汽车专家研究预测，内燃机将继续占据主要份额[17]。内燃机、纯电驱动和混合动力将按地理区域、能源可获得性以及终端用途划分市场。

根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的积极预测，到2035年中国乘用车新车中占45%的份额将是纯电动汽车，但是仍然有50%的混合动力汽车和5%的插电式混合动力汽车使用内燃机[1]。由于混合动力汽车由驱动电机和内燃机一起提供动力，因此内燃机的角色将从单一动力源“独唱”转变为与驱动电机共同驱动的“二重唱”。为此，需要重新优化设计内燃机以适应其新的角色变化。另外，需要关注混合动力系统的整体能量转化效率，研发与应用依据车辆行驶目的地和道路实时条件的车辆能源优化管理控制策略。人工智能（Artificial Intelligence）、云计算（Cloud Computation）和智慧交通（Intelligent Transporta-tion）在能量管理实时优化上的应用也非常有用。

实际上，混合动力技术为内燃机提供了一个很好的发展机会。在混合动力发展的过程中，常规内燃机将转型或者说重生[18]。重生的内燃机将具有热效率高、近零排放和结构简单的特点。这种内燃机被称为混合动力专用发动机。由于混合动力专用发动机工作的转速和转矩范围变小（特别是在串联式混合动力或增程式电动力系统中），因此对专用发动机的一些性能要求可以降低，例如低速转矩、高转速下的额定功率、低怠速等，如图1-5所示。因而，专用发动机的燃烧优化可以集中在中间转速范围内；而在负荷方面，要么优化大负荷到满负荷区域，要么优化低负荷到中负荷区域，这取决于为满足功率需求而选择的发动机排量大小。在前一种情况下，爆燃是主要挑战，而在后一种情况下，泵气损失和燃烧效率是主要问题。因此在常规内燃机中遇到的矛盾问题就可以分开，可以通过针对性方法和技术手段解决相应问题。比如，因受汽车安装尺寸限制而选择较小排量的内燃机时，可以集中精力降低内燃机爆燃倾向，提高内燃机大负荷区域的热效率[19]。均质压燃（Homogeneous-Charge Compression Ignition，HCCI）或化学活性可控压燃（Reactivity-Controlled Compression Igni-tion，RCCI）等燃烧新概念，可以在中间运行工况范围内采用。另外，由于汽车电气化，以前由内燃机附件提供的一些功能现在可以由混合动力系统的电气部分提供，这样就可以去掉内燃机的一些附件，例如空调压缩机和起动机等。因为所需的发动机转矩大大降低，在混合动力专用发动机中可能就不再需要诸如涡轮增压甚至燃油缸内直喷等复杂技术。结果，与常规燃油汽车中对应的内燃机相比，混合动力汽车中的内燃机可以变得更加简单。

自20世纪90年代中期以来，电控高压共轨燃油喷射技术促进了现代缸内燃油直喷汽油机（Direct Injection，DI）的批量生产。由于汽油被直接喷入发动机气缸内，因此可以更加准确动态地控制燃油的供应。所以，可以改善气缸内的空气燃油混合，减小气缸间的供油偏差。缸内燃油蒸发引起的混合气冷却有助于减小发动机爆燃倾向，因而可以提高发动机的压缩比，或者可以加大爆燃限制点火提前角（Knock Limited Spark Advance，KLSA）。结果，可以提高发动机的热效率。

汽油缸内直喷技术可以帮助发动机实现早期喷射均匀混合气燃烧和后期喷射分层混合气燃烧。其良好的动态特性助力废气涡轮增压技术提供出色的低速转矩特性。废气涡轮增压直喷小排量汽油机替代了大排量进气道喷射（Port Fuel In-jection，PFI）汽油机，从而获得更好的整车燃油经济性。目前直喷汽油机采用的多孔喷嘴技术为喷雾中每个油束的设计提供了一定的灵活性。将喷射压力增加到当前的35MPa水平可以在两个方面帮助燃烧。首先，燃油喷雾油滴变得更小、更均匀[20]，这导致更快的燃油蒸发和混合，以及更少的燃油湿壁，从而可以减少发动机碳烟颗粒物的排放。其次，更高的喷射压力为采用燃油多次喷射策略提供了更大的灵活性。燃油多次喷射可以改善燃油空气混合并减轻高负荷下的爆燃倾向[6]，还能改善冷起动时的燃烧稳定性和污染物排放[21]。其它燃油雾化机理，例如，过热闪沸产生的喷雾[22]及产品应用，控制喷雾贯穿距的方法都需要进一步的深入研究。

当前，量产汽油机的最大热效率已经超过40%，如图1-1所示。这些汽油机采用化学当量预混均质燃烧。为了达到45%～50%的热效率，需要采用稀薄燃烧[9-11]。燃烧稳定性是稀薄燃烧的关键问题之一。爆燃燃烧是提高汽油机压缩比的最大障碍之一，因此迫切需要在汽油机设计和性能开发阶段准确预测KLSA，需要创造出减小爆燃倾向的实际可行的新方法和新技术。

对于柴油机而言，污染物排放控制仍然是关键问题。可以通过优化燃烧室形状、喷油嘴设计、气体流动、喷油策略和废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）来减少缸内NO_x和碳烟的生成。目前，车用柴油机必须使用带有柴油机氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）、柴油机颗粒过滤器（Diesel Particu-late Filter，DPF）和选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）的后处理装置来满足排放标准。柴油机低温燃烧[23]有可能大幅度降低缸内NO_x和碳烟生成而为简化后处理装置提供机会。

目前人们正在研究一些新的燃烧概念例如RCCI、HCCI和PCCI（Premixed-Charge Compression Ignition，预混压燃）。在这些概念中燃烧发生在碳烟和NO_x生成率低的温度-当量比区域，因而展现了令人振奋的高热效率和超低排放潜力[24，25]。但是，燃烧相位有效控制、负荷区域扩展、燃烧模式切换和瞬态运行等问题仍然是挑战。其中，RCCI很有前途，因为它提供了燃烧相位控制的有效实用方法[26，27]。基于RCCI的基本原理，柴油-天然气双燃料燃烧可能是RCCI最佳的应用场景，现有已经存在的双燃料基础技术和应用环境为其推广实施提供了便利条件。

另一方面，人们已经开始认识到传统的商业燃料或单一成分燃料不能满足内燃机高效率和低排放燃烧的要求，内燃机燃料设计已经成为新的研究课题。例如，为了控制HCCI着火和燃烧相位并扩大其工作负荷范围，已经开展了关于燃料分子结构、成分和组成以及物理化学性质的改型或设计研究，以使其更适合于实际的HCCI发动机燃烧[28]。通过添加剂、燃料混合和双燃料等手段来改变或者设计燃料的十六烷值、辛烷值、分子结构、氧含量、蒸发潜热以及沸点和蒸馏特性。此外，最近几年来，关于协同设计与优化燃料和发动机的研究也很活跃。例如，美国国家实验室正在通过美国能源部的“燃料和发动机协同优化”计划开展这一项目的研究[29]，该计划旨在协同开发燃料和发动机，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，该计划已经在分析燃料特性对汽油机热效率的详细影响[30]，以及在刻画燃料生产途径、分子结构和化学/物理特性与发动机性能之间的关系方面取得了进展[29]。燃料和发动机协同优化的前景是在短期内寻找改善当前存在的大多数内燃机类型和燃料的方法，在更长的时间周期里开发出革命性的、影响更大的内燃机技术系列解决方案。

30年来在内燃机基础研究领域也取得了许多重要成果。这些成果除了丰富了内燃机的基本理论和探索燃烧新方法以外，还包括建立了许多先进的数值模型和光学实验手段。内燃机数值模拟可以得到四维时空里的结果，内燃机光学诊断技术可以获取缸内现象的时空图像。可以说，内燃机缸内过程可视化是过去30年内燃机基础研究的最杰出成就。可视化可以通过光学或数值“透明”内燃机来实现，它使得人们可以看见内燃机这一黑匣子内部的令人感兴趣的过程，并通过观察快速确定问题的根本原因所在。

图1-6展示了一个柴油机碳烟生成可视化模拟的示例（见彩插）。在燃烧室中，计算指出碳烟高浓度区域位于燃油喷雾前部区域，如彩色的云图显示。喷雾油滴由彩色颗粒表示，其中不同的颜色表示不同的油滴尺寸。通过内燃机可视化模拟，可以看见通过多次燃油喷射减少柴油机碳烟生成的过程[31]。

图1-7（见彩插）给出了另一个示例。数值模拟和光学成像帮助确定了某一直喷汽油机早期设计中在均匀混合气燃烧时产生过量烟雾排放的根本原因。研究表明该问题是由于进气气流冲击燃油喷雾而导致部分油滴碰撞到并沉积在进气门上，如图1-7a的模拟结果所示；而这些沉积的燃油发生池火，生成烟雾（碳烟）排放，如图1-7b的光学图像所示。找到根本原因后，研究人员通过修改设计，在不影响其它性能的前提下迅速解决了该问题[6]。采用传统的试错方法将花费更长的时间和更多的成本来寻找问题和解决问题。本书中还有许多类似的例子。这些实例都说明了内燃机可视化的重要作用，它是研究内燃机燃烧复杂问题的重要手段。