蘇萬(wàn)華，張眾杰，劉瑞林，喬英俊

（1.天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300161；2.陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津 300161；3.中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢中心，北京 100088）

一、汽車工業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新

在汽車工業(yè)的發(fā)展歷史中，創(chuàng)新決定了汽車工業(yè)的發(fā)展。波士頓咨詢公司（BCG）研究發(fā)現(xiàn)：2016年，全世界最具創(chuàng)新的公司TOP20中有四分之一是汽車公司[1]。2015年上半年的TOP20公司中包含的汽車制造企業(yè)多于技術(shù)公司。據(jù)汽車制造商聯(lián)盟（Alliance of Automobile Manufacturers）統(tǒng)計(jì)，汽車生產(chǎn)商每年花費(fèi)的研究與實(shí)驗(yàn)發(fā)展（R&D）經(jīng)費(fèi)超過(guò)1 000億美元，其中美國(guó)花費(fèi)了180億美元；據(jù)博斯公司（Booz &CO）報(bào)告，2013年汽車制造商花費(fèi)的R&D經(jīng)費(fèi)從75億美元迅速攀升至1 020億美元；全世界全年航天和國(guó)防R&D開(kāi)支是255億美元，汽車的R&D投入是航空航天的4倍，整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)在國(guó)家科技投入中占比很大。其中，提高動(dòng)力總成效率、開(kāi)發(fā)動(dòng)力裝置系統(tǒng)的潛力和電子模塊是汽車制造業(yè)創(chuàng)新的重要方向。內(nèi)燃機(jī)是汽車的心臟，內(nèi)燃機(jī)性能的優(yōu)劣直接決定汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和機(jī)動(dòng)性等多項(xiàng)性能指標(biāo)。以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力形式的汽車將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不可替代。因此，未來(lái)汽車技術(shù)創(chuàng)新的主戰(zhàn)場(chǎng)在于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。

二、未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間汽車內(nèi)燃機(jī)仍占有支配地位

（一）車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

內(nèi)燃機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，在能量密度、熱效率、燃料靈活度、市場(chǎng)占有率以及加工技術(shù)等方面均具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[2]。

（1）內(nèi)燃機(jī)能量密度高。乘用車升功率最高達(dá)150 kW/L。

（2）內(nèi)燃機(jī)熱效率高。汽油機(jī)的熱效率可達(dá)45%，與最新的超超臨界和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）發(fā)電站效率相當(dāng)，柴油機(jī)的熱效率正在接近50%[3]。

（3）可以使用靈活的燃料。內(nèi)燃機(jī)可使用的燃料不僅包括化石燃料、天然氣、生物質(zhì)燃料，還包括乙醇等可再生能源。

截至2017年3月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量突破3億輛，其中汽車達(dá)2億輛。我國(guó)國(guó)產(chǎn)品牌的市場(chǎng)占有率已名列前茅。此外，內(nèi)燃機(jī)加工技術(shù)成熟，維修使用方便。

（二）汽車內(nèi)燃機(jī)仍然具有巨大的發(fā)展?jié)摿?/h3>

從內(nèi)燃機(jī)技術(shù)角度來(lái)看，在CO2排放和污染物控制方面仍然有較大潛力可以開(kāi)發(fā)。

（1）更高的內(nèi)燃機(jī)熱效率。國(guó)際內(nèi)燃機(jī)主要研究機(jī)構(gòu)的研發(fā)重心在于提高熱效率，有效熱效率達(dá)到60%被作為內(nèi)燃機(jī)界的“短期”奮斗目標(biāo)[4]，長(zhǎng)期的“極限”是有效熱效率達(dá)到85%。

（2）內(nèi)燃機(jī)電氣化。與電子控制、信息化等融合速度加速，包括電子水泵、電控噴油、電控增壓和可調(diào)排氣再循環(huán)（EGR）等技術(shù)的迅猛發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)控制更加精細(xì)，內(nèi)燃機(jī)效率將得到極大的提高。

（3）節(jié)能減排法規(guī)的不斷嚴(yán)格。世界主要國(guó)家均已設(shè)定大幅度降低油耗和CO2減排的法規(guī)，同時(shí)，針對(duì)輕型汽車整車的實(shí)際行駛排放（RDE）測(cè)試方法正在準(zhǔn)備實(shí)施，這些均對(duì)降低有害排放物非常有利。

（4）不斷發(fā)展的有害排放物控制技術(shù)。目前內(nèi)燃機(jī)有害排放物已經(jīng)達(dá)到近零的水平，主要排放物降低了90%左右。

另外，隨著世界范圍內(nèi)能源、環(huán)境問(wèn)題的加劇，發(fā)展內(nèi)燃機(jī)節(jié)能和降低CO2排放是汽車內(nèi)燃機(jī)的迫切任務(wù)。圖1為世界主要國(guó)家和地區(qū)降低CO2排放時(shí)間表，我國(guó)乘用車的任務(wù)是每年降低5%的CO2排放量。

（三）新能源汽車在短期內(nèi)不可替代內(nèi)燃機(jī)汽車

圖1 世界主要國(guó)家和地區(qū)乘用車降低CO2排放時(shí)間表

新能源汽車在實(shí)現(xiàn)低碳排放和零污染控制方面有諸多優(yōu)勢(shì)，但諸如太陽(yáng)能、風(fēng)能、可再生生物質(zhì)能等新能源形式尚未見(jiàn)明確的發(fā)展時(shí)間表。當(dāng)今新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)尚未實(shí)質(zhì)功克，且在電池材料的生產(chǎn)和制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)多的環(huán)境問(wèn)題。因此，新能源汽車的推廣和廣泛應(yīng)用還需要突破諸多的社會(huì)和技術(shù)屏障。《2017年數(shù)字化汽車報(bào)告》樂(lè)觀地預(yù)計(jì)，到2030年，中國(guó)電動(dòng)汽車將達(dá)到7 300萬(wàn)輛左右，約占當(dāng)時(shí)汽車總量的10% [5]。因此，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)內(nèi)燃機(jī)汽車依然占有支配地位。

三、高效、節(jié)能、清潔的內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)

（一）新一代先進(jìn)燃燒技術(shù)層出不窮

20 世紀(jì) 90 年代中期，人們?cè)J(rèn)為傳統(tǒng)柴油機(jī)的有害排放物 NOx和碳煙存在生成極限（如NOx最低排放的限制約為2.5 g/（kW·h））。但是近20年來(lái)，包括我國(guó)在內(nèi)的國(guó)際內(nèi)燃機(jī)界早已突破了這個(gè)極限，獲得了高熱效率、超低排放的巨大進(jìn)步?，F(xiàn)有先進(jìn)的燃燒技術(shù)包括：汽油Ⅳ壓燃著火燃燒（GCI）、雙燃料的反應(yīng)活性控制著火燃燒（RCCI）[6,7]、汽油/柴油雙燃料高預(yù)混合低溫燃燒（HPCC）[8,9]、均質(zhì)充量壓燃（HCCI）著火燃燒[3]、適度和較高分層的壓燃燃燒過(guò)程（GDCI）[10]等均具有很高的熱效率。

據(jù)報(bào)道，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的某些多缸實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率已經(jīng)提高到55%以上；Toyota 8NR-FTS-Turbo GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的百公里油耗為5.15 L，比日本政府效率法規(guī)好10%；Mazda SKYACTIV-G汽油機(jī)采用HCCI燃燒，熱效率可達(dá)40%，實(shí)現(xiàn)低速大扭矩，對(duì)比 2008 年Mazda 同排量的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，油耗改善率提升了35%～45%，Mazda 因此推遲了采用應(yīng)用混合動(dòng)力技術(shù)。

天津大學(xué)蘇萬(wàn)華院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同燃燒狀態(tài)下（發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速）的物理和化學(xué)過(guò)程的深入研究，先后提出了柴油機(jī)燃燒過(guò)程混合和化學(xué)時(shí)間尺度控制及燃燒路徑控制概念[11]，最早提出并采用多脈沖燃油噴射高混合率技術(shù)，最終形成了高密度-低溫燃燒（HD-LTC）理論[12]和燃燒路徑控制理論[13]，不但滿足了國(guó)家第六階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，而且熱效率達(dá)到了45.5%。

（二）高增壓和小型強(qiáng)化技術(shù)

目前，增壓小型化是汽車內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個(gè)主流技術(shù)。據(jù)美國(guó)密歇根大學(xué)運(yùn)輸研究所（UMTRI）的報(bào)告：2025年將有50%的乘用車應(yīng)用增壓技術(shù)[14]。目前我國(guó)新的車型基本都采用了小型增壓技術(shù)。

近年來(lái)，先進(jìn)的高增壓技術(shù)發(fā)展迅速，包括電動(dòng)增壓技術(shù)（eBooster）、可變截面渦輪增壓技術(shù)（VGT）、二級(jí)可調(diào)增壓（RTST）技術(shù)等。其中，eBooster能夠極大地提高進(jìn)氣系統(tǒng)的響應(yīng)特性，提高內(nèi)燃機(jī)大負(fù)荷效率，但存在成本較高、電器設(shè)備耐熱性差等問(wèn)題[15]。VGT技術(shù)是當(dāng)今高檔小排量轎車采用較多的一種技術(shù)，該增壓技術(shù)能夠提高低速轉(zhuǎn)矩特性，極大提高內(nèi)燃機(jī)的功率密度，促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)向小型化方向發(fā)展。二級(jí)可調(diào)增壓技術(shù)主要包括：廢氣旁通增壓+普通增壓器（WGT+FGT）和VGT+FGT兩種增壓方式，主要匹配于較大排量的內(nèi)燃機(jī)，BMW 740MY2010 3.0 L內(nèi)燃機(jī)采用VGT+FGT增壓系統(tǒng)，相比原機(jī)節(jié)約油耗約10%，高效動(dòng)力性與8缸、10缸動(dòng)力性能相當(dāng)。

陸軍軍事交通學(xué)院的劉瑞林團(tuán)隊(duì)針對(duì)高原某重型柴油機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了VGT+FGT增壓系統(tǒng)[16]，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的變海拔控制策略[17]，利用內(nèi)燃機(jī)高海拔模擬試驗(yàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）進(jìn)行了二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)在不同海拔和工況下的性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：在海拔5 500 m，二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率分別提高了11.0%和11.8%，低速轉(zhuǎn)矩平均提高了31.1%，適應(yīng)性系數(shù)提高了19.2%，最低燃油消耗率和低速時(shí)的燃油消耗率分別降低了4.8%和15.3%；不同海拔高、低壓級(jí)增壓器與柴油機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行線均位于壓氣機(jī)較高效率區(qū)。

（三）多變量、多系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)智能控制技術(shù)

近年來(lái)，多系統(tǒng)、多參數(shù)可變控制技術(shù)發(fā)展迅速，加速了內(nèi)燃機(jī)的智能化。其中發(fā)動(dòng)機(jī)各子系統(tǒng)包含控制參數(shù)眾多，包括增壓系統(tǒng)（VGT葉片和廢氣旁通閥開(kāi)度）、噴油系統(tǒng)（預(yù)噴、主噴、噴油定時(shí)、噴油量）、排氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)（閥門開(kāi)度和開(kāi)閉時(shí)刻）、氣門連桿機(jī)構(gòu)[18]（氣門升程、定時(shí)）等，內(nèi)燃機(jī)可變智能技術(shù)包括可變?cè)鰤杭夹g(shù)，可變EGR技術(shù)、可變氣門定時(shí)和升程技術(shù)，可變直噴和雙噴技術(shù)，可變壓縮比[19,20]技術(shù)等。

圖3為Ford公司為2.0 L自然吸氣（NA）發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)合高增壓（HyBoost）系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)將電動(dòng)渦輪增壓器與傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓相結(jié)合，電動(dòng)增壓器能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況自由調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速，達(dá)到進(jìn)氣充量的精確控制，同時(shí)，HyBoost系統(tǒng)還能夠回收內(nèi)燃機(jī)高負(fù)荷時(shí)的一部分能量，極大提高低速轉(zhuǎn)矩和油耗，其經(jīng)濟(jì)性可與強(qiáng)混合動(dòng)力相當(dāng)。

圖4是天津大學(xué)蘇萬(wàn)華院士團(tuán)隊(duì)為國(guó)內(nèi)某型柴油機(jī)開(kāi)發(fā)的多系統(tǒng)、多參數(shù)整機(jī)智能控制系統(tǒng)，柴油機(jī)配置包括可變二級(jí)增壓器，可變EGR系統(tǒng)、可變噴油系統(tǒng)和可變氣門定時(shí)和升程，控制參數(shù)包括：VGT葉片開(kāi)度、壓縮比、EGR閥開(kāi)度、噴油量等。智能控制器能夠監(jiān)控柴油機(jī)當(dāng)下的工況、道路情況，基于瞬變過(guò)程、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和PM峰值等因素，按照響應(yīng)的控制策略，實(shí)時(shí)控制柴油機(jī)的各個(gè)子系統(tǒng)和參數(shù)，提高柴油機(jī)熱效率，改善污染物排放和燃油經(jīng)濟(jì)性。

汽車控制技術(shù)進(jìn)步的另一個(gè)方面是提高車載的計(jì)算能力，不僅是解決內(nèi)燃機(jī)的控制問(wèn)題和計(jì)算問(wèn)題，更重要的是提高發(fā)動(dòng)機(jī)和整車系統(tǒng)耦合控制。據(jù)UMTRI關(guān)于21世紀(jì)的動(dòng)力總成策略研究，2025年電子產(chǎn)品在動(dòng)力總成所占的成本將增加15%，所以實(shí)際上智能化、電氣化并不是電動(dòng)車的專利，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)汽車更需要向信息化、電氣化、智能化方向發(fā)展。

（四）提高內(nèi)燃機(jī)工作各環(huán)節(jié)效率

改善油耗、提高內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率和七個(gè)因素有關(guān)：壓縮比、比熱比、燃燒期間、燃燒時(shí)刻、壁面?zhèn)鳠帷⑽判谐虊毫Σ詈蜋C(jī)械阻力。發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中的損失包括離散/失火損失、排氣損失、冷卻損失、泵吸損失、機(jī)械摩擦損失等（見(jiàn)圖5）。增壓和壓縮比優(yōu)化控制及余熱利用能夠減少失火損失和排氣損失，低散熱技術(shù)能夠減少冷卻損失，可變頻泵能夠減少泵吸損失，潤(rùn)滑技術(shù)能夠減少機(jī)械摩擦損失，但是如何控制綜合成本是一個(gè)需要解決的問(wèn)題[21]。

（五）其他內(nèi)燃機(jī)先進(jìn)技術(shù)

為了進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，改善油耗和排放性能，除了上述主要的技術(shù)外，還包括智能停缸技術(shù)、工質(zhì)移缸技術(shù)、缸內(nèi)噴水技術(shù)和提高汽油機(jī)的辛烷值等多項(xiàng)技術(shù)。

圖2 二級(jí)可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖3 Ford 2.0 L NA發(fā)動(dòng)機(jī)的HyBoost系統(tǒng)

1.智能停缸技術(shù)

智能停缸技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的重要技術(shù)[22]。國(guó)外羅伯特·博世有限公司和巴伐利亞機(jī)械制造廠股份公司的高端汽車已經(jīng)采用智能停缸技術(shù)。天津大學(xué)為某天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)了智能停缸技術(shù)，試驗(yàn)結(jié)果表明：百千米天然氣消耗比同一道路運(yùn)行的進(jìn)口的火花點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)減少約45%，工作氣缸隨機(jī)工作模式消除了震動(dòng)噪聲，均衡了熱負(fù)荷。

2.工質(zhì)移缸技術(shù)

工質(zhì)移缸技術(shù)是指內(nèi)燃機(jī)循環(huán)做功的工質(zhì)通過(guò)連接裝置先后在多個(gè)氣缸之間轉(zhuǎn)移。通過(guò)工質(zhì)移缸可以將內(nèi)燃機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)分隔到多個(gè)氣缸中完成，因此又稱為分缸循環(huán)。應(yīng)用工質(zhì)移缸技術(shù)的內(nèi)燃機(jī)可以將壓縮與燃燒分離在不同氣缸內(nèi)進(jìn)行，因此可以緩解壓縮氣缸的熱應(yīng)力，從而提高壓縮比。工質(zhì)移缸技術(shù)還可以通過(guò)改變前后缸的容積使膨脹比大于壓縮比，實(shí)現(xiàn)充分膨脹循環(huán)。Scuderi、德國(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)與能源技術(shù)股份有限公司（META）和美國(guó)的通用汽車公司均開(kāi)展不同程度的研究工作，但該技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[23～25]。

圖4 某O6柴油機(jī)多系統(tǒng)、多參數(shù)控制系統(tǒng)

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中各項(xiàng)損失及影響因素

3.缸內(nèi)噴水技術(shù)

利用缸內(nèi)噴水技術(shù)改善抗爆性，能夠?qū)⑵蜋C(jī)轉(zhuǎn)矩提高至相同排量柴油機(jī)的水平。同時(shí)，與變速箱的系統(tǒng)集成結(jié)合能夠大幅度降低整車油耗。大眾雙渦輪增壓、直噴火花點(diǎn)火汽油機(jī)采用噴水技術(shù)后，抗爆性得到極大改善；Bosch試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的水油比為35%，油耗降低約13%[26,27]。

4.提高汽油機(jī)的辛烷值

提高汽油機(jī)的辛烷值是提高內(nèi)燃機(jī)熱效率的重要技術(shù)方向。辛烷值提高到95～100[28]，內(nèi)燃機(jī)熱效率可以提高5%。Tatur等[29]指出：歐洲政府和工業(yè)界達(dá)成提高汽油機(jī)辛烷值的共識(shí)，最高到RON102，有利于優(yōu)化汽油機(jī)的新技術(shù)。天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出RM-HCCI技術(shù)[30,31]，改善高負(fù)荷油耗，指示熱效率（ITEg）可達(dá)到52%。

四、結(jié)語(yǔ)

內(nèi)燃機(jī)在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍將是汽車主要的動(dòng)力源。在環(huán)境污染、全球變暖、能源危機(jī)迫切的壓力下，清潔、高效、節(jié)能的內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)層出不窮，我國(guó)應(yīng)在制定汽車發(fā)展規(guī)劃時(shí)對(duì)清潔高效的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)予以充分重視，同時(shí)在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和技術(shù)研發(fā)投入等方面緊跟發(fā)展趨勢(shì)。

（1）內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排任重道遠(yuǎn)，未來(lái)將是國(guó)家能源和環(huán)境安全的主戰(zhàn)場(chǎng)之一，意義重大，加快車用內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)的發(fā)展對(duì)汽車發(fā)展和國(guó)家發(fā)展全局均具有重要意義。

（2）在世界范圍內(nèi)內(nèi)燃機(jī)以提高能量利用率、降低碳排放為目標(biāo)，新技術(shù)發(fā)展速度加快。包括先進(jìn)燃燒技術(shù)、增壓技術(shù)、多系統(tǒng)多變量控制技術(shù)、余熱回收技術(shù)、智能停缸技術(shù)、缸內(nèi)噴水技術(shù)等。

（3）我國(guó)車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展快速，成績(jī)卓越，與世界先進(jìn)水平的差距正在迅速縮小。當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)層出不窮，我國(guó)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)不可懈怠，應(yīng)從積極鼓勵(lì)內(nèi)燃機(jī)工業(yè)創(chuàng)新和占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)等方面持續(xù)發(fā)力，積極推進(jìn)我國(guó)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。自主發(fā)展高效清潔的內(nèi)燃機(jī)是我國(guó)走向汽車強(qiáng)國(guó)的重要組成部分。

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