車用內燃機技術發(fā)展趨勢

蘇萬華，張眾杰，劉瑞林，喬英俊

（1.天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300161；2.陸軍軍事交通學院軍用車輛系，天津 300161；3.中國工程院戰(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)多于技術公司。據(jù)汽車制造商聯(lián)盟（Alliance of Automobile Manufacturers）統(tǒng)計，汽車生產商每年花費的研究與實驗發(fā)展（R&D）經費超過1 000億美元，其中美國花費了180億美元；據(jù)博斯公司（Booz &CO）報告，2013年汽車制造商花費的R&D經費從75億美元迅速攀升至1 020億美元；全世界全年航天和國防R&D開支是255億美元，汽車的R&D投入是航空航天的4倍，整個汽車產業(yè)在國家科技投入中占比很大。其中，提高動力總成效率、開發(fā)動力裝置系統(tǒng)的潛力和電子模塊是汽車制造業(yè)創(chuàng)新的重要方向。內燃機是汽車的心臟，內燃機性能的優(yōu)劣直接決定汽車的動力性、經濟性、排放和機動性等多項性能指標。以內燃機為動力形式的汽車將在未來相當長一段時間內不可替代。因此，未來汽車技術創(chuàng)新的主戰(zhàn)場在于內燃機技術的發(fā)展和創(chuàng)新。

二、未來相當長時間汽車內燃機仍占有支配地位

（一）車用內燃機技術優(yōu)勢

內燃機技術經過一百多年的發(fā)展，在能量密度、熱效率、燃料靈活度、市場占有率以及加工技術等方面均具有絕對優(yōu)勢[2]。

（1）內燃機能量密度高。乘用車升功率最高達150 kW/L。

（2）內燃機熱效率高。汽油機的熱效率可達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，柴油機的熱效率正在接近50%[3]。

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

截至2017年3月底，全國機動車保有量突破3億輛，其中汽車達2億輛。我國國產品牌的市場占有率已名列前茅。此外，內燃機加工技術成熟，維修使用方便。

（二）汽車內燃機仍然具有巨大的發(fā)展?jié)摿?/h3>

從內燃機技術角度來看，在CO2排放和污染物控制方面仍然有較大潛力可以開發(fā)。

（1）更高的內燃機熱效率。國際內燃機主要研究機構的研發(fā)重心在于提高熱效率，有效熱效率達到60%被作為內燃機界的“短期”奮斗目標[4]，長期的“極限”是有效熱效率達到85%。

（2）內燃機電氣化。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、電控增壓和可調排氣再循環(huán)（EGR）等技術的迅猛發(fā)展，內燃機控制更加精細，內燃機效率將得到極大的提高。

（3）節(jié)能減排法規(guī)的不斷嚴格。世界主要國家均已設定大幅度降低油耗和CO2減排的法規(guī)，同時，針對輕型汽車整車的實際行駛排放（RDE）測試方法正在準備實施，這些均對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。目前內燃機有害排放物已經達到近零的水平，主要排放物降低了90%左右。

另外，隨著世界范圍內能源、環(huán)境問題的加劇，發(fā)展內燃機節(jié)能和降低CO2排放是汽車內燃機的迫切任務。圖1為世界主要國家和地區(qū)降低CO2排放時間表，我國乘用車的任務是每年降低5%的CO2排放量。

（三）新能源汽車在短期內不可替代內燃機汽車

圖1 世界主要國家和地區(qū)乘用車降低CO2排放時間表

新能源汽車在實現(xiàn)低碳排放和零污染控制方面有諸多優(yōu)勢，但諸如太陽能、風能、可再生生物質能等新能源形式尚未見明確的發(fā)展時間表。當今新能源汽車動力電池技術尚未實質功克，且在電池材料的生產和制造過程中會產生相當多的環(huán)境問題。因此，新能源汽車的推廣和廣泛應用還需要突破諸多的社會和技術屏障?！?017年數(shù)字化汽車報告》樂觀地預計，到2030年，中國電動汽車將達到7 300萬輛左右，約占當時汽車總量的10% [5]。因此，在未來相當長的時間內內燃機汽車依然占有支配地位。

三、高效、節(jié)能、清潔的內燃機新技術

（一）新一代先進燃燒技術層出不窮

20 世紀 90 年代中期，人們曾認為傳統(tǒng)柴油機的有害排放物 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，包括我國在內的國際內燃機界早已突破了這個極限，獲得了高熱效率、超低排放的巨大進步?，F(xiàn)有先進的燃燒技術包括：汽油Ⅳ壓燃著火燃燒（GCI）、雙燃料的反應活性控制著火燃燒（RCCI）[6,7]、汽油/柴油雙燃料高預混合低溫燃燒（HPCC）[8,9]、均質充量壓燃（HCCI）著火燃燒[3]、適度和較高分層的壓燃燃燒過程（GDCI）[10]等均具有很高的熱效率。

據(jù)報道，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的某些多缸實驗發(fā)動機熱效率已經提高到55%以上；Toyota 8NR-FTS-Turbo GDI發(fā)動機的百公里油耗為5.15 L，比日本政府效率法規(guī)好10%；Mazda SKYACTIV-G汽油機采用HCCI燃燒，熱效率可達40%，實現(xiàn)低速大扭矩，對比 2008 年Mazda 同排量的汽油發(fā)動機，油耗改善率提升了35%～45%，Mazda 因此推遲了采用應用混合動力技術。

天津大學蘇萬華院士團隊通過對發(fā)動機在不同燃燒狀態(tài)下（發(fā)動機負荷、轉速）的物理和化學過程的深入研究，先后提出了柴油機燃燒過程混合和化學時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，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]，不但滿足了國家第六階段機動車污染物排放標準，而且熱效率達到了45.5%。

（二）高增壓和小型強化技術

目前，增壓小型化是汽車內燃機發(fā)展的一個主流技術。據(jù)美國密歇根大學運輸研究所（UMTRI）的報告：2025年將有50%的乘用車應用增壓技術[14]。目前我國新的車型基本都采用了小型增壓技術。

近年來，先進的高增壓技術發(fā)展迅速，包括電動增壓技術（eBooster）、可變截面渦輪增壓技術（VGT）、二級可調增壓（RTST）技術等。其中，eBooster能夠極大地提高進氣系統(tǒng)的響應特性，提高內燃機大負荷效率，但存在成本較高、電器設備耐熱性差等問題[15]。VGT技術是當今高檔小排量轎車采用較多的一種技術，該增壓技術能夠提高低速轉矩特性，極大提高內燃機的功率密度，促進內燃機向小型化方向發(fā)展。二級可調增壓技術主要包括：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燃機，BMW 740MY2010 3.0 L內燃機采用VGT+FGT增壓系統(tǒng)，相比原機節(jié)約油耗約10%，高效動力性與8缸、10缸動力性能相當。

陸軍軍事交通學院的劉瑞林團隊針對高原某重型柴油機設計開發(fā)了VGT+FGT增壓系統(tǒng)[16]，設計了相應的變海拔控制策略[17]，利用內燃機高海拔模擬試驗系統(tǒng)（見圖2）進行了二級可調增壓柴油機在不同海拔和工況下的性能試驗，結果表明：在海拔5 500 m，二級可調增壓柴油機最大轉矩和標定功率分別提高了11.0%和11.8%，低速轉矩平均提高了31.1%，適應性系數(shù)提高了19.2%，最低燃油消耗率和低速時的燃油消耗率分別降低了4.8%和15.3%；不同海拔高、低壓級增壓器與柴油機的聯(lián)合運行線均位于壓氣機較高效率區(qū)。

（三）多變量、多系統(tǒng)內燃機智能控制技術

近年來，多系統(tǒng)、多參數(shù)可變控制技術發(fā)展迅速，加速了內燃機的智能化。其中發(fā)動機各子系統(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度）、噴油系統(tǒng)（預噴、主噴、噴油定時、噴油量）、排氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)（閥門開度和開閉時刻）、氣門連桿機構[18]（氣門升程、定時）等，內燃機可變智能技術包括可變增壓技術，可變EGR技術、可變氣門定時和升程技術，可變直噴和雙噴技術，可變壓縮比[19,20]技術等。

圖3為Ford公司為2.0 L自然吸氣（NA）發(fā)動機設計的復合高增壓（HyBoost）系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)將電動渦輪增壓器與傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓相結合，電動增壓器能夠根據(jù)發(fā)動機工況自由調節(jié)渦輪轉速，達到進氣充量的精確控制，同時，HyBoost系統(tǒng)還能夠回收內燃機高負荷時的一部分能量，極大提高低速轉矩和油耗，其經濟性可與強混合動力相當。

圖4是天津大學蘇萬華院士團隊為國內某型柴油機開發(fā)的多系統(tǒng)、多參數(shù)整機智能控制系統(tǒng)，柴油機配置包括可變二級增壓器，可變EGR系統(tǒng)、可變噴油系統(tǒng)和可變氣門定時和升程，控制參數(shù)包括：VGT葉片開度、壓縮比、EGR閥開度、噴油量等。智能控制器能夠監(jiān)控柴油機當下的工況、道路情況，基于瞬變過程、動態(tài)響應特性和PM峰值等因素，按照響應的控制策略，實時控制柴油機的各個子系統(tǒng)和參數(shù)，提高柴油機熱效率，改善污染物排放和燃油經濟性。

汽車控制技術進步的另一個方面是提高車載的計算能力，不僅是解決內燃機的控制問題和計算問題，更重要的是提高發(fā)動機和整車系統(tǒng)耦合控制。據(jù)UMTRI關于21世紀的動力總成策略研究，2025年電子產品在動力總成所占的成本將增加15%，所以實際上智能化、電氣化并不是電動車的專利，對于內燃機汽車更需要向信息化、電氣化、智能化方向發(fā)展。

（四）提高內燃機工作各環(huán)節(jié)效率

改善油耗、提高內燃機的有效熱效率和七個因素有關：壓縮比、比熱比、燃燒期間、燃燒時刻、壁面?zhèn)鳠帷⑽判谐虊毫Σ詈蜋C械阻力。發(fā)動機工作過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、機械摩擦損失等（見圖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，低散熱技術能夠減少冷卻損失，可變頻泵能夠減少泵吸損失，潤滑技術能夠減少機械摩擦損失，但是如何控制綜合成本是一個需要解決的問題[21]。

（五）其他內燃機先進技術

為了進一步提高內燃機的熱效率，改善油耗和排放性能，除了上述主要的技術外，還包括智能停缸技術、工質移缸技術、缸內噴水技術和提高汽油機的辛烷值等多項技術。

圖2 二級可調增壓柴油機高海拔試驗系統(tǒng)簡圖

圖3 Ford 2.0 L NA發(fā)動機的HyBoost系統(tǒng)

1.智能停缸技術

智能停缸技術是內燃機節(jié)能減排的重要技術[22]。國外羅伯特·博世有限公司和巴伐利亞機械制造廠股份公司的高端汽車已經采用智能停缸技術。天津大學為某天然氣發(fā)動機開發(fā)了智能停缸技術，試驗結果表明：百千米天然氣消耗比同一道路運行的進口的火花點火天然氣發(fā)動機減少約45%，工作氣缸隨機工作模式消除了震動噪聲，均衡了熱負荷。

2.工質移缸技術

工質移缸技術是指內燃機循環(huán)做功的工質通過連接裝置先后在多個氣缸之間轉移。通過工質移缸可以將內燃機的一個工作循環(huán)分隔到多個氣缸中完成，因此又稱為分缸循環(huán)。應用工質移缸技術的內燃機可以將壓縮與燃燒分離在不同氣缸內進行，因此可以緩解壓縮氣缸的熱應力，從而提高壓縮比。工質移缸技術還可以通過改變前后缸的容積使膨脹比大于壓縮比，實現(xiàn)充分膨脹循環(huán)。Scuderi、德國的發(fā)動機與能源技術股份有限公司（META）和美國的通用汽車公司均開展不同程度的研究工作，但該技術尚未實現(xiàn)產業(yè)化應用[23～25]。

圖4 某O6柴油機多系統(tǒng)、多參數(shù)控制系統(tǒng)

圖5 發(fā)動機工作過程中各項損失及影響因素

3.缸內噴水技術

利用缸內噴水技術改善抗爆性，能夠將汽油機轉矩提高至相同排量柴油機的水平。同時，與變速箱的系統(tǒng)集成結合能夠大幅度降低整車油耗。大眾雙渦輪增壓、直噴火花點火汽油機采用噴水技術后，抗爆性得到極大改善；Bosch試驗發(fā)動機的水油比為35%，油耗降低約13%[26,27]。

4.提高汽油機的辛烷值

提高汽油機的辛烷值是提高內燃機熱效率的重要技術方向。辛烷值提高到95～100[28]，內燃機熱效率可以提高5%。Tatur等[29]指出：歐洲政府和工業(yè)界達成提高汽油機辛烷值的共識，最高到RON102，有利于優(yōu)化汽油機的新技術。天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室提出RM-HCCI技術[30,31]，改善高負荷油耗，指示熱效率（ITEg）可達到52%。

四、結語

內燃機在未來相當長的時間內仍將是汽車主要的動力源。在環(huán)境污染、全球變暖、能源危機迫切的壓力下，清潔、高效、節(jié)能的內燃機新技術層出不窮，我國應在制定汽車發(fā)展規(guī)劃時對清潔高效的內燃機技術予以充分重視，同時在相應的標準體系建設和技術研發(fā)投入等方面緊跟發(fā)展趨勢。

（1）內燃機節(jié)能減排任重道遠，未來將是國家能源和環(huán)境安全的主戰(zhàn)場之一，意義重大，加快車用內燃機新技術的發(fā)展對汽車發(fā)展和國家發(fā)展全局均具有重要意義。

（2）在世界范圍內內燃機以提高能量利用率、降低碳排放為目標，新技術發(fā)展速度加快。包括先進燃燒技術、增壓技術、多系統(tǒng)多變量控制技術、余熱回收技術、智能停缸技術、缸內噴水技術等。

（3）我國車用內燃機技術發(fā)展快速，成績卓越，與世界先進水平的差距正在迅速縮小。當前內燃機新技術層出不窮，我國內燃機工業(yè)不可懈怠，應從積極鼓勵內燃機工業(yè)創(chuàng)新和占領技術制高點等方面持續(xù)發(fā)力，積極推進我國內燃機技術進步和產業(yè)化進程。自主發(fā)展高效清潔的內燃機是我國走向汽車強國的重要組成部分。

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