2020年12月10日，由吉利汽車牽頭、中國內(nèi)燃機工業(yè)協(xié)會乘用車動力協(xié)會等國內(nèi)行業(yè)最具影響力的整車廠、高等院校、科研機構(gòu)、零部件供應商等60余家相關單位聯(lián)合提出大會專業(yè)委員會成立大會在寧波杭州灣召開。 會議期間，清華大學車輛與車輛學院副院長王志先生做了題為“汽油機高熱效率開發(fā)技術”的主題報告。

以下為演講實錄：

各位專家、老師、同事們下午好！ 我是來自清華大學的王智。 很高興乘用車動力委員會邀請我做《汽油機高熱效率開發(fā)技術》的報告。 我的副標題是《汽油機熱效率從40%提高到50%的技術路線研究》，主要講幾個方面。

首先，我們來看看背景。 隨著我國乘用車燃料消耗法規(guī)逐步加嚴，2025年企業(yè)平均燃料消耗量目標為4L/100公里。 因此，大幅提高乘用車動力系統(tǒng)效率，實現(xiàn)我國整車節(jié)能是一項亟待解決的技術。 問題。 我們都知道，目前乘用車的動力系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化趨勢，包括內(nèi)燃機動力、混合動力和純電動動力。 這是國際能源組織對乘用車動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 2035年，70%以上的乘用車仍將使用內(nèi)燃機。 我們還對各大汽車公司進行了研究。 根據(jù)各車企規(guī)劃，到2025年，60%以上的乘用車仍將使用純內(nèi)燃機。 這也是我們最新的研究成果。 無論傳統(tǒng)動力還是混合動力，重要的基礎都是高效汽油發(fā)動機。 可見，發(fā)展高效汽油機是我國實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。

這是國際上典型的高效汽油機研發(fā)項目，如日本的SIP等，目標是在2024年或2025年實現(xiàn)熱效率達到50%。右圖是切割后的結(jié)果關問題。 熱效率從38.5%提高到51.5%，其中9%來自燃燒系統(tǒng)和燃燒組織的設計。 因此，汽油機熱效率從40%提高到50%需要高熱燃燒系統(tǒng)、低摩擦、熱管理和增壓技術的優(yōu)化。 由此可見，提高熱效率的關鍵在于燃燒組織，貢獻率達70%以上，特別是混合動力特種發(fā)動機。

我們來看看國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 這是國外典型高效汽油機的技術參數(shù)。 國內(nèi)樣機熱效率在38%到43%之間，包括量產(chǎn)和目前的樣機工藝、氣缸氣體沖程比、技術路線等。 基本相同。 舉幾個典型的例子，時間關系，只說要點。 比如剛才提到的豐田2.5L發(fā)動機，采用的是自然吸氣雙噴混合版本中國燃油車，熱效率高達41%。 另外，以我們國產(chǎn)吉利1.5T混合動力專用發(fā)動機為例，將缸內(nèi)直噴改為氣道噴射，以應對混合動力汽車頻繁啟停帶來的損傷過程排放問題。 可以看到，目前的混合動力專用發(fā)動機非常注重控制成本。 這個高效區(qū)也比較寬。

第二種技術路線是以馬自達為代表的SPCCI，利用燃燒反饋和閉環(huán)控制，熱效率達到43%。

另一種稱為分布式氣相射流點火燃燒，如MAHLE TJI多缸樣機，采用14.7的壓縮比，實現(xiàn)42%的有效熱效率。 本田的PJI也采用了類似的技術，實現(xiàn)了47%的熱效率和更稀薄的燃燒。

此外，我們還提到了汽油直噴和壓縮點火，壓縮比為16，典型的GDCI熱效率為43%。 要解決類似于柴油機的排氣后處理，必須使用氧化催化劑。

我們提到國內(nèi)主要車企都對2025年乘用車動力總成進行了規(guī)劃，可以看到大部分車企傳統(tǒng)燃油發(fā)動機的規(guī)劃不低于60%。 燃油汽車仍是節(jié)能減排的主力軍。 因此，我們也需要對傳統(tǒng)燃油汽車進行節(jié)能減排。 這是迫切引入成本節(jié)能的重要渠道。

具體來說，對于燃油汽車的燃油發(fā)動機，也就是我們的純內(nèi)燃機，2025年各車企的產(chǎn)品期望希望達到39%-43%的熱效率。 可見是相當務實的。 對于混合動力專用發(fā)動機，國內(nèi)主要汽車制造商的預算希望2025年產(chǎn)品預期達到43%-45%。

高效汽油機燃燒系統(tǒng)可分為三類。

首先，火花點燃燃燒。

二是直噴壓燃燃燒。

三是氣體噴射燃燒。

未來汽油機將面臨哪些挑戰(zhàn)？ 就是剛才提到的結(jié)構(gòu)參數(shù)，壓縮比、滾流、稀薄燃燒，如何設計新型燃燒方式，如何分析驗證，這是我們專門委員會要做的事情。 例如新興射流點火的幾何參數(shù)如何設計等等。

我介紹一下清華大學的研究基礎。 我們現(xiàn)在叫車輛運輸學院，屬于發(fā)動機的。 就是我們汽車動力研究所。 從圖中還可以看出，發(fā)動機正在向能源方向擴展，底盤方向正在向運輸方向擴展。 我們研究組是能源動力，包括混合動力。

這是我們重點實驗室目前規(guī)劃的五個主要方向。 可見，第一個方向是先進發(fā)動機和特種動力，其中高效清潔內(nèi)燃機是卡住的技術。

提高內(nèi)燃機熱效率最直接的方法在哪里或者卡脖子在哪里？ 提高熱效率的一個重要技術途徑是高壓縮比下不爆震的問題。 這些年我們做了大量的基礎研究和技術應用研究。 主要基于幾個平臺。

首先，我們可以利用快速壓縮機制造出超高壓全場可視化爆震實驗儀器，并且可以非?？焖俚孬@得各種燃燒條件。 我們已經(jīng)對這種快速壓力機進行了基礎研究，我們可以研究不同的孔速度、匹配以及不同的結(jié)構(gòu)可以在快速壓力機上快速優(yōu)化。 這是火花點火和傳統(tǒng)噴射點火之間的比較。 通過匹配不同的光圈和光圈速度，你就可以達到你想要打到的地方。

這是第二個平臺數(shù)值模擬平臺，擁有700多個計算節(jié)點，采用多種計算軟件，可以模擬缸內(nèi)燃燒和排放的生產(chǎn)過程。 我們簡稱WDF，包括甲醇、乙醇、汽油、柴油等燃料。 對于燃燒的發(fā)展，特別是在追求爆震、活躍和高壓縮比的條件下，計算準化學動力學過程尤為必要。

這是我們的第三個平臺，就是光學引擎。 這是為了研究敲擊過程的機理。 如果弄清楚了機理，如何讓末端攪拌器變得亂序、自然，將是我們后面敲擊控制的方法。

我們發(fā)現(xiàn)了幾個有趣的現(xiàn)象。 為什么一個循環(huán)會在超級爆震時破壞發(fā)動機，導致極端條件下燃燒。 這種燃燒的峰值壓力可達1000公斤以上。 如何解決這個問題，我們會在爆震發(fā)現(xiàn)之前，在超爆震發(fā)生之前，如果能解決早期燃燒的問題，就能解決超爆震的問題。 可以看到他們的BMEP已經(jīng)達到了26。

通過以上研究結(jié)果，我們總結(jié)了內(nèi)燃機爆震過程中的三種模式。 通過我們的增壓比、空燃比以及不同燃料的激活，得出的結(jié)論是，無論是汽油機還是柴油機，爆震過程都只有三種模式。 第一次超級爆震是爆震的燃燒方式； HCCI爆轟屬于熱爆轟，比較平均； 傳統(tǒng)的爆震是末端混合器的順序自燃。 基于以上研究，我們獲得了中國內(nèi)燃機協(xié)會自然科學一等獎和中國汽車工業(yè)技術發(fā)明一等獎。 這些年我們把它應用到我們自主品牌車企開發(fā)高效燃燒系統(tǒng)。 ，這就是我們接下來的工作，叫做高效清潔燃燒系統(tǒng)的組織方法。 也就是說，這十年來中國燃油車，我們所做的工作實際上是圍繞預混燃燒展開的。 燃燒組織方式有好幾種，時間關系就介紹兩種或三種。

一是分布式氣相點火，我們分布式它，簡稱DGI。

二、多火團燃燒

三、微波點火。

第四，火花分層壓縮點火。

五是多重預混壓縮點火。

這些年來，我們還拓展了航空發(fā)動機、寬溫壓條件下爆震燃燒模式轉(zhuǎn)變規(guī)律和調(diào)節(jié)機理的研究。 右圖是我2018年參加德國柏林第四屆先進發(fā)動機點火技術論壇，這個報告是把航空發(fā)動機的超級燃燒技術應用到內(nèi)燃機上。 這就是我們下面要講的如何更好地組織高速、快速、穩(wěn)定的無爆震燃燒。

傳統(tǒng)發(fā)動機是火花點火，火焰蔓延，燃燒速度比較慢，稀薄燃燒容易出現(xiàn)失火。 HCCI發(fā)動機同時著火，這是一種負載重時會爆炸的燃燒方式。 有沒有可能有中間模式，我們在快速壓縮機和光學引擎上做了很多實驗，我們可以噴很多火，我們稱之為分散多點點火源，氣體氣相射流，所以燃燒速度很快，氣相噴射流預混無煙燃燒。 稀薄稀釋燃燒可以通過低溫燃燒避免氮氧化物的形成，因此這可以實現(xiàn)我們在稀薄燃燒條件下的高壓縮比無爆震和氮氧混合。

我們看到，不同的分布式火焰可以獲得不同的火焰配置。 我們來對比一下噴氣式飛機。 事實上，這就是兩股射流交叉和火花點火的情況。 可以看到燃燒速度很慢，右邊黑色的是火花點火。 通過優(yōu)化分布式氣相點火，我們可以看到點火面積非常大，燃燒快，而且不存在爆震。

在金屬發(fā)動機優(yōu)化的燃燒結(jié)構(gòu)上，可以進一步提高熱效率，通過多次噴射結(jié)合稀薄燃燒和EGR的燃燒控制策略，實現(xiàn)高效燃燒。

綜上所述，該種DGI可實現(xiàn)軸對稱點火、微小射流室、超高點火能量、稀釋稀薄燃燒、氣體氣相射流、環(huán)繞火焰射流、中心主動射流，并實現(xiàn)高壓縮比下無爆震、無爆震。稀薄燃燒條件下失火，著火時無碳煙，低溫燃燒時無氮氧作用。

第二種是點火式和壓燃式，利用終端混合器的自然熱效率。 我們不是讓它不自燃，而是讓它自燃，但爆炸的時候不爆炸。 這也是在快速壓縮機上做的結(jié)果，我們做了兩代。 第一代與奇瑞合作。 當時壓縮比為10，負重疊結(jié)構(gòu)在部分工況下可實現(xiàn)燃油節(jié)省30%、氮氧化物減少90%。 通過進一步提高壓縮比至15%，我們可以進一步提高熱效率。 我們設計了新型燃燒系統(tǒng)，可實現(xiàn)三級放熱，并采用射流技術。

同時，我們在剛才的基礎上添加乙醇后，熱效率進一步提高，接近50%。

GCI汽油壓縮點火產(chǎn)生兩次預混燃燒，熱效率達到51.1%。 后來我們又在燃油中添加了POD，使氮氧化物也達標。

研究思路稍后介紹。 如果我們想更進一步的話，基于剛才的研究和現(xiàn)有的基礎，我們提出混合動力特種發(fā)動機和燃油發(fā)動機。 事實上，它們是相關的。 近年來，我們與企業(yè)的合作也需要拓寬工作范圍，但特點和要求有所不同。 對于目前采用單體積比技術路線的燃油發(fā)動機來說，我們目前的目標是2025年達到最高熱效率45%，熱效率達到80%，也就是36%的面積，應該是非常大的了。寬，這是為了滿足常規(guī)，因為沒有電機輔助，但同時為了控制成本，發(fā)動機不能做得太復雜。

其次，對于混合動力專用發(fā)動機，此時可以引入一些稀燃燃燒熱管理技術。

研究中使用什么樣的燃燒系統(tǒng)？ 在目前的研究過程中，我們想對剛才不同的燃燒系統(tǒng)、不同的燃燒方式、不同的燃燒方式進行比較。 我們現(xiàn)在做的多燃燒模式燃燒系統(tǒng)叫做通用型。 氣缸蓋可裝多個噴油器和多個火花塞，全部可以更換，氣缸內(nèi)有多個噴嘴。 這種組合使我們能夠比較在不同壓縮比和不同燃燒系統(tǒng)條件下可以獲得的最高熱效率和成本。 這里是目前正在做的一些工作，比如我們?nèi)绾蝺?yōu)化這個氣相射流的點火，使中心達到爆炸但不振動的效果。

在進氣系統(tǒng)方面，我們需要在滾流方面下功夫。 燃油噴射系統(tǒng)，特別是噴射流，需要在內(nèi)部優(yōu)化噴霧形狀。 計算的精度非常高，內(nèi)部已經(jīng)使用DNS進行計算。

這部分是發(fā)動機的研發(fā)。 其實就是與企業(yè)合作進行關鍵零部件的加工，以及壓縮比的優(yōu)化。 我們結(jié)合數(shù)值模擬進行迭代，最終做好燃燒策略的制定。 這些是我們已經(jīng)具備的一些條件。 這種靈活可變的氣缸蓋適配可以滿足不同的氣缸沖程比，滿足我們的研發(fā)需求。

最后，一個小結(jié)論。 我們研究的目標是將高效發(fā)動機的點和面結(jié)合起來。 重點是達到最高的熱效率，面寬，油耗低。 熱效率達到國際領先水平，具有進一步擴大稀薄燃燒的潛力。 ，提前5年實現(xiàn)2030年國家目標，謝謝老師們！

（注：本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)主講人審閱，僅供參考，請勿轉(zhuǎn)載?。?/p>