2020年12月10日，由國內(nèi)行業(yè)最具影響力的整車廠、高等院校、科研機構(gòu)及零部件供應商60余家相關單位共同提議、吉利汽車牽頭，中國內(nèi)燃機工業(yè)協(xié)會乘用車動力總成專業(yè)委員會成立大會在寧波杭州灣召開。大會期間，清華大學車輛與運載學院副院長 王志先生以《汽油機高熱效率開發(fā)技術》為題發(fā)表了主題報告。

以下為演講實錄：

各位專家、各位老師、各位同事，下午好！我是清華大學的王志，很高興乘用車動力專委會邀請我來做一個《汽油機高熱效率開發(fā)技術》報告，我的小標題是《汽油機熱效率從40%到50%的技術路線研究》，主要講幾個方面。

首先看一下背景，隨著我國乘用車油耗法規(guī)逐步加嚴，2025年企業(yè)目標平均油耗為4L/100km，因此大幅度提高乘用車動力系統(tǒng)的效率是當前我國實現(xiàn)整車節(jié)能亟待解決的技術難題。大家知道乘用車動力系統(tǒng)目前呈現(xiàn)多元化態(tài)勢，包括內(nèi)燃動力、混合動力和純電動力，這是國際能源組織關于乘用車動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。2035年仍然有超過70%的乘用車會使用內(nèi)燃機。我們也對主要車企進行了調(diào)研，2025年各家車企的規(guī)劃可以看出超過60%的乘用車仍然會使用純內(nèi)燃機，這也是我們最近的調(diào)研。不管是常規(guī)動力還是混合動力，重要基礎都是高效汽油機，可見開展研發(fā)高效汽油機是實現(xiàn)我國節(jié)能減排的一條重要途徑。

這是典型的國際高效汽油機研發(fā)的項目，比如日本的SIP等等實現(xiàn)的目標都是在2024或者2025年實現(xiàn)50%的熱效率。右邊的圖是截題的結(jié)果，熱效率從38.5%提升到51.5%，有9%是來自于燃燒系統(tǒng)的設計和燃燒組織。所以汽油機從40%—50%熱效率的提升需要采用高熱燃燒系統(tǒng)、低摩擦、熱管理和增壓技術的優(yōu)化等。從這里面可以看到提高熱效率的關鍵在于燃燒組織，貢獻率達到70%以上，尤其是對于混合動力的專用發(fā)動機。

下面看一下國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，這是國外典型的高效汽油機的技術參數(shù)，國內(nèi)的熱效率從38%到樣機中的43%，包括量產(chǎn)和現(xiàn)在樣機過程中的，缸氣沖程比，技術路線基本相同。我們舉幾個典型的例子，時間關系，我們就把要點說一下。比如說剛才講到的豐田2.5L的發(fā)動機采用了自然吸氣雙噴射混合動力專用版的熱效力是41%。另外舉咱們國內(nèi)吉利1.5T的這款混合動力專用發(fā)動機，它是將缸內(nèi)直噴改為氣道噴射，應對混動車輛頻繁啟停帶來的損態(tài)過程排放問題，大家可以看到現(xiàn)在混合動力專用發(fā)動機都非常注重控制成本。這個高效區(qū)也是比較寬的。

第二個技術路線就是以馬自達為代表的SPCCI，采用燃燒反饋、閉環(huán)控制來實現(xiàn)了熱效率達到43%的效果。

另外一種叫做分布式氣相射流點火燃燒，比如說馬勒TJI多缸樣機，它采用14.7的壓縮比實現(xiàn)了42%的有效熱效率。本田的PJI也是采用了類似的技術，實現(xiàn)了47%的熱效率，更稀薄的燃燒。

另外咱們也提到汽油直噴壓燃，采用壓縮比16，典型的GDCI達到了43%的熱效率，要解決類似柴油機的排氣后處理，要采用氧化催化劑。

我們提到對國內(nèi)主要的車企進行了乘用車動力總成2025的規(guī)劃，可以看到大部分車企的傳統(tǒng)燃油機的規(guī)劃不低于60%，燃油車仍然是節(jié)能減排的主力，所以我們對傳統(tǒng)的燃油車也要進行節(jié)能減排，這是當前迫切地介紹成本和節(jié)能的重要渠道。

具體來看對于燃油車的燃油發(fā)動機，也就是咱們純內(nèi)燃機在2025年各家車企的產(chǎn)品期望值希望達到39%-43%的熱效率，可以看到還是比較務實的。對于混合動力專用發(fā)動機，國內(nèi)主要車企的預算希望在2025年產(chǎn)品期望值達到43%-45%。

高效汽油機燃燒系統(tǒng)可以分為三類。

第一，火花點火燃燒。

第二，直噴壓燃燃燒。

第三，氣相射流燃燒。

汽油機未來面臨哪些挑戰(zhàn)？就是剛才說的結(jié)構(gòu)參數(shù)，壓縮比、滾流、稀薄燃燒，如何設計新型燃燒，如何進行分析驗證，這就是我們在專委會里要做的工作。比如說新興的射流點火幾何參數(shù)如何設計等等。

下面介紹一下清華大學的研究基礎，我們現(xiàn)在叫做車輛運載學院屬于發(fā)動機這一塊的就是我們的車輛動力研究所，圖上也可以看出發(fā)動機是在往能源拓展，底盤的方向是在往交通拓展，我們所在的課題組就是能源動力，包括了混合動力。

這是我們重點實驗室目前規(guī)劃的五大方向，可以看到第一個方向就是先進發(fā)動機和特種動力，其中高效清潔內(nèi)燃機是其中卡脖子的技術。

內(nèi)燃機要提高熱效率最直接的手段或者卡脖子在哪呢？提高熱效率的重要技術途徑是高壓縮比下不爆震的問題，我們這些年做了大量的基礎研究和技術應用研究的工作。主要是基于幾個平臺。

首先我們利用快速壓縮機可以創(chuàng)造超高壓全場可視化爆震實驗儀器，非?？焖俚乜梢垣@得各種燃燒的條件。這種快壓機上進行了基礎研究，我們可以研究不同的孔速、匹配，不同的結(jié)構(gòu)都可以在快壓機上得到快速優(yōu)化。這是火花點火和傳統(tǒng)的射流點火的比較，通過不同的孔徑和孔速匹配可以實現(xiàn)指哪打哪。

這是第二個平臺數(shù)值模擬平臺，具有700多個計算節(jié)點，采用多種計算軟件，可以模擬缸內(nèi)燃燒和排放物的生產(chǎn)過程。我們把簡稱為WDF，包括甲醇、乙醇、汽油、柴油類的燃料。對于尤其是燃燒開發(fā)到了現(xiàn)在追求爆震、活性高壓縮比的條件下，尤其要算準化學動力學的過程。

這是我們第三個平臺，就是光學發(fā)動機，這里面就是研究爆震過程中的機理，如果我們搞清楚這個機理，怎么樣讓末端混合器不順序自然，就是我們后面爆震控制的方法。

我們發(fā)現(xiàn)了幾個有意思的現(xiàn)象，為什么超級爆震的時候一個循環(huán)把發(fā)動機破壞，這就出現(xiàn)了極端條件下的燃燒，這種燃燒的峰值壓力可以達到1000公斤以上，怎么解決這個問題，我們會發(fā)現(xiàn)爆震前，出現(xiàn)超級爆震前，能夠解決早燃的問題就可以解決超級爆震的問題，可以看到他們的BMEP已經(jīng)達到26。

通過以上發(fā)現(xiàn)，我們總結(jié)出內(nèi)燃機爆震過程中的三種模態(tài)。隨著我們的增壓比、空燃比和不同燃料的活化，總結(jié)出來不管是汽油機還是柴油機在爆震過程中就這么三種模態(tài)，第一種超級爆震是爆轟這種燃燒模式；HCCI爆震是熱爆炸，比較平均；常規(guī)爆震是末端混合器的順序自燃。基于以上的研究，我們獲得了中國內(nèi)燃機協(xié)會的自然科學一等獎和中國汽車工業(yè)技術發(fā)明的一等獎，我們在這些年把它應用在我們的自主品牌的車企中進行合作開發(fā)高效燃燒系統(tǒng)，這就是我們下面的工作，叫做高效清潔燃燒系統(tǒng)的組織方法。也就是在近十年，我們做的工作實際上就是圍繞預混速燃，這里面有幾種燃燒的組織方法，時間關系就介紹兩到三種。

第一，分布式氣相點火，我們分布出去，簡稱DGI。

第二，多火群燃燒

第三，微波點火。

第四，火花分層壓燃。

第五，多預混壓燃。

我們這些年同時拓展了航空發(fā)動機的研究，寬溫度壓力條件下爆震燃燒模態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律和調(diào)控機理。右邊這張圖是2018年我在德國柏林參加了第四屆先進發(fā)動機點火技術論壇，這個報告就是將航空發(fā)動機的技術超燃在內(nèi)燃機中應用。這就是我們下面要講的怎么樣更好地組織高速、快速、穩(wěn)定的不爆震燃燒。

常規(guī)的發(fā)動機是一個火花點火、火焰?zhèn)鞑?、燃燒速度比較慢，而且稀燃容易失火。HCCI發(fā)動機是同時著火，就是剛才說的大負荷的時候會爆炸的一種燃燒模態(tài)。是不是可能存在一種中間模式，我們在快速壓縮機和光學發(fā)動機上做了大量實驗，我們可以撒入很多火種，我們叫做分散多點火源，燃氣氣相射流，這樣燃燒速度就很快，燃氣氣相射流就是預混的無煙燃燒，稀薄稀釋燃燒通過低溫燃燒可以避免氮氧化物的生成，因此這樣就可以實現(xiàn)我們的高壓縮比下不爆震，稀燃條件下不氮氧。

我們看到在不同分布式火焰的情況下可以得到各種的火焰構(gòu)型。我們對比一下射流，其實這是兩個射流在交叉的情況和火花點火的情況，可以看到燃燒速度很慢，右邊黑色的就是火花點火。我們通過優(yōu)化分布式氣相點火可以看到點火面積非常大，燃燒很快，而且不爆震。

在金屬發(fā)動機上在優(yōu)化燃燒式結(jié)構(gòu)上，可以更高地提高熱效率，在通過多次噴射結(jié)合稀燃和EGR的燃燒控制策略實現(xiàn)了高效燃燒。

總結(jié)一下，這種DGI能夠?qū)崿F(xiàn)軸對稱點火，微小射流室，超高點火能，稀釋稀薄燃燒，燃氣氣相射流，周圍火焰射流，中心活性射流，通過射流交叉、空間的混合、活性的火焰實現(xiàn)高壓縮比下不爆震，稀燃條件下不失火、遇火燃燒無碳煙、低溫燃燒無氮氧的效果。

第二種是點燃壓燃，這里面就是通過怎么樣末端混合器這種自然產(chǎn)生熱效率的利用，我們不是讓它不自燃，而是讓它自燃，但是爆了不震。這也是在快速壓縮機上做的結(jié)果，我們做了兩代。第一代和奇瑞合作，當時壓縮比10，采用負重疊的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)部分工況下節(jié)油30%、氮氧化物降低90%。進一步把壓縮比提到15%，我們能夠把熱效率進一步地提高，我們設計了新型的燃燒系統(tǒng)，可以實現(xiàn)三階段放熱，采用了射流的技術。

同時我們在剛才的基礎上加入乙醇以后熱效率進一步提高，接近50%。

GCI汽油壓燃，產(chǎn)生兩次預混燃燒，實現(xiàn)了51.1%的熱效率。后面我們進一步做了燃料方面添加POD，使得氮氧化物也能達標。

后面介紹一下研究思路，如果我們要進一步地做，我們根據(jù)剛才的調(diào)研和現(xiàn)有的基礎，我們提出混合動力專用發(fā)動機和燃油發(fā)動機，實際上它倆是相關聯(lián)的。這些年我們和企業(yè)的合作，也需要拓寬工作面，但是特點要求不同。對于燃油發(fā)動機目前采用單量比的技術路線，我們現(xiàn)在的目標是在最高熱效率2025年實現(xiàn)45%，在80%的熱效率，也就是36%這個區(qū)域要非常地寬，這是為了滿足常規(guī)的，因為沒有電機輔助，但同時要控制成本，不能把發(fā)動機做得太復雜。

第二，混動動力的專用發(fā)動機，這時候就可以引入一些稀燃燃燒熱管理的技術。

研究中到底采用什么樣的燃燒系統(tǒng)，我們在現(xiàn)在的研究過程中就是要對比剛才不同的燃燒系統(tǒng)、不同的燃燒模式、不同的燃燒方法，我們現(xiàn)在做的多燃燒模式的燃燒系統(tǒng)，我們叫萬能缸蓋，上面可以加多個噴油器，多個火花塞，都可以替換，缸內(nèi)也有多個噴嘴。這種組合就能對比我們在不同的壓縮比、不同的燃燒系統(tǒng)條件下能得到的最高熱效率以及成本。這里面就是目前做的一些工作，比如說我們怎么通過優(yōu)化這種氣相射流點火讓中心達到爆而不震的效果。

進氣系統(tǒng)方面我們要滾流方面開展工作，噴油系統(tǒng)尤其是射流要對噴霧的形狀做內(nèi)部的優(yōu)化。計算的精度要求非常高，目前內(nèi)部已經(jīng)采用DNS做計算了。

這一塊就是發(fā)動機的研發(fā)方面，其實就是和企業(yè)合作的關鍵零部件加工，還有壓縮比的優(yōu)化，咱們在結(jié)合數(shù)值模擬進行迭代，最后做好燃燒策略的開發(fā)。這是目前我們已經(jīng)具備的一些條件，這個能夠靈活可變的缸蓋適配，可以滿足不同的缸進沖程比來滿足我們的研發(fā)需求。

最后是一個小的結(jié)論，我們這個研究的目標是在于高效發(fā)動機的點面結(jié)合，點是實現(xiàn)最高熱效率，面就是寬的低油耗須，達到國際領先的熱效率水平，并且有進一步拓展稀薄燃燒的潛力，達到2030年的國家目標，提前5年實現(xiàn)，謝謝各位老師！

（注：本文根據(jù)現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)演講嘉賓審閱，僅作為參考資料，請勿轉(zhuǎn)載?。?/strong>

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