2020年12月10日，由国内行业最具影响力的整车厂、高等院校、科研机构及零部件供应商60余家相关单位共同提议、吉利汽车牵头，中国内燃机工业协会乘用车动力总成专业委员会成立大会在宁波杭州湾召开。大会期间，清华大学车辆与运载学院副院长 王志先生以《汽油机高热效率开发技术》为题发表了主题报告。
以下为演讲实录：
各位专家、各位老师、各位同事，下午好！我是清华大学的王志，很高兴乘用车动力专委会邀请我来做一个《汽油机高热效率开发技术》报告，我的小标题是《汽油机热效率从40%到50%的技术路线研究》，主要讲几个方面。
首先看一下背景，随着我国乘用车油耗法规逐步加严，2025年企业目标平均油耗为4L/100km，因此大幅度提高乘用车动力系统的效率是当前我国实现整车节能亟待解决的技术难题。大家知道乘用车动力系统目前呈现多元化态势，包括内燃动力、混合动力和纯电动力，这是国际能源组织关于乘用车动力系统的发展趋势。2035年仍然有超过70%的乘用车会使用内燃机。我们也对主要车企进行了调研，2025年各家车企的规划可以看出超过60%的乘用车仍然会使用纯内燃机，这也是我们最近的调研。不管是常规动力还是混合动力，重要基础都是高效汽油机，可见开展研发高效汽油机是实现我国节能减排的一条重要途径。
这是典型的国际高效汽油机研发的项目，比如日本的SIP等等实现的目标都是在2024或者2025年实现50%的热效率。右边的图是截题的结果，热效率从38.5%提升到51.5%，有9%是来自于燃烧系统的设计和燃烧组织。所以汽油机从40%—50%热效率的提升需要采用高热燃烧系统、低摩擦、热管理和增压技术的优化等。从这里面可以看到提高热效率的关键在于燃烧组织，贡献率达到70%以上，尤其是对于混合动力的专用发动机。
下面看一下国内外的研究现状，这是国外典型的高效汽油机的技术参数，国内的热效率从38%到样机中的43%，包括量产和现在样机过程中的，缸气冲程比，技术路线基本相同。我们举几个典型的例子，时间关系，我们就把要点说一下。比如说刚才讲到的丰田2.5L的发动机采用了自然吸气双喷射混合动力专用版的热效力是41%。另外举咱们国内吉利1.5T的这款混合动力专用发动机，它是将缸内直喷改为气道喷射，应对混动车辆频繁启停带来的损态过程排放问题，大家可以看到现在混合动力专用发动机都非常注重控制成本。这个高效区也是比较宽的。
第二个技术路线就是以马自达为代表的SPCCI，采用燃烧反馈、闭环控制来实现了热效率达到43%的效果。
另外一种叫做分布式气相射流点火燃烧，比如说马勒TJI多缸样机，它采用14.7的压缩比实现了42%的有效热效率。本田的PJI也是采用了类似的技术，实现了47%的热效率，更稀薄的燃烧。
另外咱们也提到汽油直喷压燃，采用压缩比16，典型的GDCI达到了43%的热效率，要解决类似柴油机的排气后处理，要采用氧化催化剂。
我们提到对国内主要的车企进行了乘用车动力总成2025的规划，可以看到大部分车企的传统燃油机的规划不低于60%，燃油车仍然是节能减排的主力，所以我们对传统的燃油车也要进行节能减排，这是当前迫切地介绍成本和节能的重要渠道。
具体来看对于燃油车的燃油发动机，也就是咱们纯内燃机在2025年各家车企的产品期望值希望达到39%-43%的热效率，可以看到还是比较务实的。对于混合动力专用发动机，国内主要车企的预算希望在2025年产品期望值达到43%-45%。
高效汽油机燃烧系统可以分为三类。
第一，火花点火燃烧。
第二，直喷压燃燃烧。
第三，气相射流燃烧。
汽油机未来面临哪些挑战？就是刚才说的结构参数，压缩比、滚流、稀薄燃烧，如何设计新型燃烧，如何进行分析验证，这就是我们在专委会里要做的工作。比如说新兴的射流点火几何参数如何设计等等。
下面介绍一下清华大学的研究基础，我们现在叫做车辆运载学院属于发动机这一块的就是我们的车辆动力研究所，图上也可以看出发动机是在往能源拓展，底盘的方向是在往交通拓展，我们所在的课题组就是能源动力，包括了混合动力。
这是我们重点实验室目前规划的五大方向，可以看到第一个方向就是先进发动机和特种动力，其中高效清洁内燃机是其中卡脖子的技术。
内燃机要提高热效率最直接的手段或者卡脖子在哪呢？提高热效率的重要技术途径是高压缩比下不爆震的问题，我们这些年做了大量的基础研究和技术应用研究的工作。主要是基于几个平台。
首先我们利用快速压缩机可以创造超高压全场可视化爆震实验仪器，非常快速地可以获得各种燃烧的条件。这种快压机上进行了基础研究，我们可以研究不同的孔速、匹配，不同的结构都可以在快压机上得到快速优化。这是火花点火和传统的射流点火的比较，通过不同的孔径和孔速匹配可以实现指哪打哪。
这是第二个平台数值模拟平台，具有700多个计算节点，采用多种计算软件，可以模拟缸内燃烧和排放物的生产过程。我们把简称为WDF，包括甲醇、乙醇、汽油、柴油类的燃料。对于尤其是燃烧开发到了现在追求爆震、活性高压缩比的条件下，尤其要算准化学动力学的过程。
这是我们第三个平台，就是光学发动机，这里面就是研究爆震过程中的机理，如果我们搞清楚这个机理，怎么样让末端混合器不顺序自然，就是我们后面爆震控制的方法。
我们发现了几个有意思的现象，为什么超级爆震的时候一个循环把发动机破坏，这就出现了极端条件下的燃烧，这种燃烧的峰值压力可以达到1000公斤以上，怎么解决这个问题，我们会发现爆震前，出现超级爆震前，能够解决早燃的问题就可以解决超级爆震的问题，可以看到他们的BMEP已经达到26。
通过以上发现，我们总结出内燃机爆震过程中的三种模态。随着我们的增压比、空燃比和不同燃料的活化，总结出来不管是汽油机还是柴油机在爆震过程中就这么三种模态，第一种超级爆震是爆轰这种燃烧模式；HCCI爆震是热爆炸，比较平均；常规爆震是末端混合器的顺序自燃。基于以上的研究，我们获得了中国内燃机协会的自然科学一等奖和中国汽车工业技术发明的一等奖，我们在这些年把它应用在我们的自主品牌的车企中进行合作开发高效燃烧系统，这就是我们下面的工作，叫做高效清洁燃烧系统的组织方法。也就是在近十年，我们做的工作实际上就是围绕预混速燃，这里面有几种燃烧的组织方法，时间关系就介绍两到三种。
第一，分布式气相点火，我们分布出去，简称DGI。
第二，多火群燃烧
第三，微波点火。
第四，火花分层压燃。
第五，多预混压燃。
我们这些年同时拓展了航空发动机的研究，宽温度压力条件下爆震燃烧模态转换规律和调控机理。右边这张图是2018年我在德国柏林参加了第四届先进发动机点火技术论坛，这个报告就是将航空发动机的技术超燃在内燃机中应用。这就是我们下面要讲的怎么样更好地组织高速、快速、稳定的不爆震燃烧。
常规的发动机是一个火花点火、火焰传播、燃烧速度比较慢，而且稀燃容易失火。HCCI发动机是同时着火，就是刚才说的大负荷的时候会爆炸的一种燃烧模态。是不是可能存在一种中间模式，我们在快速压缩机和光学发动机上做了大量实验，我们可以撒入很多火种，我们叫做分散多点火源，燃气气相射流，这样燃烧速度就很快，燃气气相射流就是预混的无烟燃烧，稀薄稀释燃烧通过低温燃烧可以避免氮氧化物的生成，因此这样就可以实现我们的高压缩比下不爆震，稀燃条件下不氮氧。
我们看到在不同分布式火焰的情况下可以得到各种的火焰构型。我们对比一下射流，其实这是两个射流在交叉的情况和火花点火的情况，可以看到燃烧速度很慢，右边黑色的就是火花点火。我们通过优化分布式气相点火可以看到点火面积非常大，燃烧很快，而且不爆震。
在金属发动机上在优化燃烧式结构上，可以更高地提高热效率，在通过多次喷射结合稀燃和EGR的燃烧控制策略实现了高效燃烧。
总结一下，这种DGI能够实现轴对称点火，微小射流室，超高点火能，稀释稀薄燃烧，燃气气相射流，周围火焰射流，中心活性射流，通过射流交叉、空间的混合、活性的火焰实现高压缩比下不爆震，稀燃条件下不失火、遇火燃烧无碳烟、低温燃烧无氮氧的效果。
第二种是点燃压燃，这里面就是通过怎么样末端混合器这种自然产生热效率的利用，我们不是让它不自燃，而是让它自燃，但是爆了不震。这也是在快速压缩机上做的结果，我们做了两代。第一代和奇瑞合作，当时压缩比10，采用负重叠的结构能够实现部分工况下节油30%、氮氧化物降低90%。进一步把压缩比提到15%，我们能够把热效率进一步地提高，我们设计了新型的燃烧系统，可以实现三阶段放热，采用了射流的技术。
同时我们在刚才的基础上加入乙醇以后热效率进一步提高，接近50%。
GCI汽油压燃，产生两次预混燃烧，实现了51.1%的热效率。后面我们进一步做了燃料方面添加POD，使得氮氧化物也能达标。
后面介绍一下研究思路，如果我们要进一步地做，我们根据刚才的调研和现有的基础，我们提出混合动力专用发动机和燃油发动机，实际上它俩是相关联的。这些年我们和企业的合作，也需要拓宽工作面，但是特点要求不同。对于燃油发动机目前采用单量比的技术路线，我们现在的目标是在最高热效率2025年实现45%，在80%的热效率，也就是36%这个区域要非常地宽，这是为了满足常规的，因为没有电机辅助，但同时要控制成本，不能把发动机做得太复杂。
第二，混动动力的专用发动机，这时候就可以引入一些稀燃燃烧热管理的技术。
研究中到底采用什么样的燃烧系统，我们在现在的研究过程中就是要对比刚才不同的燃烧系统、不同的燃烧模式、不同的燃烧方法，我们现在做的多燃烧模式的燃烧系统，我们叫万能缸盖，上面可以加多个喷油器，多个火花塞，都可以替换，缸内也有多个喷嘴。这种组合就能对比我们在不同的压缩比、不同的燃烧系统条件下能得到的最高热效率以及成本。这里面就是目前做的一些工作，比如说我们怎么通过优化这种气相射流点火让中心达到爆而不震的效果。
进气系统方面我们要滚流方面开展工作，喷油系统尤其是射流要对喷雾的形状做内部的优化。计算的精度要求非常高，目前内部已经采用DNS做计算了。
这一块就是发动机的研发方面，其实就是和企业合作的关键零部件加工，还有压缩比的优化，咱们在结合数值模拟进行迭代，最后做好燃烧策略的开发。这是目前我们已经具备的一些条件，这个能够灵活可变的缸盖适配，可以满足不同的缸进冲程比来满足我们的研发需求。
最后是一个小的结论，我们这个研究的目标是在于高效发动机的点面结合，点是实现最高热效率，面就是宽的低油耗须，达到国际领先的热效率水平，并且有进一步拓展稀薄燃烧的潜力，达到2030年的国家目标，提前5年实现，谢谢各位老师！
（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅，仅作为参考资料，请勿转载！）
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