清华大学王志：汽油机热效率从40%到50%的技术路线研究

  首先看一下背景，随着我们国家乘用车油耗法规逐步加严，2025年企业目标平均油耗为4L/100km，因此大幅度提升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。各位明白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的新趋势。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年各家车企的规划能够准确的看出超过60%的乘用车仍然会使用纯内燃机，

  开展研发高效汽油机是实现我国节能减排的一条重要方法。这是典型的国际高效汽油机的研发项目，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。从这里面能够正常的看到提高热效率的重点是燃烧组织，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，你们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。

  43%的热效率，能够正常的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能分为三类。第一，火花点火燃烧。

  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，非常快速地能够得到各种燃烧的条件。这种快压机上进行了基础研究，我们大家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能轻松实现指哪打哪。

  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的全部过程。我们把其简称为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。

  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。

  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。

  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。是不是有几率存在一种中间模式，我们在快速压缩机和光学发动机上做了大量实验，我们大家可以撒入很多火种，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稀释燃烧通过低温燃烧能够尽可能的防止氮氧化物的生成，因此这样就能轻松实现我们的高压缩比下不爆震，稀燃条件下不氮氧。

  第二种是点燃压燃，这里面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，采用负重叠的结构可以在一定程度上完成部分工况下节油30%、氮氧化物降低90%。进一步把压缩比提到15%，我们也可以把热效率进一步地提高，我们设计了新型的燃烧系统，能轻松实现三阶段放热，采用了射流的技术。

  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。

  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