2020年12月10日，由吉利汽车牵头、中国内燃机工业协会乘用车动力协会等国内行业最具影响力的整车厂、高等院校、科研机构、零部件供应商等60余家相关单位联合提出大会专业委员会成立大会在宁波杭州湾召开。 会议期间，清华大学车辆与车辆学院副院长王志先生做了题为“汽油机高热效率开发技术”的主题报告。
以下为演讲实录：
各位专家、老师、同事们下午好！ 我是来自清华大学的王智。 很高兴乘用车动力委员会邀请我做《汽油机高热效率开发技术》的报告。 我的副标题是《汽油机热效率从40%提高到50%的技术路线研究》，主要讲几个方面。
首先，我们来看看背景。 随着我国乘用车燃料消耗法规逐步加严，2025年企业平均燃料消耗量目标为4L/100公里。 因此，大幅提高乘用车动力系统效率，实现我国整车节能是一项亟待解决的技术。 问题。 我们都知道，目前乘用车的动力系统呈现多元化趋势，包括内燃机动力、混合动力和纯电动动力。 这是国际能源组织对乘用车动力系统的发展趋势。 2035年，70%以上的乘用车仍将使用内燃机。 我们还对各大汽车公司进行了研究。 根据各车企规划，到2025年，60%以上的乘用车仍将使用纯内燃机。 这也是我们最新的研究成果。 无论传统动力还是混合动力，重要的基础都是高效汽油发动机。 可见，发展高效汽油机是我国实现节能减排的重要途径。
这是国际上典型的高效汽油机研发项目，如日本的SIP等，目标是在2024年或2025年实现热效率达到50%。右图是切割后的结果关问题。 热效率从38.5%提高到51.5%，其中9%来自燃烧系统和燃烧组织的设计。 因此，汽油机热效率从40%提高到50%需要高热燃烧系统、低摩擦、热管理和增压技术的优化。 由此可见，提高热效率的关键在于燃烧组织，贡献率达70%以上，特别是混合动力特种发动机。
我们来看看国内外的研究现状。 这是国外典型高效汽油机的技术参数。 国内样机热效率在38%到43%之间，包括量产和目前的样机工艺、气缸气体冲程比、技术路线等。 基本相同。 举几个典型的例子，时间关系，只说要点。 比如刚才提到的丰田2.5L发动机，采用的是自然吸气双喷混合版本中国燃油车，热效率高达41%。 另外，以我们国产吉利1.5T混合动力专用发动机为例，将缸内直喷改为气道喷射，以应对混合动力汽车频繁启停带来的损伤过程排放问题。 可以看到，目前的混合动力专用发动机非常注重控制成本。 这个高效区也比较宽。
第二种技术路线是以马自达为代表的SPCCI，利用燃烧反馈和闭环控制，热效率达到43%。
另一种称为分布式气相射流点火燃烧，如MAHLE TJI多缸样机，采用14.7的压缩比，实现42%的有效热效率。 本田的PJI也采用了类似的技术，实现了47%的热效率和更稀薄的燃烧。
此外，我们还提到了汽油直喷和压缩点火，压缩比为16，典型的GDCI热效率为43%。 要解决类似于柴油机的排气后处理，必须使用氧化催化剂。
我们提到国内主要车企都对2025年乘用车动力总成进行了规划，可以看到大部分车企传统燃油发动机的规划不低于60%。 燃油汽车仍是节能减排的主力军。 因此，我们也需要对传统燃油汽车进行节能减排。 这是迫切引入成本节能的重要渠道。
具体来说，对于燃油汽车的燃油发动机，也就是我们的纯内燃机，2025年各车企的产品期望希望达到39%-43%的热效率。 可见是相当务实的。 对于混合动力专用发动机，国内主要汽车制造商的预算希望2025年产品预期达到43%-45%。
高效汽油机燃烧系统可分为三类。
首先，火花点燃燃烧。
二是直喷压燃燃烧。
三是气体喷射燃烧。
未来汽油机将面临哪些挑战？ 就是刚才提到的结构参数，压缩比、滚流、稀薄燃烧，如何设计新型燃烧方式，如何分析验证，这是我们专门委员会要做的事情。 例如新兴射流点火的几何参数如何设计等等。
我介绍一下清华大学的研究基础。 我们现在叫车辆运输学院，属于发动机的。 就是我们汽车动力研究所。 从图中还可以看出，发动机正在向能源方向扩展，底盘方向正在向运输方向扩展。 我们研究组是能源动力，包括混合动力。
这是我们重点实验室目前规划的五个主要方向。 可见，第一个方向是先进发动机和特种动力，其中高效清洁内燃机是卡住的技术。
提高内燃机热效率最直接的方法在哪里或者卡脖子在哪里？ 提高热效率的一个重要技术途径是高压缩比下不爆震的问题。 这些年我们做了大量的基础研究和技术应用研究。 主要基于几个平台。
首先，我们可以利用快速压缩机制造出超高压全场可视化爆震实验仪器，并且可以非常快速地获得各种燃烧条件。 我们已经对这种快速压力机进行了基础研究，我们可以研究不同的孔速度、匹配以及不同的结构可以在快速压力机上快速优化。 这是火花点火和传统喷射点火之间的比较。 通过匹配不同的光圈和光圈速度，你就可以达到你想要打到的地方。
这是第二个平台数值模拟平台，拥有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的生产过程。 我们简称WDF，包括甲醇、乙醇、汽油、柴油等燃料。 对于燃烧的发展，特别是在追求爆震、活跃和高压缩比的条件下，计算准化学动力学过程尤为必要。
这是我们的第三个平台，就是光学引擎。 这是为了研究敲击过程的机理。 如果弄清楚了机理，如何让末端搅拌器变得乱序、自然，将是我们后面敲击控制的方法。
我们发现了几个有趣的现象。 为什么一个循环会在超级爆震时破坏发动机，导致极端条件下燃烧。 这种燃烧的峰值压力可达1000公斤以上。 如何解决这个问题，我们会在爆震发现之前，在超爆震发生之前，如果能解决早期燃烧的问题，就能解决超爆震的问题。 可以看到他们的BMEP已经达到了26。
通过以上研究结果，我们总结了内燃机爆震过程中的三种模式。 通过我们的增压比、空燃比以及不同燃料的激活，得出的结论是，无论是汽油机还是柴油机，爆震过程都只有三种模式。 第一次超级爆震是爆震的燃烧方式； HCCI爆轰属于热爆轰，比较平均； 传统的爆震是末端混合器的顺序自燃。 基于以上研究，我们获得了中国内燃机协会自然科学一等奖和中国汽车工业技术发明一等奖。 这些年我们把它应用到我们自主品牌车企开发高效燃烧系统。 ，这就是我们接下来的工作，叫做高效清洁燃烧系统的组织方法。 也就是说，这十年来中国燃油车，我们所做的工作实际上是围绕预混燃烧展开的。 燃烧组织方式有好几种，时间关系就介绍两种或三种。
一是分布式气相点火，我们分布式它，简称DGI。
二、多火团燃烧
三、微波点火。
第四，火花分层压缩点火。
五是多重预混压缩点火。
这些年来，我们还拓展了航空发动机、宽温压条件下爆震燃烧模式转变规律和调节机理的研究。 右图是我2018年参加德国柏林第四届先进发动机点火技术论坛，这个报告是把航空发动机的超级燃烧技术应用到内燃机上。 这就是我们下面要讲的如何更好地组织高速、快速、稳定的无爆震燃烧。
传统发动机是火花点火，火焰蔓延，燃烧速度比较慢，稀薄燃烧容易出现失火。 HCCI发动机同时着火，这是一种负载重时会爆炸的燃烧方式。 有没有可能有中间模式，我们在快速压缩机和光学引擎上做了很多实验，我们可以喷很多火，我们称之为分散多点点火源，气体气相射流，所以燃烧速度很快，气相喷射流预混无烟燃烧。 稀薄稀释燃烧可以通过低温燃烧避免氮氧化物的形成，因此这可以实现我们在稀薄燃烧条件下的高压缩比无爆震和氮氧混合。
我们看到，不同的分布式火焰可以获得不同的火焰配置。 我们来对比一下喷气式飞机。 事实上，这就是两股射流交叉和火花点火的情况。 可以看到燃烧速度很慢，右边黑色的是火花点火。 通过优化分布式气相点火，我们可以看到点火面积非常大，燃烧快，而且不存在爆震。
在金属发动机优化的燃烧结构上，可以进一步提高热效率，通过多次喷射结合稀薄燃烧和EGR的燃烧控制策略，实现高效燃烧。
综上所述，该种DGI可实现轴对称点火、微小射流室、超高点火能量、稀释稀薄燃烧、气体气相射流、环绕火焰射流、中心主动射流，并实现高压缩比下无爆震、无爆震。稀薄燃烧条件下失火，着火时无碳烟，低温燃烧时无氮氧作用。
第二种是点火式和压燃式，利用终端混合器的自然热效率。 我们不是让它不自燃，而是让它自燃，但爆炸的时候不爆炸。 这也是在快速压缩机上做的结果，我们做了两代。 第一代与奇瑞合作。 当时压缩比为10，负重叠结构在部分工况下可实现燃油节省30%、氮氧化物减少90%。 通过进一步提高压缩比至15%，我们可以进一步提高热效率。 我们设计了新型燃烧系统，可实现三级放热，并采用射流技术。
同时，我们在刚才的基础上添加乙醇后，热效率进一步提高，接近50%。
GCI汽油压缩点火产生两次预混燃烧，热效率达到51.1%。 后来我们又在燃油中添加了POD，使氮氧化物也达标。
研究思路稍后介绍。 如果我们想更进一步的话，基于刚才的研究和现有的基础，我们提出混合动力特种发动机和燃油发动机。 事实上，它们是相关的。 近年来，我们与企业的合作也需要拓宽工作范围，但特点和要求有所不同。 对于目前采用单体积比技术路线的燃油发动机来说，我们目前的目标是2025年达到最高热效率45%，热效率达到80%，也就是36%的面积，应该是非常大的了。宽，这是为了满足常规，因为没有电机辅助，但同时为了控制成本，发动机不能做得太复杂。
其次，对于混合动力专用发动机，此时可以引入一些稀燃燃烧热管理技术。
研究中使用什么样的燃烧系统？ 在目前的研究过程中，我们想对刚才不同的燃烧系统、不同的燃烧方式、不同的燃烧方式进行比较。 我们现在做的多燃烧模式燃烧系统叫做通用型。 气缸盖可装多个喷油器和多个火花塞，全部可以更换，气缸内有多个喷嘴。 这种组合使我们能够比较在不同压缩比和不同燃烧系统条件下可以获得的最高热效率和成本。 这里是目前正在做的一些工作，比如我们如何优化这个气相射流的点火，使中心达到爆炸但不振动的效果。
在进气系统方面，我们需要在滚流方面下功夫。 燃油喷射系统，特别是喷射流，需要在内部优化喷雾形状。 计算的精度非常高，内部已经使用DNS进行计算。
这部分是发动机的研发。 其实就是与企业合作进行关键零部件的加工，以及压缩比的优化。 我们结合数值模拟进行迭代，最终做好燃烧策略的制定。 这些是我们已经具备的一些条件。 这种灵活可变的气缸盖适配可以满足不同的气缸冲程比，满足我们的研发需求。
最后，一个小结论。 我们研究的目标是将高效发动机的点和面结合起来。 重点是达到最高的热效率，面宽，油耗低。 热效率达到国际领先水平，具有进一步扩大稀薄燃烧的潜力。 ，提前5年实现2030年国家目标，谢谢老师们！
（注：本文根据现场速记整理，未经主讲人审阅，仅供参考，请勿转载！）