一、汽車工業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新
在汽車工業(yè)的發(fā)展歷史中，創(chuàng)新決定了汽車工業(yè)的發(fā)展。波士頓咨詢公司（BCG）研究發(fā)現(xiàn)：2016 年，全世界最具創(chuàng)新的公司 TOP20 中有四分之一是汽車公司 [1]。2015 年上半年的 TOP20 公司中包含的汽車制造企業(yè)多于技術(shù)公司。
據(jù)汽車制造商聯(lián)盟（Alliance of Automobile Manufactur ers）統(tǒng)計，汽車生產(chǎn)商每年花費的研究與實驗發(fā)展（R&D）經(jīng)費超過 1000 億美元，其中美國花費了 180 億美元；據(jù)博斯公司（Booz &CO）報告，2013 年汽車制造商花費的 R&D 經(jīng)費從 75 億美元迅速攀升至 1020 億美元；全世界全年航天和國防 R&D 開支是 255 億美元，汽車的 R&D 投入是航空航天的 4 倍，整個汽車產(chǎn)業(yè)在國家科技投入中占比很大。
其中，提高動力總成效率、開發(fā)動力裝置系統(tǒng)的潛力和電子模塊是汽車制造業(yè)創(chuàng)新的重要方向。內(nèi)燃機(jī)是汽車的心臟，內(nèi)燃機(jī)性能的優(yōu)劣直接決定汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放和機(jī)動性等多項性能指標(biāo)。以內(nèi)燃機(jī)為動力形式的汽車將在未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)不可替代。因此，未來汽車技術(shù)創(chuàng)新的主戰(zhàn)場在于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。
二、未來相當(dāng)長時間汽車內(nèi)燃機(jī)仍占有支配地位
（一）車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)優(yōu)勢
內(nèi)燃機(jī)技術(shù)經(jīng)過一百多年的發(fā)展，在能量密度、熱效率、燃料靈活度、市場占有率以及加工技術(shù)等方面均具有絕對優(yōu)勢 [2]。
（1）內(nèi)燃機(jī)能量密度高。乘用車升功率最高達(dá)150 kW/L。
（2）內(nèi)燃機(jī)熱效率高。汽油機(jī)的熱效率可達(dá) 45%，與最新的超超臨界和整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（IGCC）發(fā)電站效率相當(dāng)，柴油機(jī)的熱效率正在接近 50%[3]。
（3）可以使用靈活的燃料。內(nèi)燃機(jī)可使用的燃料不僅包括化石燃料、天然氣、生物質(zhì)燃料，還包括乙醇等可再生能源。
截至 2017 年 3 月底，全國機(jī)動車保有量突破 3 億輛，其中汽車達(dá) 2 億輛。我國國產(chǎn)品牌的市場占有率已名列前茅。此外，內(nèi)燃機(jī)加工技術(shù)成熟，維修使用方便。
（二）汽車內(nèi)燃機(jī)仍然具有巨大的發(fā)展?jié)摿?/span>
從內(nèi)燃機(jī)技術(shù)角度來看，在 CO2 排放和污染物控制方面仍然有較大潛力可以開發(fā)。
（1）更高的內(nèi)燃機(jī)熱效率。國際內(nèi)燃機(jī)主要研究機(jī)構(gòu)的研發(fā)重心在于提高熱效率，有效熱效率達(dá)到 60% 被作為內(nèi)燃機(jī)界的「短期」奮斗目標(biāo) [4]，長期的「極限」是有效熱效率達(dá)到 85%。
（2）內(nèi)燃機(jī)電氣化。與電子控制、信息化等融合速度加速，包括電子水泵、電控噴油、電控增壓和可調(diào)排氣再循環(huán)（EGR）等技術(shù)的迅猛發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)控制更加精細(xì)，內(nèi)燃機(jī)效率將得到極大的提高。
（3）節(jié)能減排法規(guī)的不斷嚴(yán)格。世界主要國家均已設(shè)定大幅度降低油耗和 CO2 減排的法規(guī)，同時，針對輕型汽車整車的實際行駛排放（RDE）測試方法正在準(zhǔn)備實施，這些均對降低有害排放物非常有利。
（4）不斷發(fā)展的有害排放物控制技術(shù)。目前內(nèi)燃機(jī)有害排放物已經(jīng)達(dá)到近零的水平，主要排放物降低了 90% 左右。
圖 1 世界主要國家和地區(qū)乘用車降低 CO2 排放時間表
另外，隨著世界范圍內(nèi)能源、環(huán)境問題的加劇，發(fā)展內(nèi)燃機(jī)節(jié)能和降低 CO2 排放是汽車內(nèi)燃機(jī)的迫切任務(wù)。圖 1 為世界主要國家和地區(qū)降低 CO2 排放時間表，我國乘用車的任務(wù)是每年降低 5 % 的 CO2 排放量。
（三）新能源汽車在短期內(nèi)不可替代內(nèi)燃機(jī)汽車
新能源汽車在實現(xiàn)低碳排放和零污染控制方面有諸多優(yōu)勢，但諸如太陽能、風(fēng)能、可再生生物質(zhì)能等新能源形式尚未見明確的發(fā)展時間表。當(dāng)今新能源汽車動力電池技術(shù)尚未實質(zhì)功克，且在電池材料的生產(chǎn)和制造過程中會產(chǎn)生相當(dāng)多的環(huán)境問題。
因此，新能源汽車的推廣和廣泛應(yīng)用還需要突破諸多的社會和技術(shù)屏障?！?017 年數(shù)字化汽車報告》樂觀地預(yù)計，到 2030 年，中國電動汽車將達(dá)到 7300 萬輛左右，約占當(dāng)時汽車總量的 10% [5]。因此，在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)內(nèi)燃機(jī)汽車依然占有支配地位。
三、高效、節(jié)能、清潔的內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)
（一）新一代先進(jìn)燃燒技術(shù)層出不窮
20 世紀(jì) 90 年代中期，人們曾認(rèn)為傳統(tǒng)柴油機(jī)的有害排放物 NOx 和碳煙存在生成極限（如 NOx 最低排放的限制約為 2.5 g/(kW·h)）。但是近 20 年來，包括我國在內(nèi)的國際內(nèi)燃機(jī)界早已突破了這個極限，獲得了高熱效率、超低排放的巨大進(jìn)步。現(xiàn)有先進(jìn)的燃燒技術(shù)包括：汽油 Ⅳ 壓燃著火燃燒（GCI）、雙燃料的反應(yīng)活性控制著火燃燒（RCCI） [6,7]、汽油/柴油雙燃料高預(yù)混合低溫燃燒（HPCC）[8,9]、均質(zhì)充量壓燃（HCCI）著火燃燒 [3]、適度和較高分層的壓燃燃燒過程（GDCI）[10] 等均具有很高的熱效率。
據(jù)報道，美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的某些多缸實驗發(fā)動機(jī)熱效率已經(jīng)提高到 55% 以上；Toyota 8NR-FTS-Turbo GDI 發(fā)動機(jī)的百公里油耗為 5.15 L，比日本政府效率法規(guī)好 10%；Mazda SKYACTIV-G 汽油機(jī)采用 HCCI 燃燒，熱效率可達(dá) 40%，實現(xiàn)低速大扭矩，對比 2008 年 Mazda 同排量的汽油發(fā)動機(jī)，油耗改善率提升了 35%~45%，Mazda 因此推遲了采用應(yīng)用混合動力技術(shù)。
天津大學(xué)蘇萬華院士團(tuán)隊通過對發(fā)動機(jī)在不同燃燒狀態(tài)下（發(fā)動機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速）的物理和化學(xué)過程的深入研究，先后提出了柴油機(jī)燃燒過程混合和化學(xué)時間尺度控制及燃燒路徑控制概念 [11]，最早提出并采用多脈沖燃油噴射高混合率技術(shù)，最終形成了高密度-低溫燃燒（HD-LTC）理論 [12] 和燃燒路徑控制理論 [13]，不但滿足了國家第六階段機(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，而且熱效率達(dá)到了 45.5%。
（二）高增壓和小型強(qiáng)化技術(shù)
目前，增壓小型化是汽車內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的一個主流技術(shù)。據(jù)美國密歇根大學(xué)運輸研究所（UMTRI）的報告：2025 年將有 50% 的乘用車應(yīng)用增壓技術(shù) [14]。目前我國新的車型基本都采用了小型增壓技術(shù)。
近年來，先進(jìn)的高增壓技術(shù)發(fā)展迅速，包括電動增壓技術(shù)（eBooster）、可變截面渦輪增壓技術(shù)（VGT）、二級可調(diào)增壓（RTST）技術(shù)等。其中，eBooster 能夠極大地提高進(jìn)氣系統(tǒng)的響應(yīng)特性，提高內(nèi)燃機(jī)大負(fù)荷效率，但存在成本較高、電器設(shè)備耐熱性差等問題 [15]。VGT 技術(shù)是當(dāng)今高檔小排量轎車采用較多的一種技術(shù)，該增壓技術(shù)能夠提高低速轉(zhuǎn)矩特性，極大提高內(nèi)燃機(jī)的功率密度，促進(jìn)內(nèi)燃機(jī)向小型化方向發(fā)展。二級可調(diào)增壓技術(shù)主要包括：廢氣旁通增壓+普通增壓器（WGT+FGT）和 VGT+FGT 兩種增壓方式，主要匹配于較大排量的內(nèi)燃機(jī)，BMW 740MY2010 3.0 L 內(nèi)燃機(jī)采用VGT+FGT 增壓系統(tǒng)，相比原機(jī)節(jié)約油耗約 10%，高效動力性與 8 缸、10 缸動力性能相當(dāng)。
圖 2 二級可調(diào)增壓柴油機(jī)高海拔試驗系統(tǒng)簡圖
陸軍軍事交通學(xué)院的劉瑞林團(tuán)隊針對高原某重型柴油機(jī)設(shè)計開發(fā)了 VGT+FGT 增壓系統(tǒng) [16]，設(shè)計了相應(yīng)的變海拔控制策略 [17]，利用內(nèi)燃機(jī)高海拔模擬試驗系統(tǒng)（見圖 2）進(jìn)行了二級可調(diào)增壓柴油機(jī)在不同海拔和工況下的性能試驗，結(jié)果表明：在海拔 5500 m，二級可調(diào)增壓柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和標(biāo)定功率分別提高了 11.0% 和 11.8%，低速轉(zhuǎn)矩平均提高了 31.1%，適應(yīng)性系數(shù)提高了19.2%，最低燃油消耗率和低速時的燃油消耗率分別降低了 4.8% 和 15.3%；不同海拔高、低壓級增壓器與柴油機(jī)的聯(lián)合運行線均位于壓氣機(jī)較高效率區(qū)。
（三）多變量、多系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)智能控制技術(shù)
近年來，多系統(tǒng)、多參數(shù)可變控制技術(shù)發(fā)展迅速，加速了內(nèi)燃機(jī)的智能化。其中發(fā)動機(jī)各子系統(tǒng)包含控制參數(shù)眾多，包括增壓系統(tǒng)（VGT 葉片和廢氣旁通閥開度）、噴油系統(tǒng)（預(yù)噴、主噴、噴油定時、噴油量）、排氣再循環(huán)（EGR）系統(tǒng)（閥門開度和開閉時刻）、氣門連桿機(jī)構(gòu) [18]（氣門升程、定時）等，內(nèi)燃機(jī)可變智能技術(shù)包括可變增壓技術(shù)，可變 EGR 技術(shù)、可變氣門定時和升程技術(shù)，可變直噴和雙噴技術(shù)，可變壓縮比 [19,20] 技術(shù)等。
圖 3 Ford 2.0 L NA 發(fā)動機(jī)的 HyBoost 系統(tǒng)
圖 3 為 Ford 公司為 2.0 L 自然吸氣（NA）發(fā)動機(jī)設(shè)計的復(fù)合高增壓（HyBoost）系統(tǒng) [13]。該系統(tǒng)將電動渦輪增壓器與傳統(tǒng)廢氣渦輪增壓相結(jié)合，電動增壓器能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)工況自由調(diào)節(jié)渦輪轉(zhuǎn)速，達(dá)到進(jìn)氣充量的精確控制，同時，HyBoost 系統(tǒng)還能夠回收內(nèi)燃機(jī)高負(fù)荷時的一部分能量，極大提高低速轉(zhuǎn)矩和油耗，其經(jīng)濟(jì)性可與強(qiáng)混合動力相當(dāng)。
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圖 4 某 O6 柴油機(jī)多系統(tǒng)、多參數(shù)控制系統(tǒng)
圖 4 是天津大學(xué)蘇萬華院士團(tuán)隊為國內(nèi)某型柴油機(jī)開發(fā)的多系統(tǒng)、多參數(shù)整機(jī)智能控制系統(tǒng)，柴油機(jī)配置包括可變二級增壓器，可變 EGR 系統(tǒng)、可變噴油系統(tǒng)和可變氣門定時和升程，控制參數(shù)包括：VGT 葉片開度、壓縮比、 EGR 閥開度、噴油量等。智能控制器能夠監(jiān)控柴油機(jī)當(dāng)下的工況、道路情況，基于瞬變過程、動態(tài)響應(yīng)特性和 PM 峰值等因素，按照響應(yīng)的控制策略，實時控制柴油機(jī)的各個子系統(tǒng)和參數(shù)，提高柴油機(jī)熱效率，改善污染物排放和燃油經(jīng)濟(jì)性。
汽車控制技術(shù)進(jìn)步的另一個方面是提高車載的計算能力，不僅是解決內(nèi)燃機(jī)的控制問題和計算問題，更重要的是提高發(fā)動機(jī)和整車系統(tǒng)耦合控制。據(jù) UMTRI 關(guān)于 21 世紀(jì)的動力總成策略研究，2025 年電子產(chǎn)品在動力總成所占的成本將增加 15%，所以實際上智能化、電氣化并不是電動車的專利，對于內(nèi)燃機(jī)汽車更需要向信息化、電氣化、智能化方向發(fā)展。
（四）提高內(nèi)燃機(jī)工作各環(huán)節(jié)效率
圖 5 發(fā)動機(jī)工作過程中各項損失及影響因素
改善油耗、提高內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率和七個因素有關(guān)：壓縮比、比熱比、燃燒期間、燃燒時刻、壁面?zhèn)鳠?、吸排行程壓力差和機(jī)械阻力。發(fā)動機(jī)工作過程中的損失包括離散/失火損失、排氣損失、冷卻損失、泵吸損失、機(jī)械摩擦損失等（見圖 5）。增壓和壓縮比優(yōu)化控制及余熱利用能夠減少失火損失和排氣損失，低散熱技術(shù)能夠減少冷卻損失，可變頻泵能夠減少泵吸損失，潤滑技術(shù)能夠減少機(jī)械摩擦損失，但是如何控制綜合成本是一個需要解決的問題 [21]。
（五）其他內(nèi)燃機(jī)先進(jìn)技術(shù)
為了進(jìn)一步提高內(nèi)燃機(jī)的熱效率，改善油耗和排放性能，除了上述主要的技術(shù)外，還包括智能停缸技術(shù)、工質(zhì)移缸技術(shù)、缸內(nèi)噴水技術(shù)和提高汽油機(jī)的辛烷值等多項技術(shù)。
1. 智能停缸技術(shù)
智能停缸技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排的重要技術(shù) [22]。國外羅伯特•博世有限公司和巴伐利亞機(jī)械制造廠股份公司的高端汽車已經(jīng)采用智能停缸技術(shù)。天津大學(xué)為某天然氣發(fā)動機(jī)開發(fā)了智能停缸技術(shù)，試驗結(jié)果表明：百千米天然氣消耗比同一道路運行的進(jìn)口的火花點火天然氣發(fā)動機(jī)減少約 45%，工作氣缸隨機(jī)工作模式消除了震動噪聲，均衡了熱負(fù)荷。
2. 工質(zhì)移缸技術(shù)
工質(zhì)移缸技術(shù)是指內(nèi)燃機(jī)循環(huán)做功的工質(zhì)通過連接裝置先后在多個氣缸之間轉(zhuǎn)移。通過工質(zhì)移缸可以將內(nèi)燃機(jī)的一個工作循環(huán)分隔到多個氣缸中完成，因此又稱為分缸循環(huán)。應(yīng)用工質(zhì)移缸技術(shù)的內(nèi)燃機(jī)可以將壓縮與燃燒分離在不同氣缸內(nèi)進(jìn)行，因此可以緩解壓縮氣缸的熱應(yīng)力，從而提高壓縮比。
工質(zhì)移缸技術(shù)還可以通過改變前后缸的容積使膨脹比大于壓縮比，實現(xiàn)充分膨脹循環(huán)。Scuderi、德國的發(fā)動機(jī)與能源技術(shù)股份有限公司（META）和美國的通用汽車公司均開展不同程度的研究工作，但該技術(shù)尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用 [23~25]。
3. 缸內(nèi)噴水技術(shù)
利用缸內(nèi)噴水技術(shù)改善抗爆性，能夠?qū)⑵蜋C(jī)轉(zhuǎn)矩提高至相同排量柴油機(jī)的水平。同時，與變速箱的系統(tǒng)集成結(jié)合能夠大幅度降低整車油耗。大眾雙渦輪增壓、直噴火花點火汽油機(jī)采用噴水技術(shù)后，抗爆性得到極大改善；Bosch 試驗發(fā)動機(jī)的水油比為 35%，油耗降低約 13%[26,27]。
4. 提高汽油機(jī)的辛烷值
提高汽油機(jī)的辛烷值是提高內(nèi)燃機(jī)熱效率的重要技術(shù)方向。辛烷值提高到 95~100[28]，內(nèi)燃機(jī)熱效率可以提高 5%。Tatur 等 [29] 指出：歐洲政府和工業(yè)界達(dá)成提高汽油機(jī)辛烷值的共識，最高到 RON102，有利于優(yōu)化汽油機(jī)的新技術(shù)。天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點實驗室提出 RM-HCCI 技術(shù) [30,31]，改善高負(fù)荷油耗，指示熱效率（ITEg）可達(dá)到 52%。
四、結(jié)語
內(nèi)燃機(jī)在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)仍將是汽車主要的動力源。在環(huán)境污染、全球變暖、能源危機(jī)迫切的壓力下，清潔、高效、節(jié)能的內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)層出不窮，我國應(yīng)在制定汽車發(fā)展規(guī)劃時對清潔高效的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)予以充分重視，同時在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和技術(shù)研發(fā)投入等方面緊跟發(fā)展趨勢。
（1）內(nèi)燃機(jī)節(jié)能減排任重道遠(yuǎn)，未來將是國家能源和環(huán)境安全的主戰(zhàn)場之一，意義重大，加快車用內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)的發(fā)展對汽車發(fā)展和國家發(fā)展全局均具有重要意義。
（2）在世界范圍內(nèi)內(nèi)燃機(jī)以提高能量利用率、降低碳排放為目標(biāo)，新技術(shù)發(fā)展速度加快。包括先進(jìn)燃燒技術(shù)、增壓技術(shù)、多系統(tǒng)多變量控制技術(shù)、余熱回收技術(shù)、智能停缸技術(shù)、缸內(nèi)噴水技術(shù)等。
（3）我國車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展快速，成績卓越，與世界先進(jìn)水平的差距正在迅速縮小。當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)新技術(shù)層出不窮，我國內(nèi)燃機(jī)工業(yè)不可懈怠，應(yīng)從積極鼓勵內(nèi)燃機(jī)工業(yè)創(chuàng)新和占領(lǐng)技術(shù)制高點等方面持續(xù)發(fā)力，積極推進(jìn)我國內(nèi)燃機(jī)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。自主發(fā)展高效清潔的內(nèi)燃機(jī)是我國走向汽車強(qiáng)國的重要組成部分