内燃机技术进步：突破燃料利用率与有害排放极限

目前车用内燃机所面临的挑战主要来自三个方面：第一是日益严厉的排放法规；第二是更低的能耗要求；第三是替代动力的发展。因此内燃机在节油的同时必须尽可能地减少污染物的排放。

（1）传统内燃机燃料利用率和有害物排放极限 传统内燃机包括火花点燃式和压燃式两大类。汽油机属于预混合均质燃烧，借助于火花点燃。由于汽油机特性和爆燃等诸多因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比，故热效率比柴油机低得多，且易产生大量的NOx和不完全燃烧物。另外，汽油机需要用节气门控制进气量，部分负荷时的泵气损失也会使机械效率降低，因此汽油机的燃料利用率比柴油机低30%，此即为传统汽油机难以克服的燃料利用率极限。

柴油机属于燃料喷雾扩散燃烧，依靠发动机活塞压缩到接近终点时的高温使混合气自燃着火。由于喷雾与空气的混合时间很短，燃料与空气混合严重不均匀，形成了高温火焰区和高温过浓区，在高温火焰区局部火焰温度高达2700K，极有利于NOx的形成。在高温过浓区，由于缺氧又生成大量碳烟。因此由于柴油机非均质燃烧的固有特性，使柴油机存在碳烟和NOx排放的最低极限。

所以，突破传统内燃机燃料利用率和有害物排放两个极限是内燃机技术进步的关键。目前改进内燃机性能，提高内燃机的热效率以及减少排放的工作在两方面同时进行，一是对内燃机进行改良，二是基于全新的燃烧理论，研究新一代内燃机。

（2）内燃机改良技术 内燃机改良技术包括合理组织换气过程、改善燃烧过程、提高机械效率等一系列措施。对柴油机来说，由于采用自喷式燃油系统、高压喷射、电子控制等新技术，使柴油机的燃油消耗由20世纪60年代的260g/（kWh）降到20世纪90年代的170g/（kWh），与此同时，柴油机的污染物的排放也大为降低，发动机的动力性、安全性和可靠性也大大增加。对汽油机而言，由于改善了气缸内的空气运动和燃烧过程，采用分层稀薄燃烧系统，使汽油机的油耗也大大下降。如丰田D-4直喷式汽油发动机，空燃比高达50∶1，是目前稀薄燃烧的最高水平，其油耗比同排量的汽油机低30%，加速性能也提高了10%。

1）汽油直喷技术。在内燃机改良技术中，最重要的技术进步是汽油直喷技术和先进直喷柴油机技术。汽油缸内直喷（GDI）技术是针对火花点燃式内燃机的新技术。尽管该技术的预混合气形成方式与传统方式不同，但仍保持点燃预混合气的本质。新的汽油缸内直喷发动机在低工况时采用类似柴油机的燃油喷射形式，即压缩冲程喷射，利用活塞顶的复杂形状形成分层充气，进行稀薄燃烧；在高工况时采用进气冲程喷射，形成均匀混合气。由于采用分层充气，低燃空比点燃得到了保证。GDI不再依赖节气门来调节负荷，其充量系数比传统点燃机高了很多。另外，燃油直喷过程使气缸吸收了燃油蒸发过程的汽化潜热，温度降低，充量系数又可以进一步提高。此外，稀燃方式又提高了燃烧的效率。GDI发动机在低负荷时燃油经济性已经接近相同转速的欧Ⅲ排放水平柴油机，在中负荷时燃油经济性甚至超过了柴油机。从排放看，GDI发动机也具有较高潜力。GDI发动机的微粒排放虽然明显高于传统点燃机，但还是远远低于现代柴油机的限制。现在批量生产的GDI发动机的微粒排放已经可以达到美国ULEV的标准（0.01g/mile，1mile=1609.344m）。

但GDI发动机也面临着很多问题。比如：发动机的供油系统成本高。GDI发动机的NOx排放后处理也是一个难题。由于低工况时采用稀薄燃烧，传统的三元催化器就无法在GDI发动机上发挥作用。因此为了进一步挖掘GDI发动机的节油潜力，在开发稀薄燃烧NOx催化器，提高催化器的耐久性方面还有很多工作要做。

2）先进直喷柴油机技术。先进直喷柴油机是将各种新技术应用于传统直喷柴油机上以改善燃烧和排放。由于传统直喷柴油机扩散燃烧的特点，对NOx和PM完全实现缸内控制非常难，所以先进直喷柴油机采用缸内控制排放和缸外控制排放并举的方式。供油系统作为燃烧的核心部分，对燃烧和排放性能起主导作用，是决定燃烧品质的最重要因素。现代直喷柴油机供油系统的主流是泵嘴系统和共轨系统，不论采用泵嘴系统还是共轨系统，先进直喷柴油机的供油系统的发展都要符合：更高的喷油压力，达到200MPa数量级；喷油速率、形状控制，即靴形或三角形自主控制；多级喷油，包括降低排烟黑度和噪声的预喷射、主喷射和适当排放后处理要求的后喷射；提高小油量的精度控制。

3）内燃机废气再循环技术。内燃机废气再循环（EGR）是满足欧Ⅲ以上排放标准所必须采用的另一项技术。采用EGR后，燃烧温度大大降低，从而降低了NOx。在相同工况下，冷却EGR比无冷却EGR降低NOx的效果好，是达到欧Ⅳ标准的必要条件，且不影响燃油经济性。先进直喷柴油机对EGR的动态控制要求也很高。目前正在研发的控制方法有两种：闭环加过量空气率传感器控制和开环加map图控制。

在采用了EGR后，由于过量空气系数的降低，有可能导致燃烧速率降低，排烟黑度上升。因此，先进直喷柴油机要采用高旋流来改善混合气形成，提高燃烧速率，以避免烟度上升的不良后果。另外，采用高旋流的柴油机可以降低低负荷时的喷油压力，从而降低燃烧噪声。(www.xing528.com)

为达到欧Ⅳ排放法规的要求，要在采用EGR的基础上再加上氧化催化器。氧化催化器是一种被动排放后处理装置，用来降低柴油机排放中的HC、CO和SOF（可溶性有机物）。氧化催化器已经是一些汽车公司柴油机的标准配置。

（3）内燃机的革新技术

1）新一代内燃机燃烧理论。传统内燃机的燃烧方式决定了经济性与污染物排放的矛盾，这对矛盾也是内燃机发展的主要矛盾。燃烧学和热力学基本原理证明，新一代内燃机燃烧方式的基本特征是：均质、压燃、低火焰燃烧。新一代内燃机理论是一种全新的燃烧理论，它摒弃了传统的柴油机和汽油机概念，根据这一理论可以组织最清洁、热效率最高的燃烧过程。这一理论涉及混合气形成过程的流动、传热、传质和稀薄均质混合气燃烧中的物理和化学过程，以及内燃机动态工况燃烧控制和燃烧设计等基础理论问题，其内涵极为丰富，强烈依赖现代高新技术和前沿基础理论的进步，是21世纪重点发展的技术之一。

新一代内燃机燃烧理论是在20世纪90年代中期开始酝酿，并逐步形成清晰概念的。全世界科学界，包括我国学者在内，在最近的3～4年内，为实现柴油机均质压燃燃烧的目标开展了大量探索性研究，其中日本Nissan公司的MK（modulated kinities）燃烧过程是最成功的范例。它把排放出来的废气再引入燃烧室，提高燃烧室内惰性物质的浓度，减少氧浓度，降低燃烧温度，使柴油喷雾自燃着火的滞后期延长，从而使喷入燃烧室的燃料获得更多的混合时间。同时设法提高混合速率，使MK发动机在中、低负荷下实现了均质压燃着火和可控燃烧速度的目标。但由于柴油的十六烷值高，自燃着火时间短，在高负荷时，没有足够时间形成燃料与空气的均质混合气，因此，在高负荷时实现均质压燃着火燃烧仍是国际上尚未解决的技术难点。新一代的燃烧技术将使车用内燃机燃料利用率提高10%～30%，仅我国每年即可节约石油3000万t左右。此外，它还可大幅度降低内燃机有害物排放，改善大气环境状况。

2）传统的内燃机节能技术。传统的内燃机节能技术，如利用内燃机余热的废气涡轮增压技术，内燃机的电子控制技术等也得到进一步的发展和完善。以废气涡轮增压技术为例，它是利用内燃机本身高温高压的排气推动涡轮机，再由涡轮机带动压气机来增加进入内燃机气缸的空气压力，从而大幅度提高发动机功率的一种技术。现在几乎所有的船用柴油机和80%以上的车用柴油机都采用废气涡轮增压技术，车用汽油机采用涡轮增压技术也逐年增多。采用废气涡轮增压技术有许多优点：①可改善内燃机的热效率。采用涡轮增压后，可使柴油机的油耗下降10%左右。②可使内燃机的功率大大提高，对大、中型柴油机来说，可使功率提高30%～50%。③因进气充足，燃烧完善，可使尾气污染物排放减少。④由于增压缘故，可使内燃机在高原稀薄空气下正常工作。⑤涡轮增压消耗了排气能量，可降低内燃机排放噪声。

目前，增压技术的发展主要表现在两方面，一是增压器的压比和效率不断提高，例如ABB公司的增压器单级压比已达5，总效率提高到72%。二是增压系统的适应性越来越好，使得变工况和低负荷下发动机都具有良好的运行特性。为了使车用柴油机涡轮增压器响应性更好，先进的直喷柴油机多采用可变几何截面积的涡轮增压器。

用电子控制技术对内燃机参数进行监控，并利用反馈系统使内燃机一直处在最佳的运行工况，从而使燃油消耗率经常保持在最佳值，这是内燃机最有效的节油措施之一。采用电控方法可以使内燃机节油10%～20%。甚至更多。

电子技术的发展，特别是微型计算机技术的进步为内燃机电控提供了有力的技术保证。为了解决当前内燃机面临的燃油经济性、排放、噪声等问题，对电控技术也提出了更高的要求。汽油机电控的内容包括：燃油喷射与空燃比控制、点火定时与爆燃控制、怠速控制、超速保护、减速断油、废气再循环控制等。柴油机电控的内容包括：喷油量控制、喷油定时控制、怠速和暖车控制、进气系统控制、自动停缸控制等。在电控中最重要是对喷油系统的控制，因为它直接影响到内燃机的排气、噪声、燃油的经济性。随着控制理论的发展，各种新颖的控制方法正在逐步取代经典的控制方法，如最优控制、自适应控制、模糊控制和专家系统控制等已应用于内燃机的电控中。