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來源：同濟(jì)智能汽車研究所（混合動力研究組）
編者按：未來30年汽車動力將如何變革？此變革中內(nèi)燃機(jī)又將何去何從？本文在總結(jié)了過去30年汽油機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和近20年汽車動力的變革后，或許能為我們部分廓清上述問題。文章結(jié)論性觀點如下：（1）過去30年，輕型汽車汽油機(jī)技術(shù)取得長足進(jìn)步——汽油機(jī)產(chǎn)品在動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放控制方面獲得全方位提高。其中，動力性提高67%以上，熱效率提高8個百分點，提高幅度為20%以上。中國輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)從國1到國6，有害排放物降低80%以上。（2）未來30年內(nèi)燃機(jī)仍將起到關(guān)鍵作用，至少60%以上輕型汽車需要一個內(nèi)燃機(jī)。（3）內(nèi)燃機(jī)在輕型汽車動力中的地位將逐漸發(fā)生變化。一方面，從內(nèi)燃機(jī)單獨驅(qū)動逐漸演變?yōu)閮?nèi)燃機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動，其作用變化類似于從“獨唱”變?yōu)椤岸爻?。另一方面，?nèi)燃機(jī)在整車性能上所起到的關(guān)鍵作用將下降，從一個“核心”部件變成“關(guān)鍵”部件，成為一個通用產(chǎn)品，商業(yè)模式可能發(fā)生變化。（4）結(jié)合混合動力系統(tǒng)應(yīng)用可充分利用發(fā)動機(jī)的高效率區(qū)域?；靹酉到y(tǒng)，特別是增程混合動力系統(tǒng)，要求內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行范圍變窄，有必要開發(fā)混合動力專用發(fā)動機(jī)，進(jìn)一步提高其熱效率、簡化機(jī)構(gòu)、降低成本。（5）未來汽油機(jī)熱效率（特別是實際運(yùn)行時的熱效率）將大幅度提高，通過多種技術(shù)手段的應(yīng)用，商業(yè)化產(chǎn)品有望實現(xiàn)45%的熱效率。（6）汽車燃用天然氣可大幅度降低CO2排放。車用動力將根據(jù)地域形成“油、電、氣”的多元格局。
本文摘自《汽車安全與節(jié)能學(xué)報》2019年第10卷第2期。作者為來自同濟(jì)大學(xué)智能汽車研究所的韓志玉教授、吳振闊博士、高曉杰博士。 摘要：總結(jié)了過去30年輕型車用汽油機(jī)技術(shù)與產(chǎn)品的進(jìn)步以及近20年汽車動力多元化（包括混合動力、純電動、燃料電池等）的變革趨勢，展望了內(nèi)燃機(jī)在此變革中的發(fā)展趨勢。在過去30年，汽油機(jī)技術(shù)取得了長足的進(jìn)步；汽油機(jī)產(chǎn)品在動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放控制方面獲得了全方位的大幅度提高。對動力技術(shù)多元化的分析指出內(nèi)燃機(jī)在汽車動力中仍將起到關(guān)鍵作用，未來30年里至少60%以上的輕型汽車仍然需要使用內(nèi)燃機(jī)。但是，內(nèi)燃機(jī)的地位將逐步發(fā)生變化。汽車動力將從內(nèi)燃機(jī)單獨驅(qū)動的“獨唱”逐漸演變?yōu)閮?nèi)燃機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動的“二重唱”。輕型車用汽油發(fā)動機(jī)未來發(fā)展的重點包括開發(fā)混合動力專用發(fā)動機(jī)、提高發(fā)動機(jī)熱效率和應(yīng)用低碳燃料（如天然氣）等。最后，探討了提高汽油機(jī)熱效率至45%的技術(shù)手段。關(guān)鍵詞: 汽車動力；內(nèi)燃機(jī)；汽油機(jī)；熱效率；電動化
汽油機(jī)是輕型汽車（包括乘用車和輕型商用車）的主要動力。在過去的30年里，世界發(fā)達(dá)國家和中國的汽車發(fā)動機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品都取得了長足的進(jìn)步。筆者結(jié)合親身經(jīng)歷，討論近30年國內(nèi)外車用汽油機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品的進(jìn)步，總結(jié)近20年汽車動力多元化的發(fā)展趨勢，并展望未來在輕型汽車動力變革中的內(nèi)燃機(jī)發(fā)展。由于柴油機(jī)制造成本高，且需要復(fù)雜的后處理系統(tǒng)來滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此柴油機(jī)在中國輕型車上應(yīng)用較少，歐洲國家的應(yīng)用也會逐步減少，所以本文集中在汽油機(jī)方面的討論。 近30年車用汽油機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品的進(jìn)步 為了理清汽油機(jī)技術(shù)發(fā)展的基本線路，有必要對發(fā)動機(jī)的工作過程做一個簡要概述。圖1給出了發(fā)動機(jī)基本工作過程的示意圖。進(jìn)氣系統(tǒng)及燃油供給系統(tǒng)將空氣和燃料分別引入到發(fā)動機(jī)內(nèi)并形成空氣–燃料混合氣，混合氣在發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)被點燃并發(fā)生燃燒，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)對外輸出動力。隨著燃燒產(chǎn)生的產(chǎn)物有H2O、CO2以及空氣中沒有參與反應(yīng)的N2，同時也伴有少量CO、HC、NOx和顆粒物等有害排放物。因此，對發(fā)動機(jī)工作過程的改善一般應(yīng)遵循如下原則：1） 最大程度地提高動力輸出以及其與燃料輸入的比值，即提高動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性；
從圖1可以看出，理論上要改善發(fā)動機(jī)就要改善燃料的供給、空氣進(jìn)氣、燃燒、有害排放物的生成及其后處理。在過去的30年里，發(fā)動機(jī)技術(shù)正是在上述這幾個方面取得了很大進(jìn)步，從而帶來了發(fā)動機(jī)性能的顯著提高，即上述第1和2項取得了進(jìn)步。需要指出的是，目前對于CO2的降低，即上述第3項，主要是通過降低油耗來實現(xiàn)，基本沒有出臺專門降低CO2排放的措施和法規(guī)。本文在后面的討論中將按燃料供給、空氣進(jìn)氣、燃燒和有害排放物控制的線條展開討論。為深刻理解發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展背后的原理支撐，先對發(fā)動機(jī)原理進(jìn)行簡要分析。以發(fā)動機(jī)平均有效壓力和熱效率為主線對影響發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性的主要因素進(jìn)行分析。發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)平均有效壓力與其輸出扭矩成正比，提高平均有效壓力將提高發(fā)動機(jī)的扭矩輸出。平均有效壓力為[1,2]其中：ηV為充氣效率，ηC為燃燒效率，ηi為指示熱效率，ηm為機(jī)械效率，αAF為空燃比，Pa、Ta、R分別為參考狀態(tài)下的氣體壓力、溫度及氣體常數(shù)，QLHV為燃料低熱值。為提高發(fā)動機(jī)的扭矩輸出，要考慮式(1)中各影響因素。采用較大的空燃比（大于當(dāng)量空燃比），即稀薄燃燒，有利于提高指示熱效率（即降低燃料耗率），但將直接影響發(fā)動機(jī)的輸出扭矩?？紤]到這個因素和排放控制，汽油機(jī)基本工作在當(dāng)量空燃比附近，其變化范圍較小。因此提高汽油機(jī)的動力輸出，可從提高充氣效率、燃燒效率、指示熱效率、機(jī)械效率入手。其中，提高充氣效率的效果尤為顯著。提高汽油機(jī)的熱效率可以從理論熱效率入手。汽油機(jī)理想循環(huán)為奧拓循環(huán)（Otto cycle），其熱效率為[1,2]：
其中:ηi為指示熱效率，ε為壓縮比，n為過程指數(shù)。增大壓縮比或過程指數(shù)均可以提高熱效率。汽油機(jī)壓縮比提高到一定程度將受到爆震燃燒的限制，采用可變壓縮比技術(shù)是提高發(fā)動機(jī)熱效率同時避免爆震的最佳技術(shù)方案之一。1.1 汽油機(jī)技術(shù)的進(jìn)步由于汽油機(jī)功率密度較高、振動噪聲小、成本較低且污染物控制比柴油機(jī)容易，因此廣泛應(yīng)用在輕型車上。汽油機(jī)一般采用火花塞點燃汽油與空氣的預(yù)混合氣，繼而產(chǎn)生火焰?zhèn)鞑ィ紵龉?。汽油機(jī)混合氣的制備對汽油機(jī)的性能影響很大，因此汽油機(jī)技術(shù)的發(fā)展離不開與混合氣制備密切相關(guān)的進(jìn)氣和燃油噴射技術(shù)的發(fā)展。1.1.1 進(jìn)氣技術(shù)的發(fā)展從式(1)可知，為提高發(fā)動機(jī)動力性，可以通過提高發(fā)動機(jī)的充氣效率來實現(xiàn)。提高汽油機(jī)充氣效率的進(jìn)氣技術(shù)包括：采用4氣門、可變進(jìn)氣管長度、可變進(jìn)氣正時（variable valve timing, VVT）、可變進(jìn)氣升程（variable valve lift, VVL）以及廢氣渦輪增壓等技術(shù)，其中渦輪增壓技術(shù)是當(dāng)前提升汽油機(jī)動力性的主要手段。渦輪增壓技術(shù)可以利用廢氣能量驅(qū)動渦輪帶動壓氣機(jī)工作，提升進(jìn)氣壓力，提高發(fā)動機(jī)的充氣量，繼而大幅提升汽油機(jī)的動力性[3-4]。由于動力性的提升，汽車可在保持與原有自然吸氣發(fā)動機(jī)相同動力性的情況下，采用較小排量的渦輪增壓發(fā)動機(jī)，利于發(fā)動機(jī)小型化和輕量化。小型化可以有效降低燃油消耗量及有害物的排放量，做到節(jié)能、減排。因此，增壓小型化也成為現(xiàn)今車用汽油機(jī)的主流趨勢。但是，采用渦輪增壓技術(shù)也存在一些問題[5]。由于進(jìn)氣壓力和溫度的增加，會導(dǎo)致壓縮終了的缸內(nèi)溫度升高和壓力增加，以及發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷增加，使發(fā)動機(jī)爆震傾向增大。一般可通過進(jìn)氣中冷、提高燃油辛烷值、降低壓縮比、推遲點火角、加濃混合氣、廢氣再循環(huán)（exhaust gas recirculation, EGR）等技術(shù)手段來抑制爆震。早期汽油機(jī)通過化油器實現(xiàn)汽油供給, 到20世紀(jì)80年代初期隨著電子控制技術(shù)的興起，開始普遍采用汽油氣道噴射技術(shù)（port fuel injection, PFI），從單點噴射到各缸多點噴射技術(shù)。到20世紀(jì)90年代中期，缸內(nèi)直接噴射技術(shù)（gasoline direct injection,GDI）得到了商業(yè)化應(yīng)用。盡管幾十年前人們幾次嘗試推出汽油直噴技術(shù)的產(chǎn)品（例如福特汽車公司的PROCO），直到1996年日本三菱汽車公司率先在市場上推出直噴分層燃燒的汽油機(jī)汽車產(chǎn)品，才開啟了現(xiàn)代汽油直噴噴射技術(shù)的時代，經(jīng)過10多年的發(fā)展，廢氣渦輪增壓當(dāng)量均質(zhì)混合氣直噴汽油機(jī)技術(shù)在國內(nèi)外基本普及。為滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，人們一直在改善燃油霧化和噴射控制，缸內(nèi)直噴技術(shù)經(jīng)歷了從傘噴到多孔噴油器，噴射壓力從10 MPa到35 MPa，每循環(huán)單次噴射到多次噴射，噴霧油粒平均尺寸從25 μm到10 μm的進(jìn)步。隨著燃油噴射控制技術(shù)的進(jìn)步，噴油離燃燒室越來越近，使得噴油量、噴射時間和噴射策略的控制也越來越精確，有利于對空燃比精確控制，進(jìn)而實現(xiàn)對燃燒的精確控制。而且，有利于對各缸空燃比的一致性控制，降低了各缸不均勻性。1.1.3 整機(jī)技術(shù)的發(fā)展隨著進(jìn)氣和燃油噴射技術(shù)的發(fā)展，汽油機(jī)整機(jī)技術(shù)也相應(yīng)地得到提高。以燃油噴射技術(shù)為特征的整機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了從自然吸氣PFI汽油機(jī)、廢氣渦輪增壓PFI汽油機(jī)到自然吸氣GDI汽油機(jī)，再到目前主流的廢氣渦輪增壓GDI汽油機(jī)。以上市產(chǎn)品為例，表1總結(jié)對比了國內(nèi)外整機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程。1967年德國大眾汽車公司已有PFI汽油機(jī)上市；寶馬汽車在1973年推出了2.0 L增壓PFI汽油機(jī)。1996年日本三菱公司首先推出了現(xiàn)代GDI汽油機(jī)，應(yīng)用在Galant車型。該款發(fā)動機(jī)排量為1.8 L，采用分層稀薄燃燒技術(shù)。2000年德國大眾汽車公司推出了增壓直噴汽油機(jī)，應(yīng)用在Lupo車型。該款發(fā)動機(jī)排量為1.4 L，采用當(dāng)量燃燒技術(shù)。表1 國內(nèi)外整機(jī)技術(shù)發(fā)展歷程
反觀中國自主品牌市場，在2000年左右，汽車公司，包括長安、奇瑞、昌河、華晨金杯和夏利等，應(yīng)用PFI發(fā)動機(jī)的汽車陸續(xù)批量上市。在2009年，奇瑞汽車推出瑞虎5車型，應(yīng)用2.0 L增壓PFI汽油機(jī)；在2010年奇瑞汽車又推出瑞麒車型，搭載2.0 L直噴增壓汽油機(jī)。從表1可以看到中國汽油機(jī)整機(jī)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比比較滯后，這與中國汽車工業(yè)發(fā)展相對滯后直接相關(guān)。在增壓直噴汽油機(jī)技術(shù)應(yīng)用的時間上，中國比國外滯后10年左右，但目前已經(jīng)與國外技術(shù)總體上基本拉平。
在整機(jī)技術(shù)發(fā)展的過程中，除提高指示熱效率的各種技術(shù)手段（常用的包括VVT、VVL、EGR、Atkinson/Miller循環(huán)，等）以外，廢氣渦輪增壓、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、輕量化材料、低摩擦材料、高效率可變附件等技術(shù)也是層出不窮，方興未艾。在這里就不再贅述。發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步來源于研發(fā)結(jié)果。在過去30年里發(fā)動機(jī)的研究手段也取得了突破性進(jìn)展，主要的進(jìn)步集中體現(xiàn)在發(fā)動機(jī)缸內(nèi)現(xiàn)象的可視化。各種試驗及仿真技術(shù)的發(fā)展使得發(fā)動機(jī)缸內(nèi)現(xiàn)象從原來的看不見、摸不著逐漸發(fā)展到可見、可測。通過采用光學(xué)發(fā)動機(jī)結(jié)合激光診斷技術(shù)以及計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）仿真技術(shù)，使得缸內(nèi)過程可視化和可預(yù)測化成為現(xiàn)實。缸內(nèi)過程的可視化和CFD的應(yīng)用為深入探究直噴汽油機(jī)缸內(nèi)混合氣形成、燃燒及排放生成等物理化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)及燃燒系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供了可能性及有效性[6]，如Han等[7]結(jié)合光學(xué)發(fā)動機(jī)試驗，通過CFD仿真預(yù)測了活塞濕壁現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了活塞表面上殘存液態(tài)燃油量與發(fā)動機(jī)碳煙量的定性關(guān)系。從圖2可以看到，CFD預(yù)測出的活塞表面上液態(tài)燃油的位置與光學(xué)發(fā)動機(jī)活塞積碳位置是一致的。
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| | (b) 光學(xué)發(fā)動機(jī)結(jié)果 |
圖2?CFD預(yù)測的活塞表面上的液態(tài)燃油與光學(xué)發(fā)動機(jī)上活塞積碳對比[7]基于對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)多種物理現(xiàn)象可視化研究的需求，研究者們開發(fā)了各式各樣的激光診斷方法。圖3給出了直噴汽油機(jī)在一個工作循環(huán)中涉及的噴霧、蒸發(fā)、氣流運(yùn)動、燃燒及排放物生成等過程以及對應(yīng)的診斷方法[8-9]。對噴霧形態(tài)的測量主要采用噴霧成像的方法，利用光源將噴霧照亮，并通過攝像系統(tǒng)來采集圖像，最后對噴霧貫穿距、錐角進(jìn)行分析。依據(jù)使用光源的不同，可分為白光燈攝影、背光攝影及片激光米氏散射攝影等。對噴霧粒徑的測量主要采用相位多普勒法（phase? doppl?er parti?cle analy?zer, PDPA）和片激光粒徑診斷法（laser sheet dropsizing,LSD）。對噴霧的蒸汽相濃度進(jìn)行測量常用的手段有激光誘導(dǎo)熒光法、雙相激光誘導(dǎo)熒光法、紅外吸收散射法等。對缸內(nèi)流場測量的方法有激光多普勒測速（laser doppler velocimetry, LDV）、粒子圖像測速（particle image velocimetry,PIV）和分子示蹤技術(shù)（molecular tagging velocimetry, MTV）等。對缸內(nèi)燃燒過程的測量可采用直接攝影來觀察燃燒形態(tài)，或?qū)θ紵^程中的OH自由基等組分進(jìn)行測量來獲取燃燒發(fā)生區(qū)域。最后，還可以通過雙色法或者激光誘導(dǎo)熾熱發(fā)光法（laser induced incandescence, LII）對缸內(nèi)碳煙生成進(jìn)行測量[9]。
圖3?激光診斷技術(shù)在直噴汽油機(jī)中應(yīng)用[9]
發(fā)動機(jī)的CFD仿真技術(shù)在過去30年里從動態(tài)網(wǎng)格處理、物理模型構(gòu)建、計算方法、計算速度和精度、后處理技術(shù)、軟件界面等各方面都取得了很大的發(fā)展。早期的網(wǎng)格劃分工作占用整個發(fā)動機(jī)CFD仿真的大半時間，并且難以較精確地處理氣閥運(yùn)動等復(fù)雜動網(wǎng)格。目前已發(fā)展出網(wǎng)格自動生成技術(shù)及自適應(yīng)加密技術(shù)[10]，CFD前處理時間大大縮減，因而可縮短工程優(yōu)化的迭代時間。同時從原來使用非常粗的網(wǎng)格（2-3 mm）到現(xiàn)如今的精細(xì)網(wǎng)格（0.1mm），提高了計算精度。對發(fā)動機(jī)物理過程的仿真也從簡單的氣流計算發(fā)展到現(xiàn)今的從氣流運(yùn)動、噴霧、混合、燃燒及排放物生成等多物理過程的仿真，且在模型構(gòu)建及預(yù)測精度等方面取得了較大的進(jìn)步。對缸內(nèi)湍流流動模擬，研究者不僅對原有雷諾時均（Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS）模型進(jìn)行了較大改善，引入基于快速畸變理論的RNG k-e模型[11]，而且也發(fā)展了精度較高的基于空間平均的大渦模擬（large eddy simulation, LES）[12]。近些年來，得益于計算機(jī)計算能力的大幅提升, 將LES應(yīng)用到發(fā)動機(jī)CFD模擬的案例越來越多。有了LES的幫助，使得對缸內(nèi)現(xiàn)象的預(yù)測更為準(zhǔn)確，更接近真實。同時，也可對發(fā)動機(jī)循環(huán)波動[13]及一些偶發(fā)現(xiàn)象（如爆震[14]）有較好的預(yù)測。關(guān)于燃油噴霧模型的進(jìn)展，不但是在噴霧破碎、蒸發(fā)、碰壁等子模型的構(gòu)建上取得了較大進(jìn)展，而且在建模方法也有了一些新思路和方法，獲得了更好的預(yù)測結(jié)果[15]。燃燒模擬方面，從原本預(yù)測性較弱的零維、準(zhǔn)維燃燒模型逐步發(fā)展到現(xiàn)在預(yù)測性較強(qiáng)的多維燃燒模型，如特征時間模型（characteristic time combustion, CTC）、渦團(tuán)耗散模型（eddy dissipation concept, EDC）、G方程模型、直接耦合化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型、概率密度(probability density function, PDF)模型等，可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)汽油機(jī)、柴油機(jī)以及新型燃燒模式發(fā)動機(jī)燃燒過程的較為準(zhǔn)確的模擬[12,16]。近年來在燃燒化學(xué)反應(yīng)耦合方面已從使用單步反應(yīng)或少量骨架反應(yīng)發(fā)展到采用較詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，甚至全機(jī)理計算[16-17]。通過耦合詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，可以對燃燒及污染物生成如HC、CO、NOx等有較好的預(yù)測，但是目前對顆粒物的預(yù)測精度有限[16,18]。1.2 汽油機(jī)產(chǎn)品性能的進(jìn)步為展示發(fā)動機(jī)在動力性上的進(jìn)步，本文選取并對比了歷年美國沃德十佳發(fā)動機(jī)[19]（自1995年開始）及中國心十佳發(fā)動機(jī)[20]（自2006年開始）獲獎名單中4缸汽油機(jī)產(chǎn)品的升功率(WL)及升扭矩(TL)指標(biāo)，如圖4所示?？梢钥闯? 采用增壓技術(shù)可顯著提高發(fā)動機(jī)動力性，且隨著時間發(fā)展，增壓發(fā)動機(jī)的動力性指標(biāo)也取得了很大提升。國外發(fā)動機(jī)采用的增壓技術(shù)包括渦輪增壓、機(jī)械增壓以及渦輪與機(jī)械雙增壓。以采用渦輪與機(jī)械雙增壓發(fā)動機(jī)的沃爾沃S60 Polestar汽車為例，其升功率和升扭矩已分別達(dá)到135 kW/L和235 Nm/L。從總體上講，在過去20年里，國外增壓汽油機(jī)的平均升功率從60 kW/L提高到100 kW/L以上，提高了67%以上，同時升扭矩從120 Nm/L提高到200 Nm/L，進(jìn)步十分顯著。對于渦輪增壓發(fā)動機(jī)來說，中國自主品牌發(fā)動機(jī)的動力性大概與國外發(fā)動機(jī)10年前的水平相當(dāng)，但是在過去十幾年里也取得了明顯進(jìn)步，平均升功率從60 kW/L提高到了88 kW/L左右，提高了約47%。對于自然吸氣發(fā)動機(jī)的動力性，多年來并未有顯著提高，國內(nèi)外發(fā)動機(jī)的動力性基本相當(dāng)，升功率保持在50?55 kW/L。還需注意的是，由于車用動力的多元化發(fā)展，國外逐漸出現(xiàn)混動專用發(fā)動機(jī)，且以自然吸氣為主。 （a）國外發(fā)動機(jī)升功率
1.2.2 發(fā)動機(jī)熱效率及燃油經(jīng)濟(jì)性在過去30年里，汽油機(jī)熱效率也有較為顯著的提高。圖5給出了日本豐田汽車的汽油機(jī)熱效率變化歷史[21], 該圖也基本反映了國外汽車工業(yè)界的發(fā)展軌跡。從圖5可以看出，過去30年里汽油機(jī)熱效率從33%提高到了39%，目前有報道豐田公司量產(chǎn)的汽油機(jī)最高熱效率為41%[22-23]，熱效率提高了8個百分點，相對值提高幅度為24.2%。
圖5?豐田汽車汽油機(jī)熱效率變化歷史[21]
自2005年開始，中國先后實施/制定了4個階段的乘用車燃油消耗量限值法規(guī)，用于推動汽車節(jié)能技術(shù)的革新。圖6給出了中國輕型車在4個階段不同整車整備質(zhì)量對應(yīng)的燃油消耗量限值。通過燃油法規(guī)的實施，促使乘用車企業(yè)對其所銷售車輛的平均油耗不斷降低。到2020年，乘用車企業(yè)平均燃油消耗量4階段目標(biāo)值需降低至5 L/(100 km) [24-25]。
為便于評價中國輕型車汽油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的進(jìn)步，圖7對比了中國國家工信部公布的2012?2017年國產(chǎn)乘用車當(dāng)年新車公告的平均燃油消耗量水平。從總體趨勢可以看到，中國新車的平均燃油消耗量逐年下降，2017年已降至6 L/(100km)，比2012年降低18.9%，由法規(guī)驅(qū)動的技術(shù)進(jìn)步十分明顯。
為展示輕型車用汽油機(jī)在排放控制方面的進(jìn)步，本文對比了中國各階段排放法規(guī)[26-27]。其基本想法是在用及在售車輛的排放水平均滿足對應(yīng)階段的排放法規(guī)時，對比各階段排放法規(guī)即可從總體上看出中國輕型車在排放控制方面的進(jìn)步。圖8給出了中國各階段輕型車排放法規(guī)中規(guī)定的污染物限值，其中以可通過還原反應(yīng)處理的污染物NOx作為橫軸（e[NOx]），以可通過氧化反應(yīng)處理的HC和CO排放物之和作為縱軸（e[THC+CO]）。由于國1和國2階段法規(guī)中對排放物各項規(guī)定稍有差異，選取NOx和HC排放物之和為橫軸，NOx、HC和CO排放物之和為其縱軸，并在圖中標(biāo)注其相應(yīng)數(shù)值。從數(shù)值點與橫縱軸包絡(luò)面積的變化即可看出各階段排放的降低水平。從圖中可以看到，自2000年國1法規(guī)開始實施到2020年即將實施的國6，有害排放物限值有大幅度的降低，降低幅度在80%以上，這表明中國輕型汽油車在排放控制方面的巨大進(jìn)步。
由于CO2氣體的溫室效應(yīng)會造成全球氣候變暖，歐盟、美國、日本等國均制定了CO2限值來限制汽車CO2排放。中國也根據(jù)油耗法規(guī)折算出CO2限值。表2給出了不同階段各國CO2排放限值。從表2看出，類似于其他汽車強(qiáng)國，中國制定的CO2限值也越來越嚴(yán)格，且給予實現(xiàn)目標(biāo)的時間越來越短。但是目前中國對于CO2排放的降低主要是通過降低燃油消耗量來實現(xiàn)，而專門針對降低CO2的技術(shù)并沒有得到足夠的重視。例如發(fā)動機(jī)燃用低碳燃料可顯著降低CO2排放，但是對于低碳燃料在發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用還未引起廣泛關(guān)注。
2.1 汽車動力多元化發(fā)展現(xiàn)狀自20世紀(jì)末汽車動力開始呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的趨勢。汽車從單一內(nèi)燃機(jī)的燃油車（internal combustion engine vehicle,ICEV）逐漸向油電混合動力汽車 (hybrid electric vehicle, HEV)、電動汽車 [指純電動汽車(battery electric vehicle ,BEV)和插電式混合動力汽車(plug in hybrid electric vehicle)]和燃料電池汽車（fuel cell vehicles , FCV）等方向發(fā)展。這些多元化動力是汽車動力向電動化發(fā)展的不同形式，幾乎都需要電機(jī)及電池。以商業(yè)化產(chǎn)品為例，豐田公司于1997年推出油電混合動力車型Prius，上市后廣受好評；目前豐田在全球銷售的混合動力汽車已經(jīng)超過1000萬輛；2009年豐田發(fā)布第3代Prius，據(jù)工信部公告，油耗為4.3 L/(100km)。純電動汽車以特斯拉為例，2008年特斯拉推出純電動車型Roadster，2017年特斯拉交付了10.3萬輛純電動汽車。另外，2016年豐田汽車推出了全球首款批量商業(yè)化的氫燃料電池乘用車Mirai，該車加注一次氫氣可以續(xù)航650 km，達(dá)到了和汽油車相同的續(xù)航里程和燃料加注效率。與此同時，汽車公司也一直致力于研發(fā)并生產(chǎn)更加節(jié)能的燃油汽車。馬自達(dá)汽車堅持改進(jìn)汽油機(jī)熱效率，采用13:1的高壓縮比等措施改善燃燒，在傳統(tǒng)動力整車燃油經(jīng)濟(jì)性上取得了領(lǐng)先的優(yōu)勢。據(jù)工信部數(shù)據(jù)，2015年馬自達(dá)Atenza的整車油耗為6.4 L/(100km)，比2016年國家第3階段油耗限值低了近18%，大大領(lǐng)先于其他同類產(chǎn)品。上面的這些例子明確地表明了汽車動力多元化的技術(shù)發(fā)展趨勢和商業(yè)實踐，未來幾種形式將共存發(fā)展。 2.2 汽車動力發(fā)展預(yù)測如上節(jié)所述，汽車動力在20世紀(jì)末開始出現(xiàn)多元化且成功商業(yè)化。但是目前非內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的汽車所占市場份額仍然很低，在未來仍然需要較長的發(fā)展時間。很多機(jī)構(gòu)和研究者預(yù)測了未來不同汽車動力形式的發(fā)展趨勢。從全球范圍來講，根據(jù)國際能源署最新報告預(yù)測[28]，2020和2030年全球輕型電動汽車（含BEV和PHEV）的銷量分別為390萬輛和2100萬輛，各占當(dāng)年總銷量的3%和13%。也就是說，到2030年至少還有87%的輕型汽車需要單一內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動。 圖9分別給出了未來美國市場[29]及中國市場[30]不同動力形式汽車的市場份額預(yù)測。從圖9a可以看出, 2015年美國市場銷售的純內(nèi)燃機(jī)汽車占比92%，預(yù)計在2030年為80%，而在2050年為60%?？紤]到混合動力仍然需要內(nèi)燃機(jī)，因此在2030和2050年美國用內(nèi)燃機(jī)的輕型汽車分別為96%和90%。圖9b是“中國節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖”[30]中對未來汽車動力的預(yù)測。從中可以看到，在2030年，中國純內(nèi)燃機(jī)汽車約占市場份額的35%，混合動力汽車占25%，電動汽車（含BEV和PHEV）占40%。燃料電池累計銷量為100萬輛。如果假設(shè)電動汽車中間有一半應(yīng)用插電式混合動力，可以得出2030年中國汽車銷量中仍然有60% ? 80%的份額需要內(nèi)燃機(jī)。 （a）美國市場[29]
（b）中國市場[30] 圖9?未來美國市場及中國市場不同動力形式汽車的市場份額預(yù)測[29-30] 以上預(yù)測表明，在未來30年內(nèi)燃機(jī)在汽車動力中仍然起到關(guān)鍵作用，全球范圍內(nèi)至少60%以上的輕型汽車仍將裝有一個內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)生命力依舊旺盛。但隨著汽車動力電動化的發(fā)展，未來內(nèi)燃機(jī)的支配地位將逐步弱化。汽車由單一內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動變?yōu)橛蓛?nèi)燃機(jī)和電機(jī)（一個或者幾個）驅(qū)動。換言之，汽車動力由內(nèi)燃機(jī)的“獨唱”變?yōu)閮?nèi)燃機(jī)和電機(jī)的“二重唱”。由此可以推斷，內(nèi)燃機(jī)在整車性能上所起到的關(guān)鍵作用將下降，將從一個“核心”部件變成“關(guān)鍵”部件，逐步成為一個通用產(chǎn)品，商業(yè)模式因此也可能發(fā)生深刻的變化。 2.3 汽車動力電動化的痛點汽車動力在向電動化發(fā)展的過程中遇到了以下主要問題： 1) 電池能量密度低。表3給出了不同電池與幾種典型液體燃料能量密度值的對比[31]。從表3中可以看出，電池的能量密度與傳統(tǒng)液體燃料相差在1-2個數(shù)量級。這說明與傳統(tǒng)燃油相比，想要依靠動力電池產(chǎn)生出相同的能量，所需動力電池的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出燃油質(zhì)量和體積，這將造成整車質(zhì)量的顯著增加，使得能耗增加。但是，為了維持較長的續(xù)航里程來解決用戶里程焦慮的問題，大容量的電池在當(dāng)前的技術(shù)條件下是必需的。 表3 電池與典型液體燃料的能量密度對比
圖10給出了“中國節(jié)能與技術(shù)路線圖”[30]中對電動汽車電池系統(tǒng)能量密度及成本的預(yù)測。從圖中可以看到，隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來的電池比能量有望進(jìn)一步提高，且同時可以保證電池成本持續(xù)降低。但是預(yù)測在2030年，即使電池能量密度能夠獲得翻倍的提升，其比能量也僅為0.35 kWh/kg，和傳統(tǒng)燃料的能量密度相差仍然甚遠(yuǎn)。
圖10?電池能量密度預(yù)測
2）車主總成本高。車主總成本（total cost of ownership）包括購置成本和使用成本，其中使用成本包含能源使用費用、車輛維修保養(yǎng)、保險和交稅等。美國John W. Brennan等[32]對比了中小型純內(nèi)燃機(jī)汽車和純電動汽車在20年使用期間車主的總成本，如圖11所示?？梢钥闯?，無論是小型還是中型汽車，純電動汽車的車主成本均高于純內(nèi)燃機(jī)汽車，小型和中型純電動汽車比純內(nèi)燃機(jī)汽車的車主成本分別高44%和60%。其中，純電動汽車購置成本明顯高于純內(nèi)燃機(jī)汽車。對于小型汽車，純電動的使用成本略高于純內(nèi)燃機(jī)汽車，而對于中型汽車，純電動的使用成本顯著高于純內(nèi)燃機(jī)汽車。 圖11?內(nèi)燃機(jī)汽車與電動汽車車主總成本對比[32] 3）充電難。首先，由于目前的充電基礎(chǔ)設(shè)施還不完善，還需要專用充電車位，造成用戶充電困難。即使已有公共充電樁，但由于數(shù)量較少，距離用戶較遠(yuǎn)，充電成本高，也給用戶帶來不便；同時，建設(shè)充電樁也存在費用高，申請周期長，增容困難等實際問題。此外，由于目前充電及電池技術(shù)的限制，充電時間較長，用戶在缺電后不能快速獲得補(bǔ)充而造成不悅使用體驗。 綜上所述，隨著混合動力以及純電動汽車的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)的地位逐漸變化，但是在未來30年，內(nèi)燃機(jī)在汽車中仍然起到關(guān)鍵作用。在當(dāng)前其他動力源汽車仍存在如電池能量密度低、成本高及充電難等問題的情況下，對內(nèi)燃機(jī)的研究仍然不能松懈。未來內(nèi)燃機(jī)需要在汽車動力變革中進(jìn)一步發(fā)展，挖掘更大潛力，尤其在如何降低油耗和應(yīng)用低碳燃料（例如天然氣、甲醇等）方面需要深入研究。 3.1 混動系統(tǒng)應(yīng)用隨著汽車動力的電動化發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)在未來很長一段時間需要與電機(jī)共存，形成混合動力系統(tǒng)作為汽車動力源。在混動系統(tǒng)中可以應(yīng)用現(xiàn)有發(fā)動機(jī)資源，使用發(fā)動機(jī)的高效率工作區(qū)域，從而避開長時間在低效率區(qū)域工作，做到揚(yáng)長避短。圖12給出了內(nèi)燃機(jī)在混動系統(tǒng)中應(yīng)用的兩個例子。圖12a為傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機(jī)（較大排量）在混動系統(tǒng)中的應(yīng)用示意?？梢钥吹剑l(fā)動機(jī)在傳統(tǒng)車中的常用使用工況為中低速、低負(fù)荷區(qū)域，而在這些區(qū)域發(fā)動機(jī)的熱效率較低，燃油經(jīng)濟(jì)性差。發(fā)動機(jī)在混動系統(tǒng)中使用后，通過電機(jī)的輔助將發(fā)動機(jī)工況調(diào)整至中高負(fù)荷，使用其高效率區(qū)域而降低油耗。另外一種使用方案為采用成本較低的小排量發(fā)動機(jī)，這樣在相同負(fù)荷下，發(fā)動機(jī)在更高的效率區(qū)工作，如圖12b所示。這樣可以充分利用現(xiàn)有發(fā)動機(jī)資源，改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性。上述2個例子展示了在混動系統(tǒng)中利用發(fā)動機(jī)的2種方案，而方案的選擇將取決于不同的設(shè)計理念。但是僅利用傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的資源，不足以充分發(fā)揮混動系統(tǒng)的優(yōu)勢，需要有針對性的研發(fā)混動專用發(fā)動機(jī)。
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| | | 圖12?發(fā)動機(jī)在混動系統(tǒng)中的應(yīng)用示例 |
3.2 增程混動專用發(fā)動機(jī)的特征分析
混合動力發(fā)動機(jī)的工況范圍較傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)有較大的不用，其運(yùn)行和設(shè)計特征應(yīng)該有其特點。2016年帥石金等對輕型車用混動發(fā)動機(jī)進(jìn)行了綜述分析[33]，他們指出目前混動發(fā)動機(jī)主要有兩條技術(shù)路線，即，以日本車企主導(dǎo)的自然吸氣高膨脹比汽油機(jī)，以及以德國車企主導(dǎo)的直噴增壓汽油機(jī)。中國對混動發(fā)動機(jī)本身的研究較少，多是在傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行重新標(biāo)定和選配，并沒有針對性的正向開發(fā)混動專用發(fā)動機(jī)，無法充分發(fā)揮混動系統(tǒng)的節(jié)油能力。由于新能源汽車補(bǔ)貼退坡及純電動汽車成本高、續(xù)航短、在嚴(yán)寒地區(qū)性能顯著下降等原因，具有增程功能的混動系統(tǒng)將顯現(xiàn)出市場競爭力，可能成為未來典型的混動路線。本文在此對增程混動系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)特征進(jìn)行分析。增程混動系統(tǒng)一般指串聯(lián)構(gòu)型的混動系統(tǒng)，也稱為增程器。增程器發(fā)動機(jī)不參與驅(qū)動車輛，僅用來帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電以增加純電續(xù)駛里程。在電池電量不足情況，維持汽車巡航所需的驅(qū)動功率一般較低。以一個整備質(zhì)量為1.6 t重的三廂汽車為例，維持120km/h續(xù)航行駛所需的增程器功率約為30kW。因此，增程器可以選用較小排量的發(fā)動機(jī)。此外，本田的串并聯(lián)構(gòu)型混動系統(tǒng)（iMMD系統(tǒng)）[34]和同濟(jì)大學(xué)的增程式混合動力（TJEHT）系統(tǒng)[35]都具有雙電機(jī)，且其發(fā)電機(jī)和發(fā)動機(jī)可與車輪完全解耦，因此也具備增程功能，在此也稱為增程混動系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)燃油車，增程混動系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)的動力性要求降低，對其運(yùn)行工況（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷）有較大選擇空間。增程器專用發(fā)動機(jī)最主要的特點是發(fā)動機(jī)熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低。一般通過提高壓縮比并采用Atkinson循環(huán)來實現(xiàn)發(fā)動機(jī)高效率工作。為進(jìn)一步提高熱效率，還會采用冷卻EGR、低摩擦技術(shù)等手段。為簡化結(jié)構(gòu)并降低成本，可考慮采用每缸2個氣門的氣缸蓋設(shè)計和氣道噴射技術(shù)。為了滿足結(jié)構(gòu)緊湊的需要，可以考慮采用三缸或者二缸發(fā)動機(jī)設(shè)計[36]。另外，由于二沖程發(fā)動機(jī)升功率大，也可能成為設(shè)計選項[37]。3.3 提高發(fā)動機(jī)熱效率混動系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)的熱效率提出了更高的要求，因此需要研究如何進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)熱效率。目前商業(yè)化的高水平車用汽油機(jī)的最高熱效率約為37%，各大主流汽車廠商仍然致力于進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)熱效率的研究。2017年，日本豐田公司推出了基于全新架構(gòu)的發(fā)動機(jī)“Dynamic Force Engine”(動力發(fā)動機(jī))。該款發(fā)動機(jī)排量為2.5 L，熱效率為40%，其混動版本的熱效率更是達(dá)到41%，是全世界目前量產(chǎn)汽油機(jī)中的最高值[22-23]。此外，豐田公司已經(jīng)在實驗室內(nèi)探索評估了各種改善熱效率的方法，并已驗證了汽油機(jī)獲得高于45.9%熱效率的可能性[21]。這表明產(chǎn)品發(fā)動機(jī)有望在不遠(yuǎn)的將來達(dá)到45%的熱效率。如果實現(xiàn)這一目標(biāo)，將比目前汽油機(jī)的熱效率相對提高24%，若應(yīng)用到整個汽車行業(yè)，將具有顯著的降油耗前景。在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域里，研究人員也在探索提高汽油機(jī)熱效率到50%的新概念。比如，日本在2014年啟動了“創(chuàng)新燃燒技術(shù)”項目，旨在進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)熱效率。由日本慶應(yīng)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的汽油機(jī)燃燒團(tuán)隊，通過超稀燃燒（過量空氣系數(shù)為2）等一系列技術(shù)手段，已將發(fā)動機(jī)有效熱效率提升至51.5%[38-39]，證明了進(jìn)一步提高汽油機(jī)熱效率的可能性。一般來講發(fā)動機(jī)消耗燃油產(chǎn)生的能量主要有如下5部分組成：有效功、傳熱損失、排氣損失、機(jī)械損失及燃燒損失。改善發(fā)動機(jī)的熱效率，即在不改變能量輸入的情況下，盡量提高有效功的輸出，減少其他部分的能量比例。幾乎所有提高熱效率的技術(shù)手段都是秉承以上的準(zhǔn)則。表4給出了筆者在早期研究中總結(jié)的提高汽油機(jī)熱效率的一些技術(shù)手段和收益[40]。可以看到，各個技術(shù)手段的應(yīng)用都能獲得較為可觀的熱效率改善程度。由于傳統(tǒng)車型對發(fā)動機(jī)的高要求，阻礙了部分技術(shù)手段的應(yīng)用。混動系統(tǒng)給予發(fā)動機(jī)更大的優(yōu)化空間，這些技術(shù)手段的應(yīng)用或許不再受限。 表4 提高熱效率的技術(shù)手段及收益[40]
結(jié)合文獻(xiàn)研究，總結(jié)汽油機(jī)有效熱效率提高到45%的主要技術(shù)手段有[1-2,21-23,40-56]：1）長沖程設(shè)計。增加發(fā)動機(jī)沖程不僅可以減少發(fā)動機(jī)傳熱損失，還可提高缸內(nèi)氣體流動強(qiáng)度, 改善燃燒。圖13和圖14分別給出了豐田公司研究得出的發(fā)動機(jī)沖程、缸徑與燃燒室面容比和缸內(nèi)湍流強(qiáng)度的關(guān)系[21]?？梢钥吹诫S著沖程的增加，面容比降低，利于傳熱損失的降低。同時從圖14可以看到，缸內(nèi)湍流強(qiáng)度隨沖程的增長而增強(qiáng)，繼而可提高燃燒速度?；旌蟿恿τ冒l(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速較低（不超過4 000 r/min），可以突破傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)（轉(zhuǎn)速達(dá)到6 000 r/min）長沖程設(shè)計受活塞平均速度的限制，充分利用長沖程設(shè)計帶來的益處。2）高壓縮比（>13）。通過提高壓縮比來提高發(fā)動機(jī)的熱效率是人們長期追求的目標(biāo)。在實踐中為避免壓縮比過高導(dǎo)致爆震，可以采用Atkinson循環(huán)，在保持較低有效壓縮比的情況下，實現(xiàn)高的膨脹比。另外的解決方案是采用可變壓縮比技術(shù)，在不同工況采用不同的壓縮比，避免在大負(fù)荷時產(chǎn)生爆震燃燒。
圖13?發(fā)動機(jī)沖程、缸徑與燃燒室面容比的關(guān)系[21]
圖14?發(fā)動機(jī)沖程、缸徑與缸內(nèi)湍流強(qiáng)度的關(guān)系[21] 3）稀薄燃燒技術(shù)。稀薄燃燒可提高發(fā)動機(jī)工作過程的過程指數(shù)（減少傳熱損失）和部分負(fù)荷的泵氣損失，繼而提高熱效率。4）冷卻廢氣再循環(huán)（EGR）。冷卻EGR可以降低部分負(fù)荷的泵氣損失，同時EGR可以降低燃燒溫度，繼而降低傳熱損失，并可降低NOx排放。但是需要注意的是，隨著引入缸內(nèi)EGR比例的增加，燃燒速度降低，燃燒持續(xù)期增長，可能造成燃燒不穩(wěn)定或失火，不利于熱效率提高。為改善這一現(xiàn)象，可以通過提高缸內(nèi)湍流強(qiáng)度來提高燃燒速度。通過改進(jìn)氣道設(shè)計或燃燒室設(shè)計等措施可改善缸內(nèi)氣流運(yùn)動，提高缸內(nèi)湍流強(qiáng)度，繼而改善燃燒速度，同時擴(kuò)展EGR比例界限，進(jìn)一步改善熱效率。5）降低傳熱損失。發(fā)動機(jī)可通過引入EGR、采用均質(zhì)充量壓燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)等技術(shù)組織低溫燃燒降低傳熱損失，或者采用活塞隔熱涂層降低傳熱損失。還可通過改善發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)降低傳熱損失，例如采用電子節(jié)溫器較為靈活地控制冷卻液大小循環(huán)的開啟，將發(fā)動機(jī)保持在較適合的水溫下工作，降低傳熱損失。6）提高機(jī)械效率。采用輕量化材料、低摩擦材料和技術(shù)，以及高效率附件（附件電子化）降低機(jī)械損失。7）燃油與發(fā)動機(jī)聯(lián)合優(yōu)化。通過對燃油與發(fā)動機(jī)的聯(lián)合匹配和優(yōu)化，選出更適合發(fā)動機(jī)的燃油，充分利用燃油特性以改善發(fā)動機(jī)熱效率。合適的燃油理化特性可加快燃燒速度、抑制爆震、擴(kuò)展著火界限以實現(xiàn)熱效率的提高，并有助于降低有害排放。3.4 推廣應(yīng)用低碳燃料低碳燃料是分子結(jié)構(gòu)中的碳?xì)浔壤^低的一類燃料，包括天然氣、甲醇、乙醇等。發(fā)動機(jī)燃用低碳燃料可以從化學(xué)本質(zhì)上降低燃燒后CO2的生成量。天然氣燃料由于儲量豐富、成本低廉、儲運(yùn)方便，是一種很有前途的發(fā)動機(jī)代用燃料，在此做重點分析。天然氣的主要成分是甲烷，它的碳?xì)浔仁翘細(xì)浠衔锶剂现凶畹偷?。發(fā)動機(jī)燃用天然氣的最大好處是CO2排放低。下面以天然氣和汽油為例，對比兩種燃料完全燃燒后產(chǎn)生的理論CO2生成量。式（3）給出了碳?xì)浠衔锶剂系幕瘜W(xué)反應(yīng)方程式。
其中：CnHm為碳?xì)淙剂希?em>n和m分別為燃料分子中碳原子和氫原子的個數(shù)，Q為釋放的熱量。 以甲烷代表天然氣，其分子中碳原子和氫原子的個數(shù)分別為1和4；由式（3）可得，燃燒1 kg天然氣產(chǎn)生48.28 MJ熱量[57]，同時將產(chǎn)生2.75 kg CO2。汽油的熱值為43.05 MJ/kg，以其代表性成分辛烷代表汽油，其分子中碳原子和氫原子的個數(shù)分別為8和18，若產(chǎn)生相同熱量，將需消耗1.121 5 kg汽油，產(chǎn)生3.463 kg CO2。也就是說，理論上相同放熱量下燃用天然氣比燃用汽油產(chǎn)生的CO2減少20.6%。在實際發(fā)動機(jī)應(yīng)用中，中國在2017年首次開發(fā)并量產(chǎn)了首款高性能單一天然氣發(fā)動機(jī)驅(qū)動的多用途商務(wù)汽車[58]，其新歐洲標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）CO2排放為131.4 g/km，比原汽油機(jī)下降了27.4%，十分接近2020年我國第4階段油耗限值折算的CO2限值126.1 g/km。該款發(fā)動機(jī)排量為1.5 L，壓縮比為12，最高熱效率達(dá)到了37%，采用當(dāng)量燃燒加三元催化器后處理的技術(shù)路線。天然氣供給為高壓氣道多點噴射。在國外，2017年德國奧迪汽車發(fā)布了A4 Avant天然氣汽車[59]，其CO2排放為95 g/km，達(dá)到了歐盟2020年的限值。該款發(fā)動機(jī)的排量為2.0L，壓縮比為12.6，額定功率為125 kW，最大扭矩為270 Nm，最高熱效率達(dá)到了40%，采用天然氣可續(xù)航500 km。該款發(fā)動機(jī)是基于最新的EA888發(fā)動機(jī)開發(fā)的，增加了天然氣高壓多點噴射系統(tǒng), 選用高強(qiáng)度合金活塞確保13.5 MPa的最大爆壓、使用耐磨材料的氣門座圈、降低進(jìn)氣門座圈角度，圖15給出了發(fā)動機(jī)的剖面示意圖。圖15?奧迪A4 Avant天然氣發(fā)動機(jī)剖面圖[57] 從上述兩款天然氣汽車的實例可以看出，天然氣發(fā)動機(jī)比汽油機(jī)大幅度的降低CO2排放。因此，大規(guī)模的應(yīng)用天然氣汽車可以十分明顯地降低中國交通領(lǐng)域的CO2排放。除了在降低CO2排放方面的優(yōu)勢外，天然氣汽車的其他優(yōu)點還包括清潔燃燒，沒有顆粒物排放，天然氣價格便宜，車輛運(yùn)行費用低等。中國地域遼闊，東西部能源資源差異很大。應(yīng)該根據(jù)地域和資源情況采用不同的能源。比如，在充電設(shè)施比較好并且車主用車距離不遠(yuǎn)的大城市，可以積極推廣電動汽車以減少城市空氣污染。在富氣地區(qū)可以大力推廣應(yīng)用天然氣汽車，而在長途運(yùn)輸時應(yīng)用節(jié)能的燃油汽車。1）在過去30年，輕型汽車汽油機(jī)技術(shù)取得了長足的進(jìn)步；汽油機(jī)產(chǎn)品在動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放控制方面獲得了全方位的提高。動力性提高67%以上，熱效率提高了8個百分點，提高幅度為20%以上。中國輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn)從國1到國6，有害排放物降低80%以上。2）內(nèi)燃機(jī)在未來30年仍然起到關(guān)鍵作用，預(yù)測至少60%以上的輕型汽車需要一個內(nèi)燃機(jī)。3）內(nèi)燃機(jī)在輕型汽車動力中的地位將逐漸發(fā)生變化：從內(nèi)燃機(jī)單獨驅(qū)動逐漸演變?yōu)閮?nèi)燃機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動，其作用的變化類似于從“獨唱”變?yōu)椤岸爻?。?nèi)燃機(jī)在整車性能上所起到的關(guān)鍵作用將下降，從一個“核心”部件變成“關(guān)鍵”部件，成為一個通用產(chǎn)品，商業(yè)模式可能發(fā)生變化。4）結(jié)合混合動力系統(tǒng)應(yīng)用可以充分利用發(fā)動機(jī)的高效率區(qū)域?；靹酉到y(tǒng)，特別是增程混合動力系統(tǒng)，要求內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行范圍變窄，有必要開發(fā)混合動力專用發(fā)動機(jī)，進(jìn)一步提高其熱效率、簡化機(jī)構(gòu)、降低成本。5）未來汽油機(jī)熱效率（特別是實際運(yùn)行時的熱效率）將有大幅度提高，通過多種技術(shù)手段的應(yīng)用，商業(yè)化產(chǎn)品有望實現(xiàn)45%的熱效率。6）汽車燃用天然氣可以大幅度降低CO2排放。車用動力將根據(jù)地域形成“油、電、氣”的多元格局。參考文獻(xiàn)：
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