【编者按】2011年4月26-27日，2011（第八届）中国汽车发动机高层研讨会在上海成功召开。本届研讨会由中国汽车技术研究中心、上海国际汽车城（集团）有限公司主办，中国汽车工业信息网承办、并得到了上海国际汽车城开发服务有限公司、昆明云内动力股份有限公司、森萨塔电子技术（上海）有限公司的大力支持。研讨会继续围绕"技术引领发展"这一永久主题，并以"绿色·高效"为年度主题展开论述。下面是清华大学汽车工程系副教授王志的演讲。

清华大学汽车工程系副教授王志

　　主持人：感谢金工的精彩发言，不仅介绍了节能标准法规体系的过程，而且在标准法规所做的工作、开展的重点工作，包括实验方式、实验目标都做了解释。体现了国家产业的发展目标，如何实现这一目标需要大量实验做支撑。下面有请清华大学汽车工程系副教授王志做演讲。

　　王志：各位专家、各位同事、老师们大家上午好！我是清华大学汽车工程系的王志，很高兴在这里和大家交流。我今天报告的题目是内燃机燃烧技术研究进展及燃烧数值模拟。

　　主要内容有两方面：汽车发动机燃烧技术研究的进展；内燃机燃烧模拟进展。

　　首先看一下第一部分，节能意义非常重大，有一个数字是2009年我国对外石油依存度达到了51%，首次超过50%，国家能源安全警戒线。2010年这个数字达到了55%。对于乘用车发动机节能的意义，到2020年和2030年日本预测在乘用车中汽油机占88%和67%，混合动力车占10%和25%。因为在电动车中油电混合动力占很大一部分，所以内燃机节油现实意义更大。

　　汽油机目前主要解决油耗问题，柴油机主要解决排放问题。从这张图中可以看到传统柴油机燃烧曲线会通过出现大量的碳烟覆盖，如果实现低温过氧燃烧，可以避开碳氢、一氧化碳、实现超级排放，现在更加拓宽了。而汽油机燃料半径在这样的温度和浓度范围内，对于高效内燃机燃烧组织，燃烧技术的发展，都是基于这样一张图开展研究的，而这张图首先是由模拟计算得到的。后来是美国的丹妮尔实验室通过实验得到了验证。

　　下面介绍一下汽车发动机燃烧。首先看一下柴油机，从最早的柴油机到现在的PPCI，理想的均体压燃在柴油机当中不可得到，现在倾向于预混压燃，或者低温燃烧。例如，高增压、高压喷射，采用高压2000bar以上增压这样一种复杂的气路。

　　再看一下汽油机的技术发展，从缸内直喷到现在从喷雾引导的GDI，对于汽油机来说理想目标是实现缸内直喷的HCCI燃烧。这是在863和973的研究中的情况，油耗有效下降。

　　对于产业化主要有几个技术难点：各缸的统一性和燃烧。怎么精确控制理想汽油机的燃烧呢？需要燃烧开发平台，要具有以下几个平台，不光是针对HCCI，这种更难的燃烧模式，而且对于柴油机、汽油机都适用。首先是燃料化学，第二是进行光学测量和诊断，第三是数值模拟。然后是热力学发动机燃烧开发、燃烧测试，最后达到高效、低排放的发动机、提高效率、降低排放。

　　今天我们主要是讲其中的一部分，数值模拟。数值模拟有一段时间被认为是"玩虚的"，误差太大。这种认识有一定道理，模拟计算就是一种虚拟技术，但是模拟计算的目的不是为了"作秀"，而是一种研究方法和研究手段。由于在上世纪的时候，人们对物理化学的理解还不够，随着CFD的发展，化学反应动力学机理的完善、随着激光诊断的出现，数值模拟精度应该说越来越准了。其实这四项都是相辅相成的，比如说激光诊断能够为模型开发提供依据，通过模型可以变参数来预测发动机工作过程，指导发动机开发。甚至于数值模拟可以得到发动机实验得不到的大量信息。

　　下面针对数值模拟进行展开，数字模拟按照空间分为一维和多维。如果按照零部件系统分可以分为缸内模拟、增压系统模拟。下面主要介绍多维模拟，以及流动、燃烧、排放。

　　多维发动机模拟本身就是多维CFD在发动机内的燃烧应用。首先强压缩、强旋转，对于燃烧、排放、气道、气门、活塞都是在运动的，计算量非常大，一般是需要用并行计算模拟其过程。通过详细的动力学、碳氢、氧氮以模仿发动机从进气开始的整个过程。首先是湍流的模拟，这是一个高速喷射、非常湍流的过程，有大涡和小涡的区别。对于湍流模拟，一般有三种方法：最直接就是DNS模拟，直接求解NS方程，这种模拟是能够完全呈现流动细节的。它可以模拟非常详细的喷雾、破碎、聚合过程和混合浓度。

       DNS计算量太大，目前无法实用，但仍然是国际上研究的趋势。主要原因有两方面：第一是认识湍流的微观依据。怎么样把它计算出来，最精确的方法是采用DNS方法，比如说有氧化剂、燃料、以及反应数据、活性剂、氧离子等空间产物，可以加深湍流反应和空间的相互认识。其次，为开发验证提供依据，内燃机模拟通过NS模拟，这样解决工程问题，第二种方法计算量小一些，就是大涡模拟，通过空间平均方法，通过进行过滤，大涡直接模拟，小涡通过建立格子模型进行描述。另外是工程里常用的湍流模型的方法，通过一段时间以后会产生，我们引用湍流模型，以封闭NS方程，这是目前湍流模拟方法的三种基本方法。我们对比一下不同方法的情况。这是对发动机工作过程中的工作模拟，可以得到更详细的进气道气门的微观结构，而在缸压上可能看不出来变化。

　　下面介绍一下燃烧模拟，燃烧的实质是化学反应的流动。对于湍流流的问题，最理想的是DNS，但是不理想也不是主要原因。主要原因是计算量大，尤其是化学流动方面，真实的化学流动不能用一个反应算出来，牵涉到几百个上千个化学反应式，而且目前只有少数的清楚的。另外，湍流和化学反应会相互作用，我们在模拟过程中可以通过离散化，这样可以求解单区反应系统中的过程，通过化学反应速率，牵扯几百个反应，可以知道每一个燃烧位置的变化，实际上并没有考虑到温度和浓度的理想，因此仍然需要实验室标的，如何进行开发燃烧模型标的呢？这个例子是美国国家实验室对三高燃烧的诊断，可以测得燃烧过程中碳烟的生成情况，对模型进行标定，可以进一步预测一氧化碳、温度场、甲醛，这些影响燃烧过程中非常重要的空间产物。

　　接下来是美国做的低温燃烧的情况。发动机供油及柴油机反应之前，氮氧化物温度升高，碳烟减少，提到一定程度，再往前提会发现进入一种奇怪的现象，这个实际上是模拟这个过程，喷油往后推迟，这种标准是柴油机，这就是为什么柴油机现在扩散燃烧很难避免氮氧化物和碳烟的关系。要尽量避免、进行合理控油的情况，如果再把喷油往后推，可以看到这种燃烧方式，往后推了以后，氮氧化物和碳烟同时降低。这是高压喷射。

　　再看看汽油机，刚才提到了发展的技术路线，我们在研究的过程中发现从起到喷射和到缸内喷射，中间还有点燃自燃的燃烧过程。介绍一下这三种燃烧模式。首先看一下缸内直喷，这是喷雾混合剂形成的，这有喷油器特质，这是喷雾粒子，这个模拟看上去很漂亮，到底对不对呢？实际上这是一个优化过的实际发动机用的策略，大家可以看到没有用之前发动机出现了低速现象，这种情况往往发生在缸内直喷发动机上，比如说红色的线是正常的，这种超级爆震在火花点火之前发生了这样的现象，产生的危害非常大，振幅可以到一百公斤。做完实验发动机火花电机已经被震断了。可以看到，不仅仅可以排放，而且会产生易燃的情况。通过喷雾角度的变化，通过气流、加强滚流不要打到右边，通过喷嘴的调整，可以做一些优化。最后可以避免因为低速、实际上在所有的都会存在的现象。

　　压燃这种模拟计算也可以对缸内直喷研究起到很好的作用。这是三维模拟多循环的结果，是模拟结果和实验结果的情况，可以看到是比较好的。排气阶段形成了一个峰，EGR、进气门晚开，着火膨胀、推动排气门活动。这个工作过程模拟出来之后通过实验标，可以研究怎么样控制排放过程，怎么样对实用的方法最大，最容易想到的是湍流循环内调整的，这是燃烧系统、通过实现来实现这种不重叠，这个过程是形成混合器，通过模拟计算可以看到第一次喷射，内部EDR喷射起到加速作用。第二个喷射在进气过程中进行喷射，增加压缩比是喷射的在缸内喷射。我们可以控制，通过调整两次比例，可以获得相应的数据。

　　这是实验的结果，降低20%到25%，接近柴油机，几乎是混合的一条直线。

　　再介绍一下点燃自燃，燃烧并不一定存在于传播的过程，它们之间还会有点燃自燃的过渡现象，这种现象很难控制，但是怎么样使得这种现象能够成为一种稳定的燃烧模式并对它进行可视化的解析？首先是点火产生火焰传播，然后是周边混合气体大量自燃，最后是全体自燃，解析这个过程，研究中发现，火花点燃和后期自燃可以有效控制燃烧，而且这种燃烧浓度比传统汽油机要好、氮氧化物低、油耗也低。而且可以更容易控制。

　　这是模拟得到的场合、这是火花点火自燃情况。这是模拟的温度，可以看到火焰传播，使得自燃情况，这是自己的变化，二氧化碳、氧气、甲醛的情况，在点燃、自燃的传播过程中，这是氮氧化物和燃烧过程中的变化，氮氧化物在局部还是很低的，总体上更接近，但是使得更加可控。

　　这是模拟的缸内的各种变化。下面再介绍一下汽油直喷压燃，这也是一种高效的方式，这样要控制一个原则，着火之前油一定要蒸发完，用柴油机的高压缩比实现局部的分层自燃，要保证扩散燃烧的比例。这是另外一种高效的内燃机燃烧模式，通过这个示意图，缸内柴油点燃，这样可以形成多点点火，每一个柴油喷雾电机可以认为是一个化学火花塞，而且我们可以控制火花塞的位置，汽油机和柴油机的油耗相当，而且增加油耗，二氧化碳排放越低，主要是碳氢比。这是实验结果，实验结果比柴油机在小负荷的时候油耗要好。

　　大家有没有想过这样的问题，在新能源日益被提倡的今天不仅传统的内燃机没有死掉反而越来越火？而且进入了第二个青春。其中很重要的原因是传统内燃机燃烧技术在不断革新，包括柴油机、汽油机现在都在不断革新，这里面提到几个有新意的例子，这种燃烧实际上采用微波炉原理，使得缸内多点着火，从燃烧方式上是一个全面革新，突破了汽油机火焰传播的理念，二氧化碳最大降低30%。当然这种燃烧实现起来是非常难的。这种燃烧控制目前还处于基础研究阶段，但是值得鼓励探索。

　　第二个分离循环，别具创意。它们实际上在循环方式方面的革新，突破了四重发动机。用一个冷缸一个热缸，压缩比可以随意调整，膨胀比可以设到50，号称二氧化碳降低50%。

　　另外是一个生物燃料，突破了化石燃料，实现了碳中和，整个生命周期里是一个自然循环的过程。

　　在内燃机里有很多技术，不断在焕发青春。

       另外统一燃料、统一内燃机，汽油机、柴油机目前都采用相似的方式，采用低温燃烧、采用增压，以后的内燃机趋向于大同。另外研究过程中发现，汽油燃料应该降低值，提高循环值，使得循环期加强，长期可以考虑参与燃料，这个燃料对工业是好事，我们不仅不用再分馏，对这项工业降低成本、降低二氧化碳排放。对于燃料一方面降低二氧化碳，另外有可能降低发动机制造成本，采用内燃机高校技术，可以总体取得显著的成效。甚至可以在染料中涉及到添加剂、生物燃料来改善，这就带来了新的内燃机设计、新的燃烧方法，我们还有很多事情可以做。

　   总结一下：CFD模拟促进了内燃机发展，利用湍流反应，可以实现反应，有潜力的高效排放路线，实现理想排放目标，点燃、自燃、压燃等高效的模式。具备降低炼油成本、能耗、又可以降低发动机制造成本，在高效燃烧的内燃机方式，有显著的潜力。内燃机燃烧技术正在不断进步，创新和节能的空间很大。有很多科学问题，等着我们去研究，探索和发现。

　　谢谢大家！