來源：同濟智能汽車研究所（混合動力研究組）
編者按：未來30年汽車動力將如何變革？此變革中內燃機又將何去何從？本文在總結了過去30年汽油機技術的進步和近20年汽車動力的變革后，或許能為我們部分廓清上述問題。文章結論性觀點如下：（1）過去30年，輕型汽車汽油機技術取得長足進步——汽油機產品在動力性、燃油經濟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準從國1到國6，有害排放物降低80%以上。（2）未來30年內燃機仍將起到關鍵作用，至少60%以上輕型汽車需要一個內燃機。（3）內燃機在輕型汽車動力中的地位將逐漸發生變化。一方面，從內燃機單獨驅動逐漸演變為內燃機和電機共同驅動，其作用變化類似于從“獨唱”變為“二重唱”。另一方面，內燃機在整車性能上所起到的關鍵作用將下降，從一個“核心”部件變成“關鍵”部件，成為一個通用產品，商業模式可能發生變化。（4）結合混合動力系統應用可充分利用發動機的高效率區域。混動系統，特別是增程混合動力系統，要求內燃機運行范圍變窄，有必要開發混合動力專用發動機，進一步提高其熱效率、簡化機構、降低成本。（5）未來汽油機熱效率（特別是實際運行時的熱效率）將大幅度提高，通過多種技術手段的應用，商業化產品有望實現45%的熱效率。（6）汽車燃用天然氣可大幅度降低CO2排放。車用動力將根據地域形成“油、電、氣”的多元格局。
本文摘自《汽車安全與節能學報》2019年第10卷第2期。作者為來自同濟大學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：總結了過去30年輕型車用汽油機技術與產品的進步以及近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，展望了內燃機在此變革中的發展趨勢。在過去30年，汽油機技術取得了長足的進步；汽油機產品在動力性、燃油經濟性、排放控制方面獲得了全方位的大幅度提高。對動力技術多元化的分析指出內燃機在汽車動力中仍將起到關鍵作用，未來30年里至少60%以上的輕型汽車仍然需要使用內燃機。但是，內燃機的地位將逐步發生變化。汽車動力將從內燃機單獨驅動的“獨唱”逐漸演變為內燃機和電機共同驅動的“二重唱”。輕型車用汽油發動機未來發展的重點包括開發混合動力專用發動機、提高發動機熱效率和應用低碳燃料（如天然氣）等。最后，探討了提高汽油機熱效率至45%的技術手段。
關鍵詞: 汽車動力；內燃機；汽油機；熱效率；電動化
0
前言
汽油機是輕型汽車（包括乘用車和輕型商用車）的主要動力。在過去的30年里，世界發達國家和中國的汽車發動機技術和產品都取得了長足的進步。筆者結合親身經歷，討論近30年國內外車用汽油機技術和產品的進步，總結近20年汽車動力多元化的發展趨勢，并展望未來在輕型汽車動力變革中的內燃機發展。由于柴油機制造成本高，且需要復雜的后處理系統來滿足日益嚴格的排放標準，因此柴油機在中國輕型車上應用較少，歐洲國家的應用也會逐步減少，所以本文集中在汽油機方面的討論。
1
近30年車用汽油機技術和產品的進步
為了理清汽油機技術發展的基本線路，有必要對發動機的工作過程做一個簡要概述。圖1給出了發動機基本工作過程的示意圖。
圖1?發動機工作過程示意圖進氣系統及燃油供給系統將空氣和燃料分別引入到發動機內并形成空氣–燃料混合氣，混合氣在發動機燃燒室內被點燃并發生燃燒，帶動曲軸旋轉對外輸出動力。隨著燃燒產生的產物有H2O、CO2以及空氣中沒有參與反應的N2，同時也伴有少量CO、HC、NOx和顆粒物等有害排放物。因此，對發動機工作過程的改善一般應遵循如下原則：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濟性；
2） 依法合規降低有害排放物；3） 降低CO2排放（碳排放）。從圖1可以看出，理論上要改善發動機就要改善燃料的供給、空氣進氣、燃燒、有害排放物的生成及其后處理。在過去的30年里，發動機技術正是在上述這幾個方面取得了很大進步，從而帶來了發動機性能的顯著提高，即上述第1和2項取得了進步。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，基本沒有出臺專門降低CO2排放的措施和法規。本文在后面的討論中將按燃料供給、空氣進氣、燃燒和有害排放物控制的線條展開討論。為深刻理解發動機技術發展背后的原理支撐，先對發動機原理進行簡要分析。以發動機平均有效壓力和熱效率為主線對影響發動機動力性及經濟性的主要因素進行分析。發動機的缸內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動機的扭矩輸出。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為機械效率，αAF為空燃比，Pa、Ta、R分別為參考狀態下的氣體壓力、溫度及氣體常數，QLHV為燃料低熱值。為提高發動機的扭矩輸出，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），但將直接影響發動機的輸出扭矩。考慮到這個因素和排放控制，汽油機基本工作在當量空燃比附近，其變化范圍較小。因此提高汽油機的動力輸出，可從提高充氣效率、燃燒效率、指示熱效率、機械效率入手。其中，提高充氣效率的效果尤為顯著。提高汽油機的熱效率可以從理論熱效率入手。汽油機理想循環為奧拓循環（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。增大壓縮比或過程指數均可以提高熱效率。汽油機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是提高發動機熱效率同時避免爆震的最佳技術方案之一。1.1 汽油機技術的進步
由于汽油機功率密度較高、振動噪聲小、成本較低且污染物控制比柴油機容易，因此廣泛應用在輕型車上。汽油機一般采用火花塞點燃汽油與空氣的預混合氣，繼而產生火焰傳播，燃燒做功。汽油機混合氣的制備對汽油機的性能影響很大，因此汽油機技術的發展離不開與混合氣制備密切相關的進氣和燃油噴射技術的發展。1.1.1 進氣技術的發展從式(1)可知，為提高發動機動力性，可以通過提高發動機的充氣效率來實現。提高汽油機充氣效率的進氣技術包括：采用4氣門、可變進氣管長度、可變進氣正時（variable valve timing, VVT）、可變進氣升程（variable valve lift, VVL）以及廢氣渦輪增壓等技術，其中渦輪增壓技術是當前提升汽油機動力性的主要手段。渦輪增壓技術可以利用廢氣能量驅動渦輪帶動壓氣機工作，提升進氣壓力，提高發動機的充氣量，繼而大幅提升汽油機的動力性[3-4]。由于動力性的提升，汽車可在保持與原有自然吸氣發動機相同動力性的情況下，采用較小排量的渦輪增壓發動機，利于發動機小型化和輕量化。小型化可以有效降低燃油消耗量及有害物的排放量，做到節能、減排。因此，增壓小型化也成為現今車用汽油機的主流趨勢。但是，采用渦輪增壓技術也存在一些問題[5]。由于進氣壓力和溫度的增加，會導致壓縮終了的缸內溫度升高和壓力增加，以及發動機熱負荷增加，使發動機爆震傾向增大。一般可通過進氣中冷、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（exhaust gas recirculation, EGR）等技術手段來抑制爆震。1.1.2 燃油噴射技術的發展早期汽油機通過化油器實現汽油供給, 到20世紀80年代初期隨著電子控制技術的興起，開始普遍采用汽油氣道噴射技術（port fuel injection, PFI），從單點噴射到各缸多點噴射技術。到20世紀90年代中期，缸內直接噴射技術（gasoline direct injection,GDI）得到了商業化應用。盡管幾十年前人們幾次嘗試推出汽油直噴技術的產品（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汽車產品，才開啟了現代汽油直噴噴射技術的時代，經過10多年的發展，廢氣渦輪增壓當量均質混合氣直噴汽油機技術在國內外基本普及。為滿足日益嚴格的排放標準，人們一直在改善燃油霧化和噴射控制，缸內直噴技術經歷了從傘噴到多孔噴油器，噴射壓力從10 MPa到35 MPa，每循環單次噴射到多次噴射，噴霧油粒平均尺寸從25 μm到10 μm的進步。隨著燃油噴射控制技術的進步，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，進而實現對燃燒的精確控制。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 整機技術的發展隨著進氣和燃油噴射技術的發展，汽油機整機技術也相應地得到提高。以燃油噴射技術為特征的整機技術經歷了從自然吸氣PFI汽油機、廢氣渦輪增壓PFI汽油機到自然吸氣GDI汽油機，再到目前主流的廢氣渦輪增壓GDI汽油機。以上市產品為例，表1總結對比了國內外整機技術的發展歷程。1967年德國大眾汽車公司已有PFI汽油機上市；寶馬汽車在1973年推出了2.0 L增壓PFI汽油機。1996年日本三菱公司首先推出了現代GDI汽油機，應用在Galant車型。該款發動機排量為1.8 L，采用分層稀薄燃燒技術。2000年德國大眾汽車公司推出了增壓直噴汽油機，應用在Lupo車型。該款發動機排量為1.4 L，采用當量燃燒技術。 表1 國內外整機技術發展歷程
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，應用PFI發動機的汽車陸續批量上市。在2009年，奇瑞汽車推出瑞虎5車型，應用2.0 L增壓PFI汽油機；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。從表1可以看到中國汽油機整機技術與發達國家相比比較滯后，這與中國汽車工業發展相對滯后直接相關。在增壓直噴汽油機技術應用的時間上，中國比國外滯后10年左右，但目前已經與國外技術總體上基本拉平。
在整機技術發展的過程中，除提高指示熱效率的各種技術手段（常用的包括VVT、VVL、EGR、Atkinson/Miller循環，等）以外，廢氣渦輪增壓、發動機結構設計、輕量化材料、低摩擦材料、高效率可變附件等技術也是層出不窮，方興未艾。在這里就不再贅述。1.1.4 研發手段的發展發動機技術的進步來源于研發結果。在過去30年里發動機的研究手段也取得了突破性進展，主要的進步集中體現在發動機缸內現象的可視化。各種試驗及仿真技術的發展使得發動機缸內現象從原來的看不見、摸不著逐漸發展到可見、可測。通過采用光學發動機結合激光診斷技術以及計算流體力學（computational fluid dynamics, CFD）仿真技術，使得缸內過程可視化和可預測化成為現實。缸內過程的可視化和CFD的應用為深入探究直噴汽油機缸內混合氣形成、燃燒及排放生成等物理化學現象的本質及燃燒系統的設計優化提供了可能性及有效性[6]，如Han等[7]結合光學發動機試驗，通過CFD仿真預測了活塞濕壁現象，并發現了活塞表面上殘存液態燃油量與發動機碳煙量的定性關系。從圖2可以看到，CFD預測出的活塞表面上液態燃油的位置與光學發動機活塞積碳位置是一致的。
(a) CFD預測結果(b) 光學發動機結果
圖2?CFD預測的活塞表面上的液態燃油與光學發動機上活塞積碳對比[7]基于對發動機缸內多種物理現象可視化研究的需求，研究者們開發了各式各樣的激光診斷方法。圖3給出了直噴汽油機在一個工作循環中涉及的噴霧、蒸發、氣流運動、燃燒及排放物生成等過程以及對應的診斷方法[8-9]。對噴霧形態的測量主要采用噴霧成像的方法，利用光源將噴霧照亮，并通過攝像系統來采集圖像，最后對噴霧貫穿距、錐角進行分析。依據使用光源的不同，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行測量常用的手段有激光誘導熒光法、雙相激光誘導熒光法、紅外吸收散射法等。對缸內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（molecular tagging velocimetry, MTV）等。對缸內燃燒過程的測量可采用直接攝影來觀察燃燒形態，或對燃燒過程中的OH自由基等組分進行測量來獲取燃燒發生區域。最后，還可以通過雙色法或者激光誘導熾熱發光法（laser induced incandescence, LII）對缸內碳煙生成進行測量[9]。
圖3?激光診斷技術在直噴汽油機中應用[9]
發動機的CFD仿真技術在過去30年里從動態網格處理、物理模型構建、計算方法、計算速度和精度、后處理技術、軟件界面等各方面都取得了很大的發展。早期的網格劃分工作占用整個發動機CFD仿真的大半時間，并且難以較精確地處理氣閥運動等復雜動網格。目前已發展出網格自動生成技術及自適應加密技術[10]，CFD前處理時間大大縮減，因而可縮短工程優化的迭代時間。同時從原來使用非常粗的網格（2-3 mm）到現如今的精細網格（0.1mm），提高了計算精度。對發動機物理過程的仿真也從簡單的氣流計算發展到現今的從氣流運動、噴霧、混合、燃燒及排放物生成等多物理過程的仿真，且在模型構建及預測精度等方面取得了較大的進步。對缸內湍流流動模擬，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，得益于計算機計算能力的大幅提升, 將LES應用到發動機CFD模擬的案例越來越多。有了LES的幫助，使得對缸內現象的預測更為準確，更接近真實。同時，也可對發動機循環波動[13]及一些偶發現象（如爆震[14]）有較好的預測。關于燃油噴霧模型的進展，不但是在噴霧破碎、蒸發、碰壁等子模型的構建上取得了較大進展，而且在建模方法也有了一些新思路和方法，獲得了更好的預測結果[15]。燃燒模擬方面，從原本預測性較弱的零維、準維燃燒模型逐步發展到現在預測性較強的多維燃燒模型，如特征時間模型（characteristic time combustion, CTC）、渦團耗散模型（eddy dissipation concept, EDC）、G方程模型、直接耦合化學反應動力學模型、概率密度(probability density function, PDF)模型等，可以實現對傳統汽油機、柴油機以及新型燃燒模式發動機燃燒過程的較為準確的模擬[12,16]。近年來在燃燒化學反應耦合方面已從使用單步反應或少量骨架反應發展到采用較詳細的化學反應機理，甚至全機理計算[16-17]。通過耦合詳細化學反應機理，可以對燃燒及污染物生成如HC、CO、NOx等有較好的預測，但是目前對顆粒物的預測精度有限[16,18]。1.2 汽油機產品性能的進步
1.2.1 動力性為展示發動機在動力性上的進步，本文選取并對比了歷年美國沃德十佳發動機[19]（自1995年開始）及中國心十佳發動機[20]（自2006年開始）獲獎名單中4缸汽油機產品的升功率(WL)及升扭矩(TL)指標，如圖4所示。可以看出: 采用增壓技術可顯著提高發動機動力性，且隨著時間發展，增壓發動機的動力性指標也取得了很大提升。國外發動機采用的增壓技術包括渦輪增壓、機械增壓以及渦輪與機械雙增壓。以采用渦輪與機械雙增壓發動機的沃爾沃S60 Polestar汽車為例，其升功率和升扭矩已分別達到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，進步十分顯著。對于渦輪增壓發動機來說，中國自主品牌發動機的動力性大概與國外發動機10年前的水平相當，但是在過去十幾年里也取得了明顯進步，平均升功率從60 kW/L提高到了88 kW/L左右，提高了約47%。對于自然吸氣發動機的動力性，多年來并未有顯著提高，國內外發動機的動力性基本相當，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展，國外逐漸出現混動專用發動機，且以自然吸氣為主。
（a）國外發動機升功率
（b）國內發動機升功率
（c）國外發動機升扭矩
（d）國內發動機升扭矩圖4?汽油機動力性的演變1.2.2 發動機熱效率及燃油經濟性在過去30年里，汽油機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熱效率變化歷史[21], 該圖也基本反映了國外汽車工業界的發展軌跡。從圖5可以看出，過去30年里汽油機熱效率從33%提高到了39%，目前有報道豐田公司量產的汽油機最高熱效率為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，用于推動汽車節能技術的革新。圖6給出了中國輕型車在4個階段不同整車整備質量對應的燃油消耗量限值。通過燃油法規的實施，促使乘用車企業對其所銷售車輛的平均油耗不斷降低。到2020年，乘用車企業平均燃油消耗量4階段目標值需降低至5 L/(100 km) [24-25]。
圖6?中國輕型車燃油消耗量限值為便于評價中國輕型車汽油機燃油經濟性的進步，圖7對比了中國國家工信部公布的2012?2017年國產乘用車當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%，由法規驅動的技術進步十分明顯。
圖7?國產乘用車平均燃油消耗量1.2.3 有害排放物為展示輕型車用汽油機在排放控制方面的進步，本文對比了中國各階段排放法規[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階段的排放法規時，對比各階段排放法規即可從總體上看出中國輕型車在排放控制方面的進步。圖8給出了中國各階段輕型車排放法規中規定的污染物限值，其中以可通過還原反應處理的污染物NOx作為橫軸（e[NOx]），以可通過氧化反應處理的HC和CO排放物之和作為縱軸（e[THC+CO]）。由于國1和國2階段法規中對排放物各項規定稍有差異，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，并在圖中標注其相應數值。從數值點與橫縱軸包絡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步。
圖8?中國輕型車排放法規限值 1.2.4 CO2排放由于CO2氣體的溫室效應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。中國也根據油耗法規折算出CO2限值。表2給出了不同階段各國CO2排放限值。從表2看出，類似于其他汽車強國，中國制定的CO2限值也越來越嚴格，且給予實現目標的時間越來越短。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，而專門針對降低CO2的技術并沒有得到足夠的重視。例如發動機燃用低碳燃料可顯著降低CO2排放，但是對于低碳燃料在發動機中的應用還未引起廣泛關注。 表2 各國CO2排放限值
2
近20年汽車動力多元化的變革發展
2.1 汽車動力多元化發展現狀
自20世紀末汽車動力開始呈現出多元化發展的趨勢。汽車從單一內燃機的燃油車（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）等方向發展。這些多元化動力是汽車動力向電動化發展的不同形式，幾乎都需要電機及電池。以商業化產品為例，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超過1000萬輛；2009年豐田發布第3代Prius，據工信部公告，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化的氫燃料電池乘用車Mirai，該車加注一次氫氣可以續航650 km，達到了和汽油車相同的續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并生產更加節能的燃油汽車。馬自達汽車堅持改進汽油機熱效率，采用13:1的高壓縮比等措施改善燃燒，在傳統動力整車燃油經濟性上取得了領先的優勢。據工信部數據，2015年馬自達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%，大大領先于其他同類產品。上面的這些例子明確地表明了汽車動力多元化的技術發展趨勢和商業實踐，未來幾種形式將共存發展。
2.2 汽車動力發展預測
如上節所述，汽車動力在20世紀末開始出現多元化且成功商業化。但是目前非內燃機驅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展時間。很多機構和研究者預測了未來不同汽車動力形式的發展趨勢。從全球范圍來講，根據國際能源署最新報告預測[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燃機驅動。
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測。從圖9a可以看出, 2015年美國市場銷售的純內燃機汽車占比92%，預計在2030年為80%，而在2050年為60%。考慮到混合動力仍然需要內燃機，因此在2030和2050年美國用內燃機的輕型汽車分別為96%和90%。圖9b是“中國節能與新能源汽車技術路線圖”[30]中對未來汽車動力的預測。從中可以看到，在2030年，中國純內燃機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。如果假設電動汽車中間有一半應用插電式混合動力，可以得出2030年中國汽車銷量中仍然有60% ? 80%的份額需要內燃機。
（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測[29-30]
以上預測表明，在未來30年內燃機在汽車動力中仍然起到關鍵作用，全球范圍內至少60%以上的輕型汽車仍將裝有一個內燃機，內燃機生命力依舊旺盛。但隨著汽車動力電動化的發展，未來內燃機的支配地位將逐步弱化。汽車由單一內燃機驅動變為由內燃機和電機（一個或者幾個）驅動。換言之，汽車動力由內燃機的“獨唱”變為內燃機和電機的“二重唱”。由此可以推斷，內燃機在整車性能上所起到的關鍵作用將下降，將從一個“核心”部件變成“關鍵”部件，逐步成為一個通用產品，商業模式因此也可能發生深刻的變化。
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液體燃料相差在1-2個數量級。這說明與傳統燃油相比，想要依靠動力電池產生出相同的能量，所需動力電池的重量遠遠超出燃油質量和體積，這將造成整車質量的顯著增加，使得能耗增加。但是，為了維持較長的續航里程來解決用戶里程焦慮的問題，大容量的電池在當前的技術條件下是必需的。
表3 電池與典型液體燃料的能量密度對比
圖10給出了“中國節能與技術路線圖”[30]中對電動汽車電池系統能量密度及成本的預測。從圖中可以看到，隨著技術的進步，未來的電池比能量有望進一步提高，且同時可以保證電池成本持續降低。但是預測在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，和傳統燃料的能量密度相差仍然甚遠。
圖10?電池能量密度預測
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、保險和交稅等。美國John W. Brennan等[32]對比了中小型純內燃機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。可以看出，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燃機汽車，小型和中型純電動汽車比純內燃機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燃機汽車。對于小型汽車，純電動的使用成本略高于純內燃機汽車，而對于中型汽車，純電動的使用成本顯著高于純內燃機汽車。
圖11?內燃機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設施還不完善，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，但由于數量較少，距離用戶較遠，充電成本高，也給用戶帶來不便；同時，建設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的限制，充電時間較長，用戶在缺電后不能快速獲得補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展，內燃機的地位逐漸變化，但是在未來30年，內燃機在汽車中仍然起到關鍵作用。在當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，對內燃機的研究仍然不能松懈。未來內燃機需要在汽車動力變革中進一步發展，挖掘更大潛力，尤其在如何降低油耗和應用低碳燃料（例如天然氣、甲醇等）方面需要深入研究。
3
變革中的內燃機發展
3.1 混動系統應用
隨著汽車動力的電動化發展，內燃機在未來很長一段時間需要與電機共存，形成混合動力系統作為汽車動力源。在混動系統中可以應用現有發動機資源，使用發動機的高效率工作區域，從而避開長時間在低效率區域工作，做到揚長避短。圖12給出了內燃機在混動系統中應用的兩個例子。圖12a為傳統燃油車發動機（較大排量）在混動系統中的應用示意。可以看到，發動機在傳統車中的常用使用工況為中低速、低負荷區域，而在這些區域發動機的熱效率較低，燃油經濟性差。發動機在混動系統中使用后，通過電機的輔助將發動機工況調整至中高負荷，使用其高效率區域而降低油耗。另外一種使用方案為采用成本較低的小排量發動機，這樣在相同負荷下，發動機在更高的效率區工作，如圖12b所示。這樣可以充分利用現有發動機資源，改善整車燃油經濟性。上述2個例子展示了在混動系統中利用發動機的2種方案，而方案的選擇將取決于不同的設計理念。但是僅利用傳統發動機的資源，不足以充分發揮混動系統的優勢，需要有針對性的研發混動專用發動機。
(a)?大排量發動機（b）小排量發動機
圖12?發動機在混動系統中的應用示例
3.2 增程混動專用發動機的特征分析
混合動力發動機的工況范圍較傳統發動機有較大的不用，其運行和設計特征應該有其特點。2016年帥石金等對輕型車用混動發動機進行了綜述分析[33]，他們指出目前混動發動機主要有兩條技術路線，即，以日本車企主導的自然吸氣高膨脹比汽油機，以及以德國車企主導的直噴增壓汽油機。中國對混動發動機本身的研究較少，多是在傳統發動機基礎上進行重新標定和選配，并沒有針對性的正向開發混動專用發動機，無法充分發揮混動系統的節油能力。由于新能源汽車補貼退坡及純電動汽車成本高、續航短、在嚴寒地區性能顯著下降等原因，具有增程功能的混動系統將顯現出市場競爭力，可能成為未來典型的混動路線。本文在此對增程混動系統的發動機特征進行分析。增程混動系統一般指串聯構型的混動系統，也稱為增程器。增程器發動機不參與驅動車輛，僅用來帶動發電機發電以增加純電續駛里程。在電池電量不足情況，維持汽車巡航所需的驅動功率一般較低。以一個整備質量為1.6 t重的三廂汽車為例，維持120km/h續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動機。此外，本田的串并聯構型混動系統（iMMD系統）[34]和同濟大學的增程式混合動力（TJEHT）系統[35]都具有雙電機，且其發電機和發動機可與車輪完全解耦，因此也具備增程功能，在此也稱為增程混動系統。相比于傳統燃油車，增程混動系統對發動機的動力性要求降低，對其運行工況（轉速、負荷）有較大選擇空間。增程器專用發動機最主要的特點是發動機熱效率高、結構緊湊、成本低。一般通過提高壓縮比并采用Atkinson循環來實現發動機高效率工作。為進一步提高熱效率，還會采用冷卻EGR、低摩擦技術等手段。為簡化結構并降低成本，可考慮采用每缸2個氣門的氣缸蓋設計和氣道噴射技術。為了滿足結構緊湊的需要，可以考慮采用三缸或者二缸發動機設計[36]。另外，由于二沖程發動機升功率大，也可能成為設計選項[37]。3.3 提高發動機熱效率
混動系統對發動機的熱效率提出了更高的要求，因此需要研究如何進一步提高發動機熱效率。目前商業化的高水平車用汽油機的最高熱效率約為37%，各大主流汽車廠商仍然致力于進一步提高發動機熱效率的研究。2017年，日本豐田公司推出了基于全新架構的發動機“Dynamic Force Engine”(動力發動機)。該款發動機排量為2.5 L，熱效率為40%，其混動版本的熱效率更是達到41%，是全世界目前量產汽油機中的最高值[22-23]。此外，豐田公司已經在實驗室內探索評估了各種改善熱效率的方法，并已驗證了汽油機獲得高于45.9%熱效率的可能性[21]。這表明產品發動機有望在不遠的將來達到45%的熱效率。如果實現這一目標，將比目前汽油機的熱效率相對提高24%，若應用到整個汽車行業，將具有顯著的降油耗前景。在學術研究領域里，研究人員也在探索提高汽油機熱效率到50%的新概念。比如，日本在2014年啟動了“創新燃燒技術”項目，旨在進一步提高發動機熱效率。由日本慶應大學領導的汽油機燃燒團隊，通過超稀燃燒（過量空氣系數為2）等一系列技術手段，已將發動機有效熱效率提升至51.5%[38-39]，證明了進一步提高汽油機熱效率的可能性。一般來講發動機消耗燃油產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、機械損失及燃燒損失。改善發動機的熱效率，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手段都是秉承以上的準則。表4給出了筆者在早期研究中總結的提高汽油機熱效率的一些技術手段和收益[40]。可以看到，各個技術手段的應用都能獲得較為可觀的熱效率改善程度。由于傳統車型對發動機的高要求，阻礙了部分技術手段的應用。混動系統給予發動機更大的優化空間，這些技術手段的應用或許不再受限。
表4 提高熱效率的技術手段及收益[40]
*包括降低泵氣和摩擦損失的收益。結合文獻研究，總結汽油機有效熱效率提高到45%的主要技術手段有[1-2,21-23,40-56]：1）長沖程設計。增加發動機沖程不僅可以減少發動機傳熱損失，還可提高缸內氣體流動強度, 改善燃燒。圖13和圖14分別給出了豐田公司研究得出的發動機沖程、缸徑與燃燒室面容比和缸內湍流強度的關系[21]。可以看到隨著沖程的增加，面容比降低，利于傳熱損失的降低。同時從圖14可以看到，缸內湍流強度隨沖程的增長而增強，繼而可提高燃燒速度。混合動力用發動機最高轉速較低（不超過4 000 r/min），可以突破傳統發動機（轉速達到6 000 r/min）長沖程設計受活塞平均速度的限制，充分利用長沖程設計帶來的益處。2）高壓縮比（>13）。通過提高壓縮比來提高發動機的熱效率是人們長期追求的目標。在實踐中為避免壓縮比過高導致爆震，可以采用Atkinson循環，在保持較低有效壓縮比的情況下，實現高的膨脹比。另外的解決方案是采用可變壓縮比技術，在不同工況采用不同的壓縮比，避免在大負荷時產生爆震燃燒。
圖13?發動機沖程、缸徑與燃燒室面容比的關系[21]
圖14?發動機沖程、缸徑與缸內湍流強度的關系[21]
3）稀薄燃燒技術。稀薄燃燒可提高發動機工作過程的過程指數（減少傳熱損失）和部分負荷的泵氣損失，繼而提高熱效率。4）冷卻廢氣再循環（EGR）。冷卻EGR可以降低部分負荷的泵氣損失，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EGR比例的增加，燃燒速度降低，燃燒持續期增長，可能造成燃燒不穩定或失火，不利于熱效率提高。為改善這一現象，可以通過提高缸內湍流強度來提高燃燒速度。通過改進氣道設計或燃燒室設計等措施可改善缸內氣流運動，提高缸內湍流強度，繼而改善燃燒速度，同時擴展EGR比例界限，進一步改善熱效率。5）降低傳熱損失。發動機可通過引入EGR、采用均質充量壓燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)等技術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。還可通過改善發動機熱管理系統降低傳熱損失，例如采用電子節溫器較為靈活地控制冷卻液大小循環的開啟，將發動機保持在較適合的水溫下工作，降低傳熱損失。6）提高機械效率。采用輕量化材料、低摩擦材料和技術，以及高效率附件（附件電子化）降低機械損失。7）燃油與發動機聯合優化。通過對燃油與發動機的聯合匹配和優化，選出更適合發動機的燃油，充分利用燃油特性以改善發動機熱效率。合適的燃油理化特性可加快燃燒速度、抑制爆震、擴展著火界限以實現熱效率的提高，并有助于降低有害排放。3.4 推廣應用低碳燃料
低碳燃料是分子結構中的碳氫比例較低的一類燃料，包括天然氣、甲醇、乙醇等。發動機燃用低碳燃料可以從化學本質上降低燃燒后CO2的生成量。天然氣燃料由于儲量豐富、成本低廉、儲運方便，是一種很有前途的發動機代用燃料，在此做重點分析。天然氣的主要成分是甲烷，它的碳氫比是碳氫化合物燃料中最低的。發動機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生的理論CO2生成量。式（3）給出了碳氫化合物燃料的化學反應方程式。
其中：CnHm為碳氫燃料，n和m分別為燃料分子中碳原子和氫原子的個數，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分別為1和4；由式（3）可得，燃燒1 kg天然氣產生48.28 MJ熱量[57]，同時將產生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分別為8和18，若產生相同熱量，將需消耗1.121 5 kg汽油，產生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生的CO2減少20.6%。在實際發動機應用中，中國在2017年首次開發并量產了首款高性能單一天然氣發動機驅動的多用途商務汽車[58]，其新歐洲標準行駛循環（new European driving cycle，NEDC）CO2排放為131.4 g/km，比原汽油機下降了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。該款發動機排量為1.5 L，壓縮比為12，最高熱效率達到了37%，采用當量燃燒加三元催化器后處理的技術路線。天然氣供給為高壓氣道多點噴射。在國外，2017年德國奧迪汽車發布了A4 Avant天然氣汽車[59]，其CO2排放為95 g/km，達到了歐盟2020年的限值。該款發動機的排量為2.0L，壓縮比為12.6，額定功率為125 kW，最大扭矩為270 Nm，最高熱效率達到了40%，采用天然氣可續航500 km。該款發動機是基于最新的EA888發動機開發的，增加了天然氣高壓多點噴射系統, 選用高強度合金活塞確保13.5 MPa的最大爆壓、使用耐磨材料的氣門座圈、降低進氣門座圈角度，圖15給出了發動機的剖面示意圖。
圖15?奧迪A4 Avant天然氣發動機剖面圖[57]
從上述兩款天然氣汽車的實例可以看出，天然氣發動機比汽油機大幅度的降低CO2排放。因此，大規模的應用天然氣汽車可以十分明顯地降低中國交通領域的CO2排放。除了在降低CO2排放方面的優勢外，天然氣汽車的其他優點還包括清潔燃燒，沒有顆粒物排放，天然氣價格便宜，車輛運行費用低等。中國地域遼闊，東西部能源資源差異很大。應該根據地域和資源情況采用不同的能源。比如，在充電設施比較好并且車主用車距離不遠的大城市，可以積極推廣電動汽車以減少城市空氣污染。在富氣地區可以大力推廣應用天然氣汽車，而在長途運輸時應用節能的燃油汽車。
4
結論
1）在過去30年，輕型汽車汽油機技術取得了長足的進步；汽油機產品在動力性、燃油經濟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準從國1到國6，有害排放物降低80%以上。2）內燃機在未來30年仍然起到關鍵作用，預測至少60%以上的輕型汽車需要一個內燃機。3）內燃機在輕型汽車動力中的地位將逐漸發生變化：從內燃機單獨驅動逐漸演變為內燃機和電機共同驅動，其作用的變化類似于從“獨唱”變為“二重唱”。內燃機在整車性能上所起到的關鍵作用將下降，從一個“核心”部件變成“關鍵”部件，成為一個通用產品，商業模式可能發生變化。4）結合混合動力系統應用可以充分利用發動機的高效率區域。混動系統，特別是增程混合動力系統，要求內燃機的運行范圍變窄，有必要開發混合動力專用發動機，進一步提高其熱效率、簡化機構、降低成本。5）未來汽油機熱效率（特別是實際運行時的熱效率）將有大幅度提高，通過多種技術手段的應用，商業化產品有望實現45%的熱效率。6）汽車燃用天然氣可以大幅度降低CO2排放。車用動力將根據地域形成“油、電、氣”的多元格局。
參考文獻：
[1] 周龍保.內燃機學[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010:10-60.
ZHOU Longbao. Internal combustion engine fundamentals [M]. Beijing: China Machine Press, 2010: 10-60. (in Chinese)
[2] Heywood J B. Internal combustion engine fundamentals (2nd edit) [M].New York: McGraw-Hill Education, 2018: 50-170.[3] 張揚軍, 張樹勇, 徐建中. 內燃機流動熱力學與渦輪增壓技術研究[J]. 內燃機學報, 2008, 26(S1):90-95.ZHANG Yangjun, ZHANG Shuyong, XU Jianzhong.Research in IC engine flow thermodynamics and turbocharging technology [J]. TransChin Soc Internal Combust Engi, 2008, 26(S1): 90-95. (in Chinese)
[4] 張俊紅, 李志剛, 王鐵寧. 車用渦輪增壓技術的發展回顧、現狀及展望[J]. 小型內燃機與摩托車,2007(1): 66-69.
ZHANG Junhong, LI Zhigang, WANG Tiening. Retrospect, status, and expectation for turbocharger technology of vehicle [J]. Small Internal CombusEngi Motorcycle, 2007(1): 66-69. (in Chinese)
[5] 王樹青. 基于渦輪增壓技術的車用汽油機性能提升及試驗評價[D]. 長沙：湖南大學, 2012.
WANG Shuqing. Performance improvementand test evaluation of automotive gasoline engine based on turbochargingt echnologies[D]. Changsha：Hunan University, 2012. (in Chinese)
[6] Han Zhiyu, Weaver C, Wooldridge S, et al.Development of a new light stratified-charge DISI combustion system for afamily of engines with upfront CFD coupling with thermal and optical engine experiments [R]. SAE Paper, 2004-01-0545.
[7] HAN Zhiyu, YIJianwen, Trigui N. Stratified mixture formation and piston surface wetting in a DISI engine [R]. SAE Paper, 2002-01-2655.
[8] 張玉銀, 張高明, 許敏. 直噴汽油機燃燒系統開發中的噴霧激光診斷技術[J]. 汽車安全與節能學報, 2011,2(4): 294-307.
ZHANG Yuyin, ZHANG Gaoming, XU Min. Laser diagnostics for spray of sparkignition direct injection (SIDI) combustion system[J]. J Autom Safe Energ,2011, 2(4): 294-307. (in Chinese)
[9] 陳豪. 直噴汽油機缸內過程穩定性機理的可視化研究[D]. 上海:上海交通大學, 2014.
CHEN Hao. Analyzing cycle-to-cyclevariations of in-cylinder processes in an optical spark-ignitiondirect-injection engine [D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2014. (inChinese)
[10] Richards K, Senecal P, PomraningE. Converge (Version 2.2.0) Manual [M]. Madison: Convergent Science, 2014: 286-303.
[11] Han Z, Reitz R D. Turbulence modeling of internal combustion engines using RNG κ-ε models [J]. Comb Sci Tech,1995, 106(4-6): 267-295.
[12] Rutland C J. Large-eddy simulations for internal combustion engines – a review [J]. Int’l J Engi Res,2011, 12(5): 421-451.
[13] Pera C. An experimental database dedicated to the study and modelling of cyclic variability in spark-ignitionengines with LES [R]. SAE Paper，2011-01-1282.
[14] Fontanesi S, D’adamo A, RutlandC J. Large-Eddy simulation analysis of spark configuration effect oncycle-to-cycle variability of combustion and knock [J]. Int’l J Engi Res, 2015,16(3): 403-418.
[15] Yue Z, Reitz R D. An equilibrium phase spray model for high-pressure fuel injection and engine combustion simulations [J]. Int’l J Engi Res, 2019, 20(2): 203-215.
[16] 解茂昭，賈明. 內燃機計算燃燒學(第三版) [M]. 北京: 科學出版社, 2016, 171-176.
XIE Maozhao, JIA Ming. Computational combustion for internal combustion engines (3rd edit) [M]. Beijing: Science Press,2016: 171-176. (in Chinese)
[17] Tap F A, Goryntsev D, Meijer C,et al. A first investigation on using a 1000+ species reaction mechanism for flame propagation and soot emissions in CFD of SI engines [C] // International Multidimensional Engine Modeling User's Group Meeting, Detroit (USA)，2016: 1-5.
[18] Zhang Yizhou, Ghandhi J,Rothamer D. Comparisons of particle size distribution from conventional and advanced compression ignition combustion strategies [J]. Int’l J Engi Res, 2018,19(7): 699-717.
[19] Wardsauto.10 Best Engines [EB/OL]. [2017-12-14]. http://www. wards auto.com.
[20]中國汽車發動機網. '中國心'年度十佳發動機[EB/OL]. [2018-11-29]. http://www.china-engine.net.
China-Engine.“Ten Best Engines”[EB/OL]. [2018-11-29]. http://www.china-engine.net. (inChinese)
[21]Nakta K, Nogawa S, Takahashi D, et al. Engine technologies for achieving 45% thermal efficiency of SI engine [J]. SAE Int’l J Engi, 2016, 9(1): 179-192.
[22] Hakariya M,Toda T, Sakai M. The new Toyota inline 4-cylinder 2.5 L gasoline engine[R]. SAEPaper, 2017-01-1021.
[23] Yamaji K, TomimitsuM, Takagi I, et al. New 2.0 L I4 gasoline direct injection engine with Toyota new global architecture concept [R]. SAE Paper, 2017-01-0370.
[24] 中華人民共和國工業和信息化部. 乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法 [EB/OL]. [2017-09-28]. http://www.miit.gov.cn/n1146290/n4388791/c5826378/content.html.
Ministry of Industry and InformationTechnology of the People's Republic of China. Method for parallel management of average fuel consumption of passenger vehicle enterprises and new energyvehicle credits [EB/OL]. [2017-09-28]. http://www.miit.gov.cn/n1146290/n4388791/c5826378/content.html.(in Chinese)
[25] 中華人民共和國工業和信息化部. 乘用車燃料消耗量第四階段標準解讀[EB/OL]. [2015-01-26].http://www.miit.gov.cn /n1146295/n1652858/n1653018/c3780606/content.html.
Ministry of Industry and Information Technology of the People's Republic of China. Interpretation of the fourth stage of passenger vehicle fuel consumption standard [EB/OL]. [2015-01-26].ttp://www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1653018/c3780606/content.html. (inChinese)
[26] 張欣. 車用發動機排放污染與控制(第1版)[M]. 北京: 北京交通大學出版社, 2014: 16-31.
ZHANG Xin. Emission pollution and control for vehicle engines (1st edit) [M]. Beijing: Beijing JiaotongUniversity Press, 2014:16-31. (in Chinese)
[27] 中華人民共和國生態環境部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第6階段）[EB/OL]. [2016-12-23]. http://kjs.mee.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqydywrwpfbz/201612/t20161223_369476.shtml.
Ministry of Ecological Environment of the People's Republic of China. Limits and measurement methods for emissions from light-duty vehicles（CHINA 6）[EB/OL]. [2016-12-23]. http: // kjs.mee.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqydywrwpfbz/201612/t20161223_369476.shtml.(in Chinese)
[28] Bunsen T, Cazzola P, Gorner M, et al. Global EV Outlook 2018:Towards cross-modal electrification [R]. Int’l Energy Agency, 2018.
[29] Heywood J, MackenzieD, Akerlind I, et al. On the road toward 2050 potential for substantial reductionsin light-duty vehicle energy use and greenhouse gas emissions [R]. Cambridge,MA: Massachusetts Institute of Technology, 2015.
[30] 中國汽車工程學會. 節能與新能源汽車技術路線圖[M]. 北京: 機械工業出版社, 2016: 332-346.
China Society of AutomotiveEngineers. Technology road map for energy saving and new energy vehicles [M].Beijing: China Machine Press, 2016: 332-346. (in Chinese)
[31] 劉科, 吳昌寧. 中國新能源汽車發展戰略之再思考[EB/OL]. [2018-09-04].http://finance.ifeng.com/a/20180904/16484592_0.shtml.
LIU Ke,WU Changning. Rethinking the development strategy of China's new energy vehicles [EB/OL]. [2018-09-04]. http://finance.ifeng.com/a/20180904/16484592_0.shtml.(in Chinese)
[32] Brennan J W, Barder T. Battery electric vehicles vs. internal combustion engine vehicles[R]. Arthur D. Little, 2016.
[33] 帥石金, 歐陽紫洲, 王志. 混合動力乘用車發動機節能技術路線展望 [J]. 汽車安全與節能學報,2016, 7(1): 1-13.
SHUAI Shijin, OUYANG Zizhu, WANG Zhi. Prospectof energy-saving technology roadmaps of engines for hybrid passenger cars [J]. JAutom Safe Energ, 2016, 7(1): 1-13. (in Chinese)
[34] Yonekawa A, Ueno M, Watanabe O,et al. Development of new gasoline engine for ACCORD plug-in hybrid[R]. SAEPaper, 2013-01-1738.
[35] 韓志玉，高曉杰，吳振闊，等. 同濟增程式混合動力系統開發報告[R]. 同濟大學新能源汽車工程中心，2019.
HAN Zhiyu, GAO Xiejie，WU Zhenkuo, et al. Development report of Tongji range-extended hybrid powertrain [R]. Clean Energy Automotive Engineering Center at Tongji University, 2019. (in Chinese)
[36] Bassett M, HallJ, Oudenijeweme D, et al. The development of a dedicated range extender engine[R].SAE Paper, 2012-01-1002.
[37]Nuccio P, De Donno D, Magno A. Development through simulation of a turbocharged 2-stroke GDI engine focused on a range-extender application[R]. SAE Paper,2017-32-0121.
[38]Iida N. Challenge for ultimate thermal efficiency of internal combustion engineby low temperature combustion technology [C] // Int’l Summit on Breakout TechEngi Fuels, Tianjin, 2018.
[39]Japan Science and Technology Agency, Keio University, Kyoto University, et al. Achievingmore than 50% maximum thermal efficiency through 'Industry-Universitycooperation' [EB/OL]. [2019-01-16]. https: // www.jst.go.jp/pr/announce/20190116/index.html.
[40]HAN Zhiyu. Overview of recent development of automotive engine technology [R].Ford Research Laboratory, 2001.
[41] Ikeya K, Takazawa M, Yamada T, et al.Thermal efficiency enhancement of a gasoline engine [J]. SAE Int’l J Engi, 2015,8(4): 1579-1586.
[42] Akihisa D, DaisakuS. Research on improving thermal efficiency through variable super-high expansion ratio cycle[R]. SAE Paper, 2010-01-0174.
[43] Mitani S, HashimotoS, Nomura H, et al. New combustion concept for turbocharged gasoline direct-injection engines [J]. SAE Int’l J Engi, 2014, 7(2): 551-559.
[44] Takahashi D,Nakada K, Yoshihara Y, et al. Combustion development to achieve engine thermal efficiency of 40% for hybrid vehicles [R]. SAE Paper, 2015-01-1254.
[45] Jocsak J, WhiteD, Armand C, et al. Development of the combustion system for general motors'high-efficiency range extender ecotec small gas engine [J]. SAE Int’l J Engi,2015, 8(4): 1587-1601.
[46] Matsuo S, IkedaE, Ito Y, et al. The new Toyota inline 4 cylinder 1.8 L ESTEC 2ZR-FXE gasoline engine for hybrid car [R]. SAE Paper, 2016-01-0684.
[47] Furumata S,Kakimuma T, Tochiki H. Development of new 3.5 L V6 turbocharged gasoline direct injection engine[R]. SAE Paper, 2016-01-1012.
[48] Wada Y,Nakano K, Mochizuki K, et al. Development of a new 1.5 L I4 turbocharged gasoline direct injection engine [R]. SAE Paper, 2016-01-1020.
[49] Dempsey A B,Curran S J, Wagner R M. A perspective on the range of gasoline compression ignition combustion strategies for high engine efficiency and low NOx and soot emissions: Effects of in-cylinder fuel stratification [J]. Int’l J Engi Res,2016, 17(8): 897-917.
[50] Sellanu M C,Sinnamon J, Hoyer K, et al. Full-time gasoline direct-injection compression ignition (GDCI) for high efficiency and low NOx and PM [J]. SAE Int’l J Engi,2012, 5(2): 300-314.
[51] Thring R H. Homogeneous-charge compression-ignition (HCCI) engines[R]. SAE Paper, 892068.
[52] Asthana S, BansalS, Jaggi S, et al. A comparative study of recent advancements in the field of variable compression ratio engine technology [R]. SAE Paper, 2016-01-0669.
[53] Chan S, KhorK A. The effect of thermal barrier coated piston crown on engine characteristics [J]. J Mater Engi Perform, 2000, 9(1): 103-109.
[54] Goto T, Isobe R, Yamakawa M, etal. The new Mazda gasoline engine Skyactiv-G [J]. Auto Techn, 2011, 11(4):40-47.
[55] Nakata K. Future engine technology to realize sustainable society [C] // Int’l Summit on Breakout TechEngi Fuels, Tianjin, 2018.
[56]DOE.Co-optimization of fuels & engines for tomorrow's energy-efficient vehicles[R]. Golden: National Renewable Energy Lab, 2016.
[57] 蔣德明，黃佐華. 內燃機替代燃料燃燒學 [M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2007: 1-46.
JIANG Deming, HUANG Zuohua. Alternative fuel combustion in internal combustion engines [M]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University Press, 2007: 1- 46. (in Chinese)
[58] 韓志玉. 高性能天然氣發動機–現實的清潔低碳汽車動力[C] // 2017APAC/SAECCE ”汽車強國與低碳發展“(高層) 論壇, 上海, 2017.
HAN Zhiyu. High performance natural gas engine-Realistic clean low-carbon vehicle power [C] // 2017APAC/SAECCE “Powerful Nation in Automotive Industry and Low-Carbon Development (High-Level) Forum”, Shanghai,2017. (in Chinese)
[59] Mendl G, MangoldR, Rosenberger S. et al. The new audi 2.0l g-tron — Another step towards future sustainable mobility[C] // 38th International Vienna Motor Symposium, Vienna(Austria) 2017.
