燃燒科學(xué)與技術(shù)是人類最早認(rèn)識(shí)和利用的科學(xué)，至今燃燒仍然是把燃料轉(zhuǎn)換為動(dòng)力、電能和熱能從而驅(qū)動(dòng)車輛、機(jī)械、電機(jī)等作功.但是燃燒本身也產(chǎn)生溫室氣體(CO2)和對(duì)人類健康不利的有害排放氣體(PM/NOx/UHC)等.自20 世紀(jì)60 年代以來，伴隨著工業(yè)化快速發(fā)展，有害氣體排放受到人類的重視.自90 年代以來世界各國(guó)先后開始對(duì)燃燒裝置設(shè)定污染物排放法規(guī).20 世紀(jì)70 年代先后發(fā)生的兩次“能源危機(jī)”引起了世界經(jīng)濟(jì)和政治的動(dòng)蕩，甚至引發(fā)多起局部戰(zhàn)爭(zhēng).為此自20 世紀(jì)60 年代以來燃燒科學(xué)和技術(shù)受到極大的重視，再加上與之同時(shí)發(fā)生的激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的誕生為燃燒學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的平臺(tái)和手段.經(jīng)過30 多年的努力，燃燒科學(xué)和技術(shù)取得了巨大的成績(jī)，以內(nèi)燃機(jī)技術(shù)為例，“新一代內(nèi)燃機(jī)”是高效清潔燃燒技術(shù)、人工智能技術(shù)和電氣化技術(shù)緊密結(jié)合的綠色產(chǎn)業(yè).20 世紀(jì)90 年代中期，人們?cè)J(rèn)為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)有害排放物NOx和碳煙存在排放極限值.但是新一代內(nèi)燃機(jī)突破了這個(gè)極限，NOx排放從20 世紀(jì)90 年代初的11 g/(kW·h)，降到現(xiàn)在的0.02 g/(kW·h)，甚至更低.顆粒物排放降到百公里20 mg，而汽車剎車片每百公里產(chǎn)生的顆粒物是50 mg.相比之下，有些人比喻新一代內(nèi)燃機(jī)的排放在動(dòng)力機(jī)械各個(gè)系統(tǒng)中，達(dá)到了“可忽略影響的排放”水平(zero impact emission).

1 新一代內(nèi)燃機(jī)在提高熱效率(節(jié)能)方面達(dá)到了新的里程碑

在美國(guó)USCAR 主導(dǎo)下，2010 年召開了一次著名的學(xué)術(shù)會(huì)議，與會(huì)者在充分回顧和評(píng)價(jià)全世界多年基礎(chǔ)研究和技術(shù)進(jìn)步的成果，對(duì)內(nèi)燃機(jī)未來熱效率的發(fā)展?jié)摿M(jìn)行了科學(xué)的評(píng)價(jià)，提出“短期”(short term)熱效率可達(dá)60%，“中長(zhǎng)期”(long term)可能接近85%.高熱效率帶來低油耗和低CO2排放.在這方面我國(guó)內(nèi)燃機(jī)企業(yè)和科技工作者正在與世界同行展開激烈的技術(shù)競(jìng)賽.我國(guó)長(zhǎng)安汽車公司開發(fā)的新產(chǎn)品藍(lán)鯨汽油機(jī)，熱效率達(dá)到40%以上，與日本豐田公司在市場(chǎng)上并列前茅；美國(guó)橡樹嶺ORNL 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布在多缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了高達(dá)55%的熱效率；馬自達(dá)創(chuàng)馳藍(lán)擎汽油機(jī)的HCCI 燃燒技術(shù)，熱效率可達(dá)50%，我國(guó)濰柴動(dòng)力公司開發(fā)的卡車柴油機(jī)熱效率已超過50%(未應(yīng)用余熱利用技術(shù))，在商用卡車重型柴油機(jī)中屬佼佼者.我國(guó)研究人員提出了實(shí)現(xiàn)超過60%熱效率的“熱力學(xué)活性控制的均質(zhì)壓燃技術(shù)”，應(yīng)用該技術(shù)汽油機(jī)熱效率可提高到50%以上，進(jìn)一步減少CO2排放25%以上.

自本世紀(jì)之初，全球氣候變化使CO2減排成為全人類的共識(shí)，習(xí)近平總書記代表中國(guó)莊重宣布了我國(guó)“30 碳達(dá)峰”和“60 碳中和”的偉大目標(biāo).

然而，即使內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)得到極大的優(yōu)化，但是隨著人類社會(huì)對(duì)空氣質(zhì)量和溫室氣體排放關(guān)注度普遍增加，電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等新型動(dòng)力技術(shù)得到世界各國(guó)政府以及汽車公司的高度重視.歐洲的一些政客和新聞界人士呼吁從城市內(nèi)部交通中淘汰內(nèi)燃機(jī)，以及將風(fēng)能和太陽能用作主要能源.但是，現(xiàn)實(shí)和希望仍有很大差距.盡管風(fēng)能和太陽能技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，但是可再生能源的應(yīng)用仍面臨著諸如“并網(wǎng)和儲(chǔ)能”等技術(shù)問題.正如國(guó)際汽車學(xué)術(shù)界和工業(yè)界指出的，汽車產(chǎn)業(yè)不可能發(fā)生類似電子信息產(chǎn)業(yè)那樣，存在短期跨越式發(fā)展.可再生能源汽車的普及將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，在尋找新能源和可替代動(dòng)力機(jī)械的同時(shí)，內(nèi)燃機(jī)將一如既往地受到廣泛關(guān)注和重視.特別是對(duì)于商用車、工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、內(nèi)河和海上運(yùn)輸以及軍事動(dòng)力機(jī)械等發(fā)動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)矩、功率、能耗和耐久性等方面尚沒有可以替代的動(dòng)力裝置.據(jù)交通運(yùn)輸部門的統(tǒng)計(jì)，近5 年，公路運(yùn)輸占全國(guó)總貨運(yùn)量的70%以上，客運(yùn)總量的80%.每年柴油機(jī)消耗的石油約占我國(guó)石油總消耗的三分之一.不言而喻，在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)仍然是我國(guó)重要的基礎(chǔ)工業(yè)，內(nèi)燃機(jī)仍在汽車及各類動(dòng)力裝置中占支配地位.重視和持續(xù)發(fā)展高效清潔的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的長(zhǎng)期需要.

燃?xì)廨啓C(jī)在過去的20 年里在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的貢獻(xiàn)引人注目，由于燃?xì)廨啓C(jī)具有高功率密度的優(yōu)勢(shì)，不僅在艦船中的應(yīng)用大幅增加，而且隨著我國(guó)石油天然氣管網(wǎng)建設(shè)，燃?xì)廨啓C(jī)作為中間加能站點(diǎn)的關(guān)鍵設(shè)備倍受歡迎.與此同時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)的節(jié)能和減排也必將提上日程，為燃?xì)廨啓C(jī)科技工作者提出了更高的要求.

2 動(dòng)力機(jī)械燃燒技術(shù)的需求和展望

動(dòng)力機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的根本問題是，第一降低化石燃料的消耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的能源利用率，減少二氧化碳排放，節(jié)約化石能源.第二進(jìn)一步減少有害排放，特別是減少實(shí)際道路，實(shí)際運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)的有害排放，進(jìn)一步減少對(duì)大氣環(huán)境的污染，保護(hù)人類健康.

直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒

直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒是噴霧的燃燒，噴霧特性對(duì)噴霧的燃燒路徑產(chǎn)生最直接的影響.著名的φ-T 圖(Kamimoto 和Kitamura 等)揭示了噴霧燃燒過程中，噴霧的當(dāng)量比分布對(duì)燃燒速度和釋放溫度的影響，進(jìn)而預(yù)測(cè)了燃燒產(chǎn)物的成分，這個(gè)發(fā)現(xiàn)的重大意義在于它提示我們使燃料噴霧“逼近”稀的均質(zhì)壓燃燃燒(lean HCCI)有可能是最高效、最清潔的燃燒模式.因?yàn)長(zhǎng)HCCI 燃燒模式可以剔除任何產(chǎn)生碳煙和氮氧化物的條件，可以控制著火相位，可以控制燃燒速度，可以具有最合理的燃燒持續(xù)時(shí)間.各種形式的燃料噴霧的高效清潔燃燒，歸根結(jié)底在于實(shí)現(xiàn)理想的噴霧特性，在我們的研究中，將理想的噴霧特性歸結(jié)為噴霧中稀混合氣(1≥φ≥0)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)大于50%.

追求“理想噴霧特性”應(yīng)當(dāng)是直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)，包括燃?xì)廨啓C(jī)燃燒科學(xué)和技術(shù)的核心問題。

火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒

從提高熱效率的角度來看，包括汽油和天然氣在內(nèi)的高辛烷值燃料的燃燒，“壓燃”已經(jīng)證明是一條重要的選擇.壓燃消除了火花形成過程中難以避免的循環(huán)變動(dòng)，對(duì)提高效率和降低排放具有優(yōu)勢(shì)，火花點(diǎn)火燃燒無可比擬.我們的研究證明，高辛烷值壓燃燃燒過程不依賴火焰的傳播，而是容積式的傳播，燃燒速度顯著提高.設(shè)想如果燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ゲ皇且蕾囃牧?，而是容積式的擴(kuò)展，熱效率將有顯著的提高.

發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)燃燒過程控制技術(shù)(RDE 技術(shù))

實(shí)驗(yàn)室中執(zhí)行的各類內(nèi)燃機(jī)排放法規(guī)，本意都希望最大限度地代表實(shí)際運(yùn)行中的內(nèi)燃機(jī)排放.但是由于受到內(nèi)燃機(jī)技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的限制，自20 世紀(jì)90 年代初啟動(dòng)排放法規(guī)以來，世界各國(guó)對(duì)排放法規(guī)的測(cè)試循環(huán)和檢測(cè)儀器都在不斷地改進(jìn).直到2010 年代中葉，隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，在歐洲和美國(guó)開始醞釀實(shí)際道路的排放法規(guī)，開始進(jìn)行相關(guān)研究.

實(shí)際道路和實(shí)際運(yùn)行排放法規(guī)(RDE)，本質(zhì)上是瞬態(tài)燃燒過程，包括低溫、高海拔環(huán)境下瞬態(tài)燃燒過程的排放控制問題.RDE 核心技術(shù)就在于內(nèi)燃機(jī)必須具備游刃有余的瞬態(tài)控制能力，并確保內(nèi)燃機(jī)排放在可能的道路環(huán)境下均不超標(biāo)，且有強(qiáng)勁的動(dòng)力和節(jié)油特性.這是內(nèi)燃機(jī)排放控制的新課題，是新時(shí)代對(duì)大氣環(huán)境保護(hù)的新要求.

燃?xì)廨啓C(jī)瞬態(tài)燃燒和變工況燃燒也有類似的科學(xué)和技術(shù)問題.實(shí)際上燃?xì)廨啓C(jī)瞬態(tài)和動(dòng)態(tài)工況一直是制約其性能的掣肘，造成效率降低，排放增加，甚至熄火失控.

從熱力循環(huán)的角度，也有許多需要探索之處，包括可變壓縮比，可變氣門機(jī)構(gòu)，可變噴油規(guī)律等等.

總之，可再生能源或可控新能源取代化石能源將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，是一個(gè)各類科學(xué)和技術(shù)不斷萌生和演化進(jìn)步的過程.在此之前，燃燒始終是生產(chǎn)動(dòng)力的基本途徑.燃燒科學(xué)和技術(shù)將在碳達(dá)峰和碳中和的道路上發(fā)揮關(guān)鍵的作用，燃燒科學(xué)和技術(shù)工作者任重道遠(yuǎn).