面向未来的柴油机技术研究

C.WEISKIRCH T.KOCH R.REZAEI

柴油机因具有较高的效率，在工业领域中有着广泛应用。以人工智能或充钠制造为代表的新技术有助于降低燃油耗和CO2排放。在德国内燃机研究联合会的未来发展计划中，应针对柴油机进行更科学的研究，并实现技术转化。

柴油机;燃料;气体发动机

0 前言

自1956年创建以来，德国内燃机研究联合会长期致力于对柴油机技术的研究。其旗下的设计小组早已针对柴油机设立了相关研究项目。自2017年以来，相关研究人员均致力于该领域的研发工作。此类研发工作不仅体现在项目数量的显著增长上，而且也体现在柴油机应用领域的不断调整上。与其他动力机械相比，柴油机的功率仍处于持续增长状态，因此被重点应用于商用车、机械设备和固定式用途。柴油机在长期高负荷工况下的可靠性与经济性较好，并且研究人员通过使用全新的方案还能使柴油机取得更显著的技术进步。由德国内燃机研究联合会所开展的共同研究项目有助于提高中小型企业的技术水平。

项目的研究重点从充分了解燃烧过程等方面的问题逐步过渡到针对驱动系统在燃油耗和废气排放等方面的优化。试验研究的重点必须放在降低CO2排放目标上，以此可满足日趋严格的法规要求。因为该目标只有通过弃用化石燃料而实现，因此研究人员将动力装置与能源之间的相互关系作为重点研究课题。

1 人工智能技术的应用

以降低CO2排放而采用的全新技术通常有着昂贵的开发成本，而这些费用中很大一部分会花费在台架试验及整车测试认证等方面。商用车发动机或其他大型发动机必须经历较长时间的试验运行过程，以便能对长期稳定的废气排放状况作出正确的判断。由此，研究人员需要通过网络在线车辆和驱动装置的真实运行情况来获取更多的数据，包含了用于开发后续几代驱动装置的重要信息。研究人员为了能对大量数据进行快速评估，使用了人工智能领域的先进技术。

德国内燃机研究联合会启动了“开发工具链框架中的人工智能集成”研究项目，可用于混合动力汽车的柴油机进行方案验证。动力总成系统的瞬态排放特性是该项目面临的最大挑战，其中设置的算法对于自行强化学习过程起着重要作用，并且研究人员可在不同开发阶段使用该类算法。此外，在潜力分析框架中应用人工智能可对混合动力系统在运行中的适应性调整起到一定影响。

2 新的产品开发和制造方法

为实现量产而开展的系统优化过程总是受到系统部件生产可行性的限制，在该方面新开发的产品不仅须在技术层面上得以实现，同时需要有较好的应用可行性。例如三维（3D）打印等先进制造技术基本上能实现对构件造型的改良。由此提高的造型自由度不仅能有效改善内燃机的效率，而且还能适应新型燃料。这对于满足未来更为严苛的氮氧化物（NOx）和CO2排放限值具有重要意义。

使用先进制造方法的1个实例是由德国内燃机研究联合会所开展的“创新的高压燃烧过程设计”项目。该研究计划由3家研究所进行跨学科合作，合作的主要目的是进一步了解受活塞顶凹坑形状（图1）影响的燃烧过程。全新的充钠制造方法原则上为活塞结构设计提供了全新的自由度，这不仅涉及到对燃烧室凹坑造型的优化，而且涉及到活塞中冷却通道的设计方案。从2019年开始，研究人员在单缸试验发动机上试验了多种采用充钠制造方案的活塞几何形状，并以数字模拟方法对活塞几何形状进行了优化，而且还通过试验研究了全新设计的活塞顶凹坑几何造型对混合气形成及废气排放的优化程度。同样，研究人员也采用了数值和试验方法分析了充钠冷却通道对壁面温度、壁面热损失和燃油耗造成的影响。

3 使用不影響气候的燃料运行

在降低CO2排放的全球背景下，全社会期望逐步减少对传统化石能源的使用，个别商用车制造商甚至已设定了可完全不影响环保目标的方案。为了达到上述目标，内燃机可使用环境友好的燃料，并专门用于长途货物运输过程中。德国内燃机研究联合会在数年前就已加强了针对合成燃料与发动机的研究，研究人员在该领域对单一燃料及混合燃料均进行了研究[1]。

被称为绿色燃料的氢气几乎始终位于此类合成燃料生产链的顶端，并能借助于可再生能源而获取。出于该原因，德国内燃机研究联合会下的1个研究小组正致力于研究低温燃烧过程中氢与氧反应的基本原理[2]。

德国内燃机研究联合会在1个全新的研究项目中研究了氢能在柴油机中的应用潜力，其指导理念是应用惰性工作介质替代环境空气，与反应气体（氧和氢）一起在1个封闭的工作气体循环中实现活性流动（图2），从而就能避免在该过程中形成NOx排放。同时，该项目可用于分析燃烧过程，并选择合适的惰性介质。

4 技术沿用至气体发动机领域中

甲烷燃烧所排放出的CO2要明显低于汽油或柴油，而且合成甲烷过程中的转换损失要比生产氢气更低[3]，从而能使发动机的运行不对环境造成影响。气体发动机尽管采用外部点火的方式，但是其仍须与柴油机一样解决提高效率与降低排放之间的目标冲突。

根据近20年由德国内燃机研究联合会所开展的空气管路可变性研究项目，表明从柴油机到气体发动机的技术调整仍有一定技术可行性。在从2003年开始的1组项目中，研究人员对轿车发动机及商用车发动机进行了通过均质柴油燃烧以降低排放的试验研究。对于商用车而言，有必要采用可变压缩比，以便将均质柴油燃烧过程限制在可应用的范围内。与改变几何压缩比的技术相比，采用可变配气定时以改变热力学压缩比是1种更为有效的方法。其中，德国布伦瑞克工业大学的相关研究人员在2个互有交集的项目中研究了空气管路可变性在商用车发动机上的应用，从而对气门配气定时对效率和排放特性的影响有了进一步了解。研究人员从变化的边界条件及德国内燃机研究联合会的相关项目中获得了全新的研究方向，于是将研究重点从控制燃烧的技术逐步过渡到更有效的发动机热管理领域。

在从2019年初开始的第3个研究项目“商用车气体发动机空气管路可变性的潜力”中，研究人员就已研究了如何通过全可变气门机构提高以化学计量空燃比混合气运行的气体发动机的工作效率。通过试验台试验（图3）就能证实，米勒配气定时不仅能降低部分负荷工况范围内的节流损失，而且还能提高全负荷工况时的爆燃极限。除此之外，还对可变气门机构与废气再循环和喷水相结合的效果进行了试验研究，在理想情况下此类气体发动机即便采用化学计量空燃比，混合气燃烧过程也能达到与柴油机相近的效率，同时其CO2排放更低。

5 结论

由于气态和液态燃料的能量密度较高，在未来的一段时间内，内燃机仍能在交通运输领域中起到重要作用，但仍需进一步降低有害物排放并提高整机效率。在使用绿色氢气或合成燃料的条件下，可有效减少CO2排放，但考虑到较高的制造成本，对整个系统的优化已逐渐成为了研究的重点。研究人员通过使用人工 智能和充钠制造等新技术就能显著提高整机效率，同时再辅以高效燃烧和可变气门机构等先进技术，可使内燃机在未来数年内依然有着较好的应用前景。

[1]TUTSCH P.Forschung an der wechselwirkung von verbrennungskraftmaschine und kraftstoff[J]. MTZ，2018，79（1）：56.

[2]TUTSCH P.Industrielle gemeinschaftsforschung auf dem gebiet der brennstoffzelle[J]. MTZ，2017，78（9）：71.

[3]KRAMER U，ORTLOFF F，STOLLENWERK S.Defossilisierung des transportsektors： optionen und voraussetzungen in Deutschland[C]. FVV-Schriftenreihe R586， 2018.