序

燃烧科学与技术是人类最早认识和利用的科学，至今燃烧仍然是把燃料转换为动力、电能和热能从而驱动车辆、机械、电机等作功.但是燃烧本身也产生温室气体(CO2)和对人类健康不利的有害排放气体(PM/NOx/UHC)等.自20 世纪60 年代以来，伴随着工业化快速发展，有害气体排放受到人类的重视.自90 年代以来世界各国先后开始对燃烧装置设定污染物排放法规.20 世纪70 年代先后发生的两次“能源危机”引起了世界经济和政治的动荡，甚至引发多起局部战争.为此自20 世纪60 年代以来燃烧科学和技术受到极大的重视，再加上与之同时发生的激光技术和计算机技术的诞生为燃烧学的发展创造了前所未有的平台和手段.经过30 多年的努力，燃烧科学和技术取得了巨大的成绩，以内燃机技术为例，“新一代内燃机”是高效清洁燃烧技术、人工智能技术和电气化技术紧密结合的绿色产业.20 世纪90 年代中期，人们曾认为传统内燃机有害排放物NOx和碳烟存在排放极限值.但是新一代内燃机突破了这个极限，NOx排放从20 世纪90 年代初的11 g/(kW·h)，降到现在的0.02 g/(kW·h)，甚至更低.颗粒物排放降到百公里20 mg，而汽车刹车片每百公里产生的颗粒物是50 mg.相比之下，有些人比喻新一代内燃机的排放在动力机械各个系统中，达到了“可忽略影响的排放”水平(zero impact emission).

1 新一代内燃机在提高热效率(节能)方面达到了新的里程碑

在美国USCAR 主导下，2010 年召开了一次著名的学术会议，与会者在充分回顾和评价全世界多年基础研究和技术进步的成果，对内燃机未来热效率的发展潜力进行了科学的评价，提出“短期”(short term)热效率可达60%，“中长期”(long term)可能接近85%.高热效率带来低油耗和低CO2排放.在这方面我国内燃机企业和科技工作者正在与世界同行展开激烈的技术竞赛.我国长安汽车公司开发的新产品蓝鲸汽油机，热效率达到40%以上，与日本丰田公司在市场上并列前茅；美国橡树岭ORNL 国家实验室宣布在多缸试验发动机上实现了高达55%的热效率；马自达创驰蓝擎汽油机的HCCI 燃烧技术，热效率可达50%，我国潍柴动力公司开发的卡车柴油机热效率已超过50%(未应用余热利用技术)，在商用卡车重型柴油机中属佼佼者.我国研究人员提出了实现超过60%热效率的“热力学活性控制的均质压燃技术”，应用该技术汽油机热效率可提高到50%以上，进一步减少CO2排放25%以上.

自本世纪之初，全球气候变化使CO2减排成为全人类的共识，习近平总书记代表中国庄重宣布了我国“30 碳达峰”和“60 碳中和”的伟大目标.

然而，即使内燃机已经得到极大的优化，但是随着人类社会对空气质量和温室气体排放关注度普遍增加，电动汽车、燃料电池汽车等新型动力技术得到世界各国政府以及汽车公司的高度重视.欧洲的一些政客和新闻界人士呼吁从城市内部交通中淘汰内燃机，以及将风能和太阳能用作主要能源.但是，现实和希望仍有很大差距.尽管风能和太阳能技术取得了显著进步，但是可再生能源的应用仍面临着诸如“并网和储能”等技术问题.正如国际汽车学术界和工业界指出的，汽车产业不可能发生类似电子信息产业那样，存在短期跨越式发展.可再生能源汽车的普及将是一个漫长的过程，在寻找新能源和可替代动力机械的同时，内燃机将一如既往地受到广泛关注和重视.特别是对于商用车、工程机械、农用机械、内河和海上运输以及军事动力机械等发动机，在转矩、功率、能耗和耐久性等方面尚没有可以替代的动力装置.据交通运输部门的统计，近5 年，公路运输占全国总货运量的70%以上，客运总量的80%.每年柴油机消耗的石油约占我国石油总消耗的三分之一.不言而喻，在未来相当长的一段时间内，内燃机仍然是我国重要的基础工业，内燃机仍在汽车及各类动力装置中占支配地位.重视和持续发展高效清洁的内燃机技术是国民经济和社会发展的长期需要.

燃气轮机在过去的20 年里在国民经济中的贡献引人注目，由于燃气轮机具有高功率密度的优势，不仅在舰船中的应用大幅增加，而且随着我国石油天然气管网建设，燃气轮机作为中间加能站点的关键设备倍受欢迎.与此同时燃气轮机的节能和减排也必将提上日程，为燃气轮机科技工作者提出了更高的要求.

2 动力机械燃烧技术的需求和展望

动力机械发动机燃烧技术的根本问题是，第一降低化石燃料的消耗，提高发动机的能源利用率，减少二氧化碳排放，节约化石能源.第二进一步减少有害排放，特别是减少实际道路，实际运行中发动机的有害排放，进一步减少对大气环境的污染，保护人类健康.

直喷式发动机的燃烧

直喷式发动机的燃烧是喷雾的燃烧，喷雾特性对喷雾的燃烧路径产生最直接的影响.著名的φ-T 图(Kamimoto 和Kitamura 等)揭示了喷雾燃烧过程中，喷雾的当量比分布对燃烧速度和释放温度的影响，进而预测了燃烧产物的成分，这个发现的重大意义在于它提示我们使燃料喷雾“逼近”稀的均质压燃燃烧(lean HCCI)有可能是最高效、最清洁的燃烧模式.因为LHCCI 燃烧模式可以剔除任何产生碳烟和氮氧化物的条件，可以控制着火相位，可以控制燃烧速度，可以具有最合理的燃烧持续时间.各种形式的燃料喷雾的高效清洁燃烧，归根结底在于实现理想的喷雾特性，在我们的研究中，将理想的喷雾特性归结为喷雾中稀混合气(1≥φ≥0)的质量分数应当大于50%.

追求“理想喷雾特性”应当是直喷式发动机，包括燃气轮机燃烧科学和技术的核心问题。

火花点火发动机燃烧

从提高热效率的角度来看，包括汽油和天然气在内的高辛烷值燃料的燃烧，“压燃”已经证明是一条重要的选择.压燃消除了火花形成过程中难以避免的循环变动，对提高效率和降低排放具有优势，火花点火燃烧无可比拟.我们的研究证明，高辛烷值压燃燃烧过程不依赖火焰的传播，而是容积式的传播，燃烧速度显著提高.设想如果燃气轮机燃烧室内的火焰传播不是依赖湍流，而是容积式的扩展，热效率将有显著的提高.

发动机瞬态燃烧过程控制技术(RDE 技术)

实验室中执行的各类内燃机排放法规，本意都希望最大限度地代表实际运行中的内燃机排放.但是由于受到内燃机技术和检测技术的限制，自20 世纪90 年代初启动排放法规以来，世界各国对排放法规的测试循环和检测仪器都在不断地改进.直到2010 年代中叶，随着内燃机技术的进步，在欧洲和美国开始酝酿实际道路的排放法规，开始进行相关研究.

实际道路和实际运行排放法规(RDE)，本质上是瞬态燃烧过程，包括低温、高海拔环境下瞬态燃烧过程的排放控制问题.RDE 核心技术就在于内燃机必须具备游刃有余的瞬态控制能力，并确保内燃机排放在可能的道路环境下均不超标，且有强劲的动力和节油特性.这是内燃机排放控制的新课题，是新时代对大气环境保护的新要求.

燃气轮机瞬态燃烧和变工况燃烧也有类似的科学和技术问题.实际上燃气轮机瞬态和动态工况一直是制约其性能的掣肘，造成效率降低，排放增加，甚至熄火失控.

从热力循环的角度，也有许多需要探索之处，包括可变压缩比，可变气门机构，可变喷油规律等等.

总之，可再生能源或可控新能源取代化石能源将是一个漫长的过程，是一个各类科学和技术不断萌生和演化进步的过程.在此之前，燃烧始终是生产动力的基本途径.燃烧科学和技术将在碳达峰和碳中和的道路上发挥关键的作用，燃烧科学和技术工作者任重道远.