内燃机节能减排技术及未来发展趋势研究

2022-01-04吴志海涂宇罗斐谭延晖刘琛

邵阳学院学报（自然科学版） 2021年6期

吴志海，涂宇，罗斐，谭延晖，刘琛

(1.长沙轨道交通运营有限公司，湖南长沙，410000；2.湖南交通工程学院湖南衡阳，421009)

据统计,2020年上半年我国机动车保有量达3.6亿辆[1]，较去年持续增长。这一现状带来的汽车尾气污染也日益严重。对此，环境保护部、国家质检总局出台了国家第六阶段机动车污染物排放标准。面对严格的燃料消耗量和污染物排放标准，节能减排技术仍是研究热点。内燃机通过改善燃烧方式、采用清洁的石油燃料和电控喷射等方式达到节能的目的。但是，要应对现有的排放标准仍然是不够的。随着车辆智能化和网联化的不断深入，从全生命周期碳排放考虑，内燃机也需要有多元化动力系统的有效组合来满足市场多样化的出行需求。

本文将针对内燃机优化燃烧、改善进气、优化发动机能量管理、减磨技术等提升发动机热效率；从电气化技术相结合的混合动力系统稳步发展、智能化决策动力系统匹配以及新型燃料多元化3个主要方面展开综述分析。同时，结合现有的研究对未来的发展趋势进行总结。

1 内燃机热效率提升技术

内燃机热效率较大地影响着车辆的整体性能。为了更好地分析热效率提升技术，图1中综述了能量损失和主要影响因素。主要通过进气效率、燃烧技术和停缸技术3个方面提升内燃机热效率，将影响因素的比例降低。

1.1 进气技术

内燃机进气技术作为影响内燃机节能减排的源头，从结构、燃料形式、预测算法多个层面开展了研究。VVT(可变气门正时)和VVL(可变气门升程)技术经过多年发展，已经广泛应用于汽车内燃机上，但传统技术无法满足新的油耗和排放标准。因此，平银生等[2]引入了上汽集团自主研发的两级智能可变气门升程(I-VVL)系统，提高了进气效率。周斌等[3]根据VVT系统中比例电磁阀开启响应特性的机理及规律,对现有的比例电磁阀进行优化设计。除此之外，增压技术可以有效弥补进气不足。冷却的EGR(废气再循环)可以减少部分泵气导致的热量损失，提高内燃机热效率，并可降低排放物中NOx含量。这些技术的实施依赖于进气流量的精准预测，对控制进排气压差和空燃比有比较重要的意义。徐东辉等[4]提出一种混沌时序BP神经网络预测模型，能够实时准确估计汽油机进气流量。

图1 内燃机热损失及其影响因素Fig.1 Heat loss of an internal combustion engine and its influencing factors

1.2 燃烧技术

内燃机的燃烧理论与技术研究主要包括火花塞点火(SI)、压燃(CI)、预混充量压燃(PCCI)、反应性控制压燃(RCCI)、均质压燃(HCCI)等，其燃烧形式见图2。内燃机燃料燃烧的好坏直接影响动力输出效率和污染物排放水平。与传统内燃机相比，HCCI发动机具有优越的燃油经济性。MORTEZA等[5]综述了HCCI发动机逐循环燃烧控制的建模和控制器设计体系。不同燃料对HCCI的要求也不一样。耿鹤鸣等[6]研究了正庚烷在HCCI燃烧过程中，当量比与压缩比对高温/低温阶段反应始点、2个过程损失效率比例及指示效率的影响。陈光辉等[7]针对自由活塞柴油直线发电机 HCCI 燃烧过程，建立了耦合柴油化学反应机理的CFD模型。AN等[8]采用HCCI向部分预混燃烧(PPC)燃烧过渡的火焰指数方法，研究了低辛烷值燃料的缸内燃烧。为了提高内燃机均质稀薄燃烧的空燃比极限，蔡文远等[9]发现通过高能点火可以提高汽油机的燃烧速度，试验证明，比普通火花点火指示燃油消耗率更高，NOx原始排放更低。

图2 内燃机燃烧形式Fig.2 Combustion form of an internal combustion engine

1.3 停缸技术

内燃机在城市循环工况下运转，大多数时候处于低负荷状态，对动力输出的需求较低，节气门开度较小，造成内燃机功率损失较大。而停缸(CDA)技术可以使内燃机在低负荷状态下停止部分汽缸工作，在保证相同的功率输出条件下，达到节能减排的目的。实现CDA控制策略通常分为3类：停止部分气缸供油(断油)；将工作缸的废气引入到断油气缸中，气门正常工作；同时实现停止气缸供油和气门运动。解方喜等[10]分析了气缸停止时，气门在压缩上止点前30°CA关闭可使内燃机获得较佳的燃油经济性效果。邵强等[11]提出在发动机停缸前的若干循环内，预先对进气、喷油以及点火进行提前调整，可以较好地抑制停缸模式切换过程产生的输出扭矩波动。魏子清等[12]提出一种基于断油回流策略的内燃机停缸模式，该模式可以使进气系统自由切换为新鲜混合气供给或废气回流两种形式，同时，电控单元给指定的气缸断油和点火。王凌峰等[13]通过试验验证第3种停缸策略燃油经济性比前2种效果更好。

传统的停缸技术往往是机械执行操作，没有考虑驾驶性能、动力系统振动以及NVH等，因此，停缸算法必须在减少排放目标与驾驶性能之间取得平衡。CORNO等[14]提出了一种马尔可夫链自学习算法预测未来的燃油消耗，并在此基础上确定了最佳的油缸配置。ZHAO等[15]提出了一种基于双进气歧管的四缸SI发动机CDA方法，在全缸模式下的燃油经济性也提高了0.68%～2.95%。钱国刚等[16]基于动态跳跃点火(DSF)，使内燃机的每一个气缸都可以动态地执行停缸操作。在兼顾NVH的同时，其控制逻辑赋予了内燃机更广泛的停缸范围，节能减排优于传统停缸技术。停缸技术在未来应该结合车辆运行工况和驾驶员的个性化行为研究控制策略。

2 内燃机电气化技术

近年来，随着动力传动系统的电气化，内燃机的形式、方向和性能发生较大的变化。传统内燃机在自身附件电气化的基础上与不同功率、不同拓扑结构的电机耦合，让内燃机更多地工作在低比油耗的经济区域，见图3。

图3 内燃机电气化方向Fig.3 Electrification direction of an internal combustion engine

2.1内燃机附件电气化

随着车辆电气化程度的不断加深，电子节温器、可变排量油泵、电子水泵、智能发电机、集成化排气歧管、电子节温器等一系列附件实现电气化以提高内燃机控制精度。与此同时，传统增压器难以解决内燃机全工况匹配问题，而电子增压器能较大提高部分负荷时的废气再循环能力。GERADA等[17]根据电动辅助涡轮增压(EAT)及其电机选型的要求和挑战，对多种电机进行比对，得出感应电机的适用性更强。还有研究通过将电机和传统涡轮增压器集成的机电复合增压技术，实现内燃机与涡轮增压器运行的部分解耦甚至完全解耦，从本质上解决传统涡轮增压器难以全工况匹配的问题[18]。

除了内燃机基本附件电气化之外，48 V轻混系统是当前汽车产业的研究热点。48 V轻混系统研究更多的是关注逆变器设计、控制算法开发、能量管理策略和电机驱动等方面。WEARING等[19]提出一种适用于双离合变速器(DCT)的大功率(20～25 kW)48 V电机及其逆变器。SEONG等[20]提出了一种针对48 V轻混启动器-发电机(MHSG)逆变器电源模块的改进封装设计。SHIN等[21]针对外界负荷动态变化提出了一种基于缸内压力的48 V MHSG控制策略。

2.2 插电式混合动力汽车(PHEV)

插电式混合动力汽车(PHEV)结合了传统燃油车和纯电动汽车优点，采用2种以上的能量驱动。在PHEV工作过程中，重点研究如何获取最优的能量管理策略分配动力系统能量流动，合理利用内燃机和电机之间耦合优势，获得整车最佳性能。现有能量管理策略算法主要包括基于规则、瞬时优化和全局优化。杨超等[22]提出一种烟花算法并结合车辆系统约束条件，对能量管理策略参数进行优化，以满足实时变化的城市路况下能耗最低。秦大同等[23]提出一种多模式逻辑规则能量管理策略，利用等效油耗和电池寿命衰减的多目标改进遗传算法对控制参数进行优化。基于规则的方法适应性较差，控制效率相对不高。刘灵芝等[24]提出了一种最优 SOC 轨迹跟随的自适应等效燃油最小策略，利用BP神经网络工况识别模型，改善燃油经济性并保证电池电量均衡。

传统的能量管理重视控制策略。YANG等[25]结合大量实际行驶工况数据，提出一种基于快速滚动优化的PHEV随机预测能量管理策略。在实际行驶工况下，与等效最小油耗相比，所提策略的燃油经济性提高了4.6%。XIE等[26]提出了一种新的集成模型预测控制方法，能够规划电池荷电状态(SOC)和车辆速度轨迹，以提高燃油经济性和驾驶安全性。ZHANG等[27]提出一种多能源混合动力汽车的综合电源管理方案，通过对速度进行预测，并应用动态规划算法对控制策略进行相应的优化。优化算法、智能交通系统(ITS)、智能电网、智慧城市和其他网络物理系统的发展必将为PHEV能量管理策略研究提供较大的动力。

2.3 增程式电动汽车(EREV)

增程式电动汽车(EREV)与PHEV不同，EREV是在纯电动汽车的基础上加装1台小型内燃机，并且与发电机串联集成后共同组成增程器。EREV多了1个转换过程，转换本身要消耗能量，是与PHEV一样的能量管理策略，是整车控制的核心，它直接影响到车辆动力性和经济性。张昕等[28]提出一种3工作点控制策略和基于转速切换的功率跟随控制策略，有效减小内燃机转速的频繁波动，同时显著提高了燃油经济性。席利贺等[29]提出了一种动态规划改进能量管理优化算法，利用最小二乘法对增程器功率分流比与驱动电机需求功率的分布规律进行拟合。这些研究大都是基于离线规则优化，没根据车辆状态实时变化调整能量管理策略参数。YANG等[30]提出一种改进的射击算法，根据车辆的动力配置参数确定等效因子的范围，基于汽车导航和地理位置信息系统，定期更新等效因子，实现电池荷电状态(SOC)的有效维护，从而获得最优的功率分配。与基于规则和功率跟随控制策略进行了比较，具有较好的燃油经济性、实时性和适应性。

EREV各种储能技术的研究也需要突破，如电池、超级电容(UC)、飞轮、燃料电池、太阳能和混合动力电源(HPS)等。REN等[31]以超级电容和电池混合电源为研究对象，采用超级电容器串并切换技术来实现混合电源变电压输出，使电源转换器的电压转换比控制在一个高效的范围内。EREV常规储能系统的功率分配难以满足车辆多种工况下的高效需求，能量利用率仍处于较低的水平。RIZOUG等[32]提出一种混合储能系统新管理策略来处理嵌入式电源的大小，不仅可以延长电池寿命，而且可以实现成本的降低和电动车辆性能的优化。

3 内燃机燃料多元化

随着化石燃料的不断减少、排放标准的日益严格，燃料多元化是内燃机产业发展的必然趋势。天然气、甲醇、乙醇、氢燃料等一系列可再生能源可以降低燃烧后CO2的排放和有毒气体的产生。

3.1 天然气燃料

天然气作为汽车替代燃料之一，对内燃机性能优化有较大的影响。天然气内燃机性能优化需要考虑的参数主要包括压缩比、燃油喷射正时和持续时间、贫化燃烧、燃油分层、点火正时及能量控制加入更多可燃燃料形成混合气等。为研究预燃室式天然气内燃机燃烧和排放的影响。冷先银等[33]发现在预燃室内用10%的掺氢比对内燃机性能和排放较为有利。LI等[34]基于三维模型，结合双燃料化学动力学机理，将部分预混燃烧模式应用于直喷天然气发动机。结果表明，在不降低热效率的前提下，天然气预喷比例、天然气预喷时间和EGR配合，大幅降低煤烟和CO排放。YOUSEFI等[35]研究了恒定燃料总能量下天然气能量分数和柴油喷射正时对燃烧性能和排放的影响。

天然气发动机的功率输出比汽油发动机低，可能会产生更多的未燃烧燃料，导致较高的NOx排放。天然气与其他燃料构成的双燃料内燃机可以克服这些不足，所以，需要对喷射参数、运行参数和燃烧室结构参数进行多目标协同优化研究。刘杰等[36]建立了柴油与天然气双燃料发动机复合燃烧模型，用Pareto寻求内燃机运行参数最优解。SINGH等[37]提出了在节气门全开下以固定和可变点火正时变化的各种汽油与天然气比率优化发动机校准，在更宽的运行条件范围内改变汽油与天然气比率。CHEN等[38]通过双燃料内燃机试验，添加醇类燃料(甲醇、乙醇和正丁醇)对天然气内燃机燃烧特性和性能的影响。除了内燃机参数优化外，还根据燃料特性设计新发动机对现有发动机进行调整和改造，以适应单独模式或双燃料模式下压缩天然气的需求。因此，喷射正时可以随着喷油器的设计而变化。

3.2 甲醇燃料

甲醇燃料不含硫，不排放颗粒物，可生物降解，其燃料安全性又高于汽油和柴油，制备过程绿色环保。其次，甲醇燃料来源广泛，可以通过煤炭、天然气、焦炉煤气等来制备。尽管使用甲醇作为内燃机燃料有诸多好处，但是仍存在许多技术难点亟待解决，比如车辆冷启动时，甲醇气化困难，混合气燃料浓度低。付建勤等[39]用内燃机排出的废气余热气化甲醇，增压后，动力性和经济性较原汽油机和甲醇蒸汽发动机都有较大提高。GONG等[40]模拟了5种全局当量比和3种高压缩比下的分层充气直喷火花点火式甲醇发动机的混合气形成，燃烧和排放特性，以评估其超稀薄燃烧特性。甲醇燃料还常常和其他燃料混合，其中甲醇作为主燃料。研究中，可以将甲醇与汽油、柴油、乙醇、氢气等2种或者多种混合气以提高整车经济性。GONG等[41]采用氢气喷嘴喷射-甲醇直喷燃料供给系统，研究了甲醇后喷策略下的动力、燃烧和排放性能。

甲醇燃料作为内燃机燃料也比较理想。GOOR等[42]提出一种低成本、新型的直接甲醇燃料电池(DMFC)，通过液体燃料快速充电，流场的优化设计使流场在80 ℃下的最大功率密度为181 mW/cm2，最小空气压力为5.05 KPa。但是目前困扰DMFC应用的重大难题主要有甲醇的渗透、质量传输、催化剂的选取、水管理、热管理以及耐久性等。邓光荣等[43]利用建立的电池内甲醇物料守恒和热守恒方程，确定基于电量和温度这2个参数的甲醇浓度控制策略。对于催化剂来说，研究者们热衷于采用铂基催化剂等贵金属，因基于他们的催化效果明显。为了在较好的动力学条件下降低催化剂成本，非贵金属催化剂研究是未来的方向。与DMFC操作温度相关的挑战是选择甲醇浓度、电流密度、环境温度、空气湿度、电池取向、膜厚度、电池设计等，这些都影响电池性能。

3.3 其他可再生燃料

除了前面2种燃料之外，研究者们针对内燃机还研究了许多可再生能源，如氢燃料、柴油、植物油等。目前的氢气作为混合能源，可以进一步提高压缩比，从而提高发动机的效率和性能。但氢气制备和运输、供应、储存环节还存在较大的困难。使用废弃植物油作为燃料对减少化石燃料的利用比较有效[44]。废气植物油直接用于能源转换系统可以降低对柴油的依赖。

沼气作为一种可再生燃料，近年来受到了广泛的关注。研究表明，沼气大规模应用的主要挑战是其成分具有不稳定性，需要验证沼气中多种成分的详细化学动力学和简化化学动力学模型[45]。在内燃机应用中，在沼气中加入一定比例的H2可以改善燃烧性能。双燃料模式下的沼气应用是促进沼气高效利用的一个有力途径。

乙醇因具有辛烷值高、抗爆性好、含氧量高、燃烧特性好等特点被考虑为替代能源。乙醇燃料作为生物能源，制备来源广泛。陈亮等[46]通过工业酿酒过程中采用的酵母菌为发酵菌株，对玉米秸秆纤维素水解液进行发酵制备乙醇，为大规模制备乙醇燃料提供有利条件。