編者按：
近年來隨著節(jié)能減排成為能源動力產(chǎn)業(yè)乃至整個人類社會的主題之一，對于內(nèi)燃機增加溫室氣體排放的指責甚囂塵上，排放造假的丑聞也使內(nèi)燃機的聲譽受到了嚴峻的挑戰(zhàn)。內(nèi)燃機的替代技術(shù)的發(fā)展以及包括碳中性燃料在內(nèi)的替代燃料的研究使得內(nèi)燃機的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機遇。在當今世界光怪陸離的迷霧中，內(nèi)燃機的未來又將何去何從？相信這篇文章能夠給讀者提供一個參考。
同濟智能汽車研究所

摘要：使用化石燃料的內(nèi)燃機提供了世界上約25%的功率（如圖1所示），與此同時，它們也產(chǎn)生了世界上10%的溫室氣體排放（詳見圖2）。節(jié)能減排是內(nèi)燃機研發(fā)人員多年以來的目標，這可以在過去二十年間發(fā)表在《國際發(fā)動機研究雜志》(International Journal of Engine Research, IJER)上突破性的論文中看出。迄今做出的主要改進已經(jīng)使內(nèi)燃機成為一個技術(shù)上的奇跡。然而最近內(nèi)燃機的聲譽因為排放造假丑聞受到了嚴峻的挑戰(zhàn)，內(nèi)燃機技術(shù)能否對交通運輸減排做出顯著而又深遠的貢獻，這一點也受到了質(zhì)疑。作為響應，已有多個提議希望以電驅(qū)動代替車輛中的內(nèi)燃機，藉此進一步降低油耗與污染物排放，并減少溫室氣體的排放。

事實上，由于大眾媒體對于內(nèi)燃機增加溫室氣體排放的過分指責，一些有潛質(zhì)的學生及研究人員被勸阻從事內(nèi)燃機領(lǐng)域研究。失去了具有工作熱情與專業(yè)知識技能的工程師的不斷補充，進一步改進內(nèi)燃機能帶來的收益將無從表現(xiàn)。作為負責任的汽車工程師，同時也為下一代的生活環(huán)境著想，我們應當對上一個世紀內(nèi)燃機的發(fā)展做出誠實的評估，這其中應當考慮到內(nèi)燃機的廣泛使用滿足的出行與供能需求。同時，內(nèi)燃機技術(shù)的成熟度是許多其它技術(shù)或新方案無法比擬的，我們也要評估內(nèi)燃機技術(shù)與其它競爭技術(shù)未來的發(fā)展與效益，以此對未來的發(fā)展方向提出負責的建議。

本文討論了影響未來發(fā)展的一些因素，包括：
可負擔的能源極大地提高了世界各國尤其是貧窮國家的生活水平，而且迄今為止，在人類歷史上，燃燒化石燃料或生物衍生燃料一直是唯一可靠的能量來源；
整個地球通過龐大的運輸基礎(chǔ)設施連接，這些設施大都由內(nèi)燃機驅(qū)動，因此替換內(nèi)燃機需要耗費數(shù)十年時間以及巨大的更換費用；
在過去幾十年中內(nèi)燃機技術(shù)的顯著進步已將污染物排放水平降低到了千分之一以下，現(xiàn)今在內(nèi)燃機車或是純電動車中輪胎及制動器產(chǎn)生的顆粒物排放都比內(nèi)燃機排放嚴重；
替代內(nèi)燃機的提議仍然面臨一系列障礙，例如電池供能的純電動車，它們成本高昂，質(zhì)量較大且具有一些局限性，而希望用于供能的可再生能源如風能、太陽能，目前也僅占世界能源結(jié)構(gòu)的極小部分；
即使需要公正地評估內(nèi)燃機，其對氣候變化的影響也已經(jīng)在政治上引起關(guān)注，需要有綜合信息與數(shù)據(jù)的科學政策，以促進向可持續(xù)的未來能源系統(tǒng)的可控而又現(xiàn)實的過渡。

包括IJER編輯委員會成員在內(nèi)的絕大多數(shù)汽車工程師都對內(nèi)燃機滿足全球出行與需求的持續(xù)重要性持樂觀態(tài)度。當然，探索新的競爭性發(fā)動機技術(shù)以及新燃料對地球的可持續(xù)未來至關(guān)重要。本文中不可避免的結(jié)論是，在可預見的未來，公路和非公路運輸將以多種解決方案為特征，這些解決方案涉及內(nèi)燃機、電池和混合動力總成以及內(nèi)燃機驅(qū)動的傳統(tǒng)車。因此，迫切需要吸引優(yōu)秀的年輕人來從事這項研究。

1. 為什么選擇內(nèi)燃機

貨物和人員的運輸對現(xiàn)代社會至關(guān)重要。目前，由于液體燃油的巨大供應量，便利性和可負擔性，交通運輸幾乎全部由使用液體燃料的內(nèi)燃機提供動力。此外，固定式內(nèi)燃機（例如發(fā)電機，并非用于運輸或越野應用的發(fā)電機）在我們的行業(yè)和發(fā)電設施中無處不在，這也提高了人們的生活水平。實際上，隨著全球人口增加與經(jīng)濟繁榮，尤其是在發(fā)展中國家，對易得且可負擔的能源需求正在增加。

圖1 過去25年世界各種來源的能源消耗（單位：百萬噸當量燃油）[1]，其中約70%化石油用于內(nèi)燃機

需要指出，在內(nèi)燃機涵蓋的整個應用范圍內(nèi)，仍然沒有真正的替代品可以與內(nèi)燃機競爭，并且即使在今天，內(nèi)燃機仍然在不斷改進[3,4]。這些進步使得競爭技術(shù)更難以對內(nèi)燃機技術(shù)獲得優(yōu)勢。交通運輸業(yè)對能源需求非常大，全球約有12億輛輕型汽車（LDV）和約3.8億輛重型汽車，并且這些數(shù)字還在不斷增長，每天對液體燃料的需求超過110億升（每年30億噸等量石油，見圖1）。所有替代方案，無論是內(nèi)燃機的替代品，還是石油基液體燃料的替代品，都面臨著難以快速應用的巨大障礙。但是，由于不了解情況，許多人對內(nèi)燃機有著錯誤認識，這使得他們認為這種技術(shù)的消亡是合理而又迅速的。例如，許多人認為，世界上大部分的溫室氣體排放都來自汽車和卡車，這是一個完全錯誤的觀點，下面會進行說明。因此，不足為奇的是，一些年輕人被勸阻或不愿意從事內(nèi)燃機研究，而這正是IJER的興趣所在。

隨著燃燒技術(shù)的進步，尤其是電氣化程度增加時，發(fā)動機還有更大的發(fā)展空間。各大主要制造商已經(jīng)認識到這一點，Brown[5]闡述了豐田公開的專利，意在使更多制造商可以應用混合動力技術(shù)，他們認為這將鼓勵電動化車輛的生產(chǎn)，包括內(nèi)燃機混合動力車，插電式混合動力車，燃料電池汽車甚至是純電動汽車。的確，如果先進動力系統(tǒng)的研發(fā)減慢或中止，那將是短視的。

2. 發(fā)動機排放與環(huán)境

縱觀內(nèi)燃機歷史，在人類關(guān)注氣候變化的前幾十年，研究人員一直在努力提高內(nèi)燃機的燃油經(jīng)濟性，減少污染物排放和運行成本，并確保給今世后代的有限燃料資源得到最佳利用。在過去的四十年中，由于對空氣質(zhì)量的關(guān)注，對發(fā)動機燃燒，控制和排氣后處理的研究使環(huán)境變得更加清潔，這歸功于有害廢氣排放（顆粒，NOx，CO和未燃燒的碳氫化合物（uHCs））降低至了原先的千分之一以下。本期刊的技術(shù)論文記錄了這些領(lǐng)域的許多進步[6]。然而，最近人們對空氣質(zhì)量以及溫室氣體排放對全球變暖影響的關(guān)注大大增加，已開始推動地方、國家和國際政策制定。幾項舉措要求進行大刀闊斧的變革，并且大力推動車輛電氣化。例如，C40城市氣候領(lǐng)導小組，它由90個城市組成，代表全球6.5億人口，占全球經(jīng)濟的四分之一，致力于推動城市行動以減少溫室氣體排放和氣候風險。需求包括從市內(nèi)交通中淘汰內(nèi)燃機，以及將風能和太陽能用作主要能源。但是，如圖1所示，風能和太陽能僅能提供當前能源需求的很小一部分。盡管在風能和太陽能方面取得了技術(shù)進步并降低了成本，但在未來的二十到三十年中，大多數(shù)化石燃料能源幾無可能被碳中性能源替代[1]。

能源獨立與安全在許多國家的政策制定中也起著重要作用。必須根據(jù)以下指標來平衡對氣候的關(guān)注：人類發(fā)展的所有客觀/經(jīng)驗指標（例如絕對貧困水平，預期壽命，營養(yǎng)不良的世界人口比例，教育等）。在過去的幾十年中，由于相對廉價的能源易于獲得，特別是化石燃料易于燃燒，便于獲得能量，促進了世界各國尤其是較貧窮國家的不斷發(fā)展。發(fā)展中國家將繼續(xù)專注于發(fā)展并致力于使他們的人口擺脫貧困，而僅靠風能和太陽能是無法實現(xiàn)這一目標的——在未來的幾十年，世界上大部分的電力仍將來自煤炭或天然氣的燃燒。氣候正義必須要求世界上的窮人（不僅僅是西方國家的精英）有權(quán)享有更好的生活。這就要求包括化石燃料在內(nèi)可負擔的能源能夠獲取，直到提出的替代方案（如風能和太陽能）以及可能尚未發(fā)現(xiàn)的技術(shù)變得實用且負擔得起為止。但是，要做到這一點，就需要克服重大障礙，包括開發(fā)在沒有陽光或刮風的情況下存儲能量以供使用的方法。能夠存儲足夠能量以滿足需求的電池的開發(fā)仍然是一個瓶頸。

3. 內(nèi)燃機與電氣化

根據(jù)消費者的可接受程度（例如成本）、政府考慮到的鄉(xiāng)村以及特定的應用場景（城市，鄉(xiāng)村，個人出行，貨運等），未來的交通方式可能會是多種解決方案的組合，包括純電動車（BEV）、混合動力電動汽車（HEV）、燃料電池電動汽車（FCEV）和傳統(tǒng)內(nèi)燃機車。因此，無論是用于發(fā)電還是用于為車輛本身提供動力，即使在高度電氣化的動力總成配置中，內(nèi)燃機仍將發(fā)揮核心作用。因此，短至中期內(nèi)，在不顯著增加購買和運行成本的情況下，提高內(nèi)燃機的熱效率引起了人們極大的興趣。這些目標可以通過改善燃燒、后處理與控制系統(tǒng)實現(xiàn)，并通過混合動力實現(xiàn)部分電氣化，降低整車質(zhì)量，而發(fā)動機也會成為效率更高的輔助系統(tǒng)。

盡管目前人們對交通工具的電氣化非常感興趣，但只有純電動車才不需要內(nèi)燃機。然而，對純電動車的溫室氣體影響進行的全生命周期分析表明[7]，考慮了發(fā)電和電池制造中使用的能源，純電動車真正的增益遠不如乍看之下明顯。許多分析都忽略了燃料開采、精煉和運輸以及電力生產(chǎn)和分配中這些上游產(chǎn)生的二氧化碳。提取電池和電動機所需的關(guān)鍵原材料（鈷，鋰，稀土等）需要大量的能量，同時還要消耗大量的水。報廢處理，尤其是有毒物質(zhì)處理，也需要納入全生命周期分析中（這些考慮因素大部分也納入風力和太陽能光伏發(fā)電設備的全生命周期分析中）。此外，建設能夠為數(shù)百萬輛純電動車充電的新電力基礎(chǔ)設施，也需要更多的原材料和能源（以及隨之而來的CO2排放），并可能受到關(guān)鍵材料的可用性的限制。

與內(nèi)燃機驅(qū)動的車輛（傳統(tǒng)能源車或混合動力汽車）相比，純電動車的高成本也推動了一些有效但先前看來不經(jīng)濟的方法促進內(nèi)燃機的發(fā)展，通過先進的燃燒模式提高內(nèi)燃機的熱效率并進一步減少污染物排放。從這個意義上講，電機和內(nèi)燃機之間的競爭正在激發(fā)內(nèi)燃機自身的有益發(fā)展。

4. 零排放

據(jù)估計，與目前的平均水平相比，美國的點燃式內(nèi)燃機車的燃料消耗可減少多達50% [4]，并且尾氣排放的二氧化碳也將相應減少。使用現(xiàn)有的后處理和控制系統(tǒng)——它們也會不斷得到改進——汽油機和柴油機中的顆粒物，NOx，uHCs和CO也可以減少到可以忽略的水平。通常，燃燒產(chǎn)生的污染物排放和CO2排放被認為是完全等效的，因此，即使污染物排放量極低的發(fā)動機工作也被視為環(huán)境污染。從技術(shù)和實踐層面上講，污染物排放與CO2排放有一個重要的區(qū)別。 CO2排放必定伴隨著任何碳氫化合物燃燒或化學氧化過程，包括人類和動物的生命活動。發(fā)動機排放的二氧化碳與消耗的碳氫化合物燃料成正比，這會隨著技術(shù)的進步不斷減少。

從污染物排放標準看，“零影響排放車輛”的目標與現(xiàn)狀非常接近，這要歸功于先進的燃燒模式和創(chuàng)新的后處理系統(tǒng)，其中包括大量使用催化劑以及高過濾效率的柴油機與汽油機后處理系統(tǒng)中的顆粒過濾器（D / GPF），而使用尿素噴射和選擇性催化還原（SCR）可極大降低NOx排放（例如0.02 g/bhp-h或15~20 mg/km）。甚至有一些汽車，其排氣管中未燃燒的HC排放低于發(fā)動機進氣口周圍空氣中的HC含量，即所謂的負排放汽車！

實際上，在排氣管出口的污染物排放量將會非常低且難以測量，它們對空氣質(zhì)量的實際影響可以忽略不計?？紤]顆粒物排放，輪胎和制動器磨損的影響已經(jīng)比內(nèi)燃機要高得多（輪胎磨損產(chǎn)生約50mg/km的顆粒），其值約為發(fā)動機排放物的10倍（5mg/km）[8]。這意味著，考慮到輪胎和制動器以及其他因素（例如道路揚塵），就顆粒物排放而言，今天的傳統(tǒng)內(nèi)燃機車與純電動車和混合動力汽車相當。

另外，有一些短期的CO2減排途徑可以較快地實現(xiàn)。首先，將汽油機轉(zhuǎn)換為柴油機可以減少排氣尾管約11%的CO2排放，而柴油輕度混合動力車可進一步減少6%。最終向完全混合動力的轉(zhuǎn)換可以再減少16%。但是請注意，公眾基于了解的過時技術(shù)和最近的排放丑聞，可能會有誤解，認為柴油機是高污染的發(fā)動機。如前所述，這種說法忽略了過去幾十年來柴油發(fā)動機和尾氣后處理技術(shù)的重大進步。

車輛電氣化還可以大幅改進汽油發(fā)動機。從汽油機轉(zhuǎn)換為汽油輕混系統(tǒng)的汽車可節(jié)省約11%的燃料，而向全混系統(tǒng)汽車的轉(zhuǎn)化則可再節(jié)省約23%的燃料[4]。這些數(shù)字表明，對于汽油機與柴油機，有許多可顯著提升燃油經(jīng)濟性的方法，還能減少至少30%的CO2排放。

顯而易見的是，由于高壓電池的重量，尺寸和成本，所謂的“零排放”純電動車不會在商業(yè)運輸中大面積取代內(nèi)燃機[7]。在可預見的情況下，電池技術(shù)尚無重大突破。未來使用石油基液體燃料運行的內(nèi)燃機將很大程度上在世界范圍內(nèi)繼續(xù)為貨物和服務的運輸提供動力。從汽油或柴油內(nèi)燃機過渡到汽油/柴油全混汽車可以顯著減少排放[4]。但是，由于車輛的運行時間久，更換周期長，因此，即使是全混汽車也要花費很長的時間（可能數(shù)十年）才能成為常見的而又負擔得起的選擇，從而成為全球汽車的主要組成部分。當然，通過改進內(nèi)燃機可以改善交通運輸在溫室氣體排放和其它環(huán)境問題的影響，可負擔性和能源安全方面的可持續(xù)性，這需要重新重視內(nèi)燃機的研發(fā)。
5. 燃料

從中長期來看，通過共同設計燃油/發(fā)動機系統(tǒng)以獲得最佳性能，還有更大的改進發(fā)動機的空間。[9]單/雙燃料的技術(shù)，如均質(zhì)充量壓縮點火（HCCI），預混合控制壓縮點火（PCCI），和反應性控制壓縮點火（RCCI）[10,11]在提升效率和減少不需要的廢氣排放上展現(xiàn)了顯著的前景。這些先進的燃燒模式也可以從可用的燃料或針對每種應用對其成分進行了優(yōu)化的燃料中受益。為了減少對化石燃料的依賴并實現(xiàn)脫碳過渡，在引入碳中性生物燃料和合成燃料方面正在取得進展。通常，對內(nèi)燃機的批評并不在于內(nèi)燃機，而在于燃料的來源，而使用生物或合成燃料可以減輕總的碳排放量。確實，如今一些市場上出售的生物柴油的凈碳中性超過70%。一些國家和州甚至實施了低碳燃料標準（LCFS），并提供了貨幣激勵措施來鼓勵生物燃料市場。

加氫處理的植物油（HVO）是一種很有前景的可再生柴油燃料，對CO2的影響極低。另一項新興技術(shù)是通過快速熱解由固態(tài)木質(zhì)纖維素、非食品生物質(zhì)生產(chǎn)的液體運輸燃料，該過程是一種熱分解過程，可在沒有氧氣的情況下通過加熱分解物料，從而產(chǎn)生合成氣，生物油和生物碳。生物油可以催化升級為液體燃料。因此，廢棄生物質(zhì)的快速熱解會產(chǎn)生生物燃料，并可能降低碳經(jīng)濟。

有人還已經(jīng)提出了使用源自廢棄生物質(zhì)和可再生電能的替代合成燃料來生產(chǎn)凈CO2排放為零（即碳中性）的電子燃料（合成燃料 E-fuel）。目前正在研究這種方法，將其作為在生產(chǎn)高峰時存儲可再生電能的明智方法，這要歸功于一種化學過程，該過程可從H2（通過電解水產(chǎn)生）和直接從大氣或工業(yè)或生物來源中捕獲的CO2生成碳氫化合物。長期而言，碳捕集技術(shù)已被證明能夠收集然后處理或隔離汽車尾氣中的CO2，并且預計具有成本效益。[12]
6. 能源與未來
為了實現(xiàn)電氣化，必須通過內(nèi)燃機（對于混合動力汽車）或從發(fā)電站和電網(wǎng)產(chǎn)生電力。對于后者，目前主要由不可再生能源生產(chǎn)（損失約40%至50%，盡管對于在世界許多地方仍很常見的老式燃煤電廠而言，損失可能要高得多）。此外，向終端用戶的電力傳輸以及電池的相應充電/放電損耗，以及較低或較高的工作溫度在降低電池性能方面的作用又造成了5%至20%的損耗，導致總體效率實際上可與配有內(nèi)燃機和化石燃料的混合動力汽車相當。從電網(wǎng)獲取電力可能具有政治上的優(yōu)勢，因為不需要的排放物“不在我的后院”。問題被沖到了看不見的區(qū)域，但全球碳排放量的降低卻大大減少了（有時甚至沒有）。事實上，與同等大小的非混合動力內(nèi)燃機汽車相比，用燃煤電充電的BEV可以輕松實現(xiàn)更大的碳排放量。

目前，可再生能源（包括水力發(fā)電）約占全球能源結(jié)構(gòu)的10%。英國石油公司世界能源報告[1]預測，到2040年，可再生能源在總能源生產(chǎn)中所占的比例將僅達到約14%，而且在很多地區(qū)，包括煤炭在內(nèi)的化石燃料將仍然是最大的能源。因此，很明顯，從中期來看，BEV替代運輸可能會適度減少全球CO2排放，但絕不會消除。當然，隨著燃煤電力的減少和碳中性技術(shù)的過渡，這種情況可能會改變。

此外，要使插電式和BEV的市場得到廣泛接受，還需要更快的充電速度——請注意，目前基本上所有方案都涉及對此類充電器的納稅人或消費者補貼。此外，大規(guī)模電氣化將需要對整個配電系統(tǒng)（從發(fā)電廠到充電點）進行重大改動?？紤]到這些問題，甚至更激進的主流市場預測都表明，2040年大多數(shù)汽車中仍將使用內(nèi)燃機[13]，并且在卡車市場中所占比例甚至更高。

在這方面，在重型運輸中更換內(nèi)燃機面臨更大的困難。例如，在美國，一輛500英里范圍的重型8類卡車，以電動卡車的形式運行時，需要的電池電量為1000kWh。假設電池對電動機的效率為95%，則合適的電池至少重5.5噸（相比之下，其柴油發(fā)動機約為1.3噸），并且消耗了可允許的有效載荷的很大一部分。使用120kW的Tesla Supercharger充電器，電池大約需要12小時才能充電。[7]此外，關(guān)于更換火車和輪船發(fā)動機的討論很少，這證明了這些應用所需的極高功率要求和不可接受的長電池充電時間。[7]

可持續(xù)交通的未來將需要多樣化的產(chǎn)品組合，以確保為正確的應用提供合適的技術(shù)，并將覆蓋內(nèi)燃機、燃料電池、純電動汽車和混合動力推進系統(tǒng)。 Like-for-like（“蘋果對蘋果”意為比較的雙方為可合理比較的同類事物）的比較對于準確的評估技術(shù)對社會、經(jīng)濟和環(huán)境的影響至關(guān)重要。更具體地說，成功的技術(shù)必須在成本、用戶需求、生命周期排放和生命周期效率方面具有市場競爭力；必須確保國內(nèi)能源安全；并且必須考慮與制造以及關(guān)鍵材料的獲取和回收相關(guān)的社會影響。為此，內(nèi)燃機和配套基礎(chǔ)設施已經(jīng)建立良好，與技術(shù)發(fā)展相關(guān)的創(chuàng)新不斷提高基于燃燒的技術(shù)的整體效率和排放特征。

7. 氣候警報

公眾和政府對人為全球變暖的預期影響的反應范圍從懷疑到警報，警報在最近的公眾認知、媒體內(nèi)容以及已宣布的國家和地區(qū)政策中占主導地位。在向無CO2排放的世界競爭中，發(fā)動機燃燒研究與開發(fā)的必要性和/或作用尚在爭論中，但作為發(fā)動機燃燒研究界，我們相信內(nèi)燃機將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用，即使僅僅是因為這樣的能量轉(zhuǎn)換無疑會花費大量時間。然而，關(guān)于人為溫室氣體和CO2以及主要溫室氣體——水在全球氣候變化中的確切作用仍存在爭議。[14]一個被忽視的事實是，使用碳氫燃料時，離開車輛排氣管的每個CO2分子至少伴隨著一個H2O 分子。水蒸氣（作為溫室氣體）與大氣中的云之間的實際平衡仍然是氣候研究的活躍領(lǐng)域，其中大氣中的云層將太陽光線反射回太空并因此導致氣溫下降。[15]

通常，在大眾媒體中，辯論存在于兩類人之間，一類是那些引用未經(jīng)證實的氣候模型來預測對我們的氣候造成災難性影響的人，另一類是那些強調(diào)放棄將我們的文明世界推動到如今的化石燃料對于全社會——特別是社會中最貧窮人口的災難性的后果的人。無論如何，應該清楚的是，由于氣候問題而引發(fā)的社會行動的實際后果不僅會極大地影響內(nèi)燃機的長期未來，而且還將影響能源和電力使用的各個方面以及在我們地球上的生活標準。為了在未來幾十年內(nèi)大幅減少溫室氣體排放，必須對內(nèi)燃機進行重大改進。

圖2 不同行業(yè)的全球升溫潛能值（單位：噸當量CO2）[2]，交通運輸占比約10%

關(guān)于溫室氣體排放，交通運輸對全球變暖潛在排放的貢獻歷史上一直保持在10%，如圖2所示。[2]因此，全球范圍內(nèi)向電動汽車的大規(guī)模轉(zhuǎn)移只會導致全球（潛在）減少約10%的當量CO2。（這也假設所有電動汽車都將通過沒有CO2排放（即可再生/核能）的能源為電池充電。）即使對于LDV，如本社論所述，全電動汽車的未來也不會輕易、快速或廉價地實現(xiàn)，至少在接下來的三十年中，以內(nèi)燃機驅(qū)動的運輸仍將發(fā)揮重要作用。[7]如果因為對可再生或脫碳能源替代交通運輸中的化石燃料能源的速度過于樂觀，工業(yè)界和政府就放棄真正的近期到中期的CO2減排，以及基于內(nèi)燃機的推進所能達到的排放標準，那才將是悲劇。

（另一方面，迅速發(fā)展的消費電子領(lǐng)域有望超越運輸業(yè)，成為全球能源消費的來源。2015年，與互聯(lián)網(wǎng)連接的設備、高分辨率視頻流、電子郵件、監(jiān)控攝像頭和智能電視的消費量占世界電力的3%–5%，物聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛汽車、機器人和人工智能（AI）的增長正極大地增加了對電力的需求。據(jù)估計，2025年前計算機和通信可以使用多達世界電力的20%。）

我們認為，無論是在學校還是在家庭中，公共倡導和教育計劃都不應側(cè)重于引起對全球變暖和氣候變化的恐懼，而應關(guān)注人類如何通過提高內(nèi)燃機和其他能源消耗的效率來實現(xiàn)充滿希望的未來系統(tǒng)、可再生能源的開發(fā)、基于全生命周期的替代方案分析和對全球變暖潛在影響的系統(tǒng)緩解的合理決策，以及我們的消費者本能的自愿的自我節(jié)制。

8. 未來研究方向

自20年前成立以來，本期刊就一直在發(fā)動機研究方面取得進展。[6]本期刊的目標仍然是提供一個令人鼓舞的論壇，以激勵內(nèi)燃機研發(fā)的進步。本著這種精神，本社論的最后部分提供了（可能不完整）可能有益的研究主題列表，這些主題將對發(fā)動機領(lǐng)域有所幫助。這些領(lǐng)域的進步必將受益于行業(yè)、政府實驗室和學術(shù)界研究人員之間的全球合作。

發(fā)動機效率
燃燒系統(tǒng) 應該鼓勵開發(fā)新穎的燃燒系統(tǒng)，包括使用超高燃料噴射壓力，以及可能超出曲柄滑塊的新機械布局。這可以與高度稀釋燃燒的燃燒技術(shù)（帶廢氣再循環(huán)（EGR）的化學計量比燃燒以及過量空氣系數(shù)大于2的稀薄燃燒）配合使用。為了改善燃燒，需要研究混合氣的形成和氣流運動，以及包括預燃室安裝在內(nèi)的點火技術(shù)。
氣體交換 改善發(fā)動機進排氣很重要，可以通過排氣渦輪增壓器的超高壓增壓、大量EGR、通過可變氣門系統(tǒng)進一步改善的米勒循環(huán)（同時保持所需的氧氣水平），來實現(xiàn)快速響應和低溫燃燒。應鼓勵進一步開發(fā)具有渦輪復合技術(shù)和可能的化學重整技術(shù)的廢氣能量回收系統(tǒng)。
電氣化 電氣化可顯著提高系統(tǒng)效率以及控制溫室氣體排放，可能導致熱效率超50%。專門為混合動力和增程系統(tǒng)開發(fā)更高效的發(fā)動機（使發(fā)動機能夠在有限的轉(zhuǎn)速負載范圍內(nèi)運行）也將有所幫助。
發(fā)動機潤滑 減少機械損耗應通過改善潤滑系統(tǒng)并減少潤滑油消耗來實現(xiàn)，特別是對于負載或轉(zhuǎn)速限制的新型發(fā)動機。
發(fā)動機熱管理與能量管理 需要發(fā)動機熱管理和能量管理以遵守實際駕駛排放量（RDEs）并提高燃油經(jīng)濟性。不僅需要減少內(nèi)燃機的熱損失，而且改進的熱力系統(tǒng)（包括排氣熱回收系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)及其最優(yōu)控制）也將成為未來的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)動機后處理
法規(guī)還要求了減排技術(shù)，以實現(xiàn)近零排放。需要建立一種改進的低成本后處理系統(tǒng)，以在不犧牲熱效率的情況下，在低溫和過量氧氣廢氣條件下去除uHC、顆粒物和NOx排放。應當探索用較便宜的后處理裝置在濃混合氣燃燒或冷啟動（會產(chǎn)生大量顆粒物）下降低全負荷時汽油機車輛RDEs的方法。

燃油
應研究雙燃料燃燒和柴油/天然氣燃燒的有效利用。除了超稀薄燃燒和氣態(tài)燃料直噴系統(tǒng)的開發(fā)以外，還需要進行研究以減少甲烷泄漏、改善熱效率和天然氣發(fā)動機的廢氣排放，特別是大型船舶和熱電聯(lián)產(chǎn)。對全球燃料使用量的分析表明，在不久的將來，使用過剩的低辛烷值燃料將成為重要的主題。[16]此外，為溫室氣體減排加強對生物燃料和電子燃料的研究也將有所幫助。“設計者”燃料具有提高效率和接近零污染物排放的潛力。[17]其中可能包括多種H2量的碳氫化合物、氧化成分甚至是相當新的化學成分（例如NH3）的混合物。發(fā)動機開發(fā)所需的研究工具包括：

發(fā)動機仿真
在詳細的實驗支持下，燃燒過程的計算流體力學（CFD）建模取得了很大的進步。得益于工業(yè)和學術(shù)界（例如Hasse[18]）可用的巨大計算能力，大多數(shù)發(fā)動機OEM現(xiàn)在已廣泛使用仿真工具來幫助設計和優(yōu)化發(fā)動機。由于AI的飛速發(fā)展，各種自動預測和優(yōu)化也已投入實際使用。但是，發(fā)動機燃燒的優(yōu)化依賴于精確的子模型，其中許多子模型需要進一步開發(fā)以提高其預測能力，并減少對經(jīng)驗標定的需求。直接數(shù)值模擬技術(shù)以及即將來臨的機器學習和數(shù)據(jù)科學技術(shù)的利用是一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。此外，發(fā)動機燃燒還包括瞬態(tài)現(xiàn)象，例如人們對循環(huán)變化的不甚了解或分析。此外，還需要開發(fā)包括電源及其系統(tǒng)組件、變速器、外圍設備、電池、電動機、逆變器和行駛阻力的車輛仿真模型。

發(fā)動機和車輛控制
為了減少控制余量和逐周期變化的實時燃燒控制需要標定和控制軟件創(chuàng)新，可能需要使用AI的基于板載物理/統(tǒng)計模型的控制。需要使用模型預測控制對多輸入/多輸出系統(tǒng)進行板載優(yōu)化。對高效燃料噴射系統(tǒng)（在燃燒室中優(yōu)化空間和時間上的混合氣形成）的控制，以及確保SI發(fā)動機在稀薄或稀釋混合氣中穩(wěn)定點火的方法（可能使用預燃室和低溫等離子體）將受到關(guān)注。同樣，也需要對使用V2X減少實際駕駛條件下車輛的燃油消耗進行分析。

9. 總結(jié)

總而言之，與一些廣泛散布的媒體報道（例如The Economist 的“內(nèi)燃機已死”這類的文章[19]）相比，內(nèi)燃機的研究有著光明的前景。發(fā)電、汽車和燃料行業(yè)龐大，擁有龐大的基礎(chǔ)設施，每年的營業(yè)額達數(shù)萬億美元。我們當然處在革命時期，但很明顯，幾十年來，即使有，發(fā)電來源也不會完全可再生，交通運輸也不會完全變?yōu)殡娏?。然而，提高效率的研究和減少對化石燃料的依賴的方法是未來內(nèi)燃機研究的令人振奮的方向。具有混合解決方案的高效“全靈活”發(fā)動機很有可能成為人們追求的效率提高以及排放/溫室氣體降低的重要組成部分。[20]最后，必須承認，在實踐中，人們根據(jù)包括成本在內(nèi)的眾多因素來選擇動力總成。消費者的偏好不是由政客、汽車制造商或?qū)W術(shù)界決定的。單方面偏向一種技術(shù)解決方案的政策可能效率極低，甚至可能是錯誤的最終解決方案。更好的方法是使用實際數(shù)據(jù)來使相互競爭的技術(shù)蓬勃發(fā)展。如果它們證明了效率的提高和排放的減少，那么它們就需要盡快交付市場。持續(xù)的進步要求我們招募最聰明的年輕人參與這項工作，為內(nèi)燃機帶來充滿活力和可持續(xù)發(fā)展的未來。

本文譯自：
"IJER editorial: The future of the internal combustion engine"
文章來源：
International J of Engine Research 2020, Vol. 21(1)3–10
中文首發(fā)：
“同濟智能汽車研究所”公眾號
原作者：
R. D. Reitz, H. Ogawa, R. Payri, et al.
翻譯：
同濟智能汽車研究所混合動力研究組
原文鏈接：
https://doi.org/10.1177/1468087419877990