序

燃燒科學與技術是人類最早認識和利用的科學，至今燃燒仍然是把燃料轉(zhuǎn)換為動力、電能和熱能從而驅(qū)動車輛、機械、電機等作功.但是燃燒本身也產(chǎn)生溫室氣體(CO2)和對人類健康不利的有害排放氣體(PM/NOx/UHC)等.自20 世紀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 年代以來世界各國先后開始對燃燒裝置設定污染物排放法規(guī).20 世紀70 年代先后發(fā)生的兩次“能源危機”引起了世界經(jīng)濟和政治的動蕩，甚至引發(fā)多起局部戰(zhàn)爭.為此自20 世紀60 年代以來燃燒科學和技術受到極大的重視，再加上與之同時發(fā)生的激光技術和計算機技術的誕生為燃燒學的發(fā)展創(chuàng)造了前所未有的平臺和手段.經(jīng)過30 多年的努力，燃燒科學和技術取得了巨大的成績，以內(nèi)燃機技術為例，“新一代內(nèi)燃機”是高效清潔燃燒技術、人工智能技術和電氣化技術緊密結(jié)合的綠色產(chǎn)業(yè).20 世紀90 年代中期，人們曾認為傳統(tǒng)內(nèi)燃機有害排放物NOx和碳煙存在排放極限值.但是新一代內(nèi)燃機突破了這個極限，NOx排放從20 世紀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)燃機的排放在動力機械各個系統(tǒng)中，達到了“可忽略影響的排放”水平(zero impact emission).

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

在美國USCAR 主導下，2010 年召開了一次著名的學術會議，與會者在充分回顧和評價全世界多年基礎研究和技術進步的成果，對內(nèi)燃機未來熱效率的發(fā)展?jié)摿M行了科學的評價，提出“短期”(short term)熱效率可達60%，“中長期”(long term)可能接近85%.高熱效率帶來低油耗和低CO2排放.在這方面我國內(nèi)燃機企業(yè)和科技工作者正在與世界同行展開激烈的技術競賽.我國長安汽車公司開發(fā)的新產(chǎn)品藍鯨汽油機，熱效率達到40%以上，與日本豐田公司在市場上并列前茅；美國橡樹嶺ORNL 國家實驗室宣布在多缸試驗發(fā)動機上實現(xiàn)了高達55%的熱效率；馬自達創(chuàng)馳藍擎汽油機的HCCI 燃燒技術，熱效率可達50%，我國濰柴動力公司開發(fā)的卡車柴油機熱效率已超過50%(未應用余熱利用技術)，在商用卡車重型柴油機中屬佼佼者.我國研究人員提出了實現(xiàn)超過60%熱效率的“熱力學活性控制的均質(zhì)壓燃技術”，應用該技術汽油機熱效率可提高到50%以上，進一步減少CO2排放25%以上.

自本世紀之初，全球氣候變化使CO2減排成為全人類的共識，習近平總書記代表中國莊重宣布了我國“30 碳達峰”和“60 碳中和”的偉大目標.

然而，即使內(nèi)燃機已經(jīng)得到極大的優(yōu)化，但是隨著人類社會對空氣質(zhì)量和溫室氣體排放關注度普遍增加，電動汽車、燃料電池汽車等新型動力技術得到世界各國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，以及將風能和太陽能用作主要能源.但是，現(xiàn)實和希望仍有很大差距.盡管風能和太陽能技術取得了顯著進步，但是可再生能源的應用仍面臨著諸如“并網(wǎng)和儲能”等技術問題.正如國際汽車學術界和工業(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漫長的過程，在尋找新能源和可替代動力機械的同時，內(nèi)燃機將一如既往地受到廣泛關注和重視.特別是對于商用車、工程機械、農(nóng)用機械、內(nèi)河和海上運輸以及軍事動力機械等發(fā)動機，在轉(zhuǎn)矩、功率、能耗和耐久性等方面尚沒有可以替代的動力裝置.據(jù)交通運輸部門的統(tǒng)計，近5 年，公路運輸占全國總貨運量的70%以上，客運總量的80%.每年柴油機消耗的石油約占我國石油總消耗的三分之一.不言而喻，在未來相當長的一段時間內(nèi)，內(nèi)燃機仍然是我國重要的基礎工業(yè)，內(nèi)燃機仍在汽車及各類動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)燃機技術是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的長期需要.

燃氣輪機在過去的20 年里在國民經(jīng)濟中的貢獻引人注目，由于燃氣輪機具有高功率密度的優(yōu)勢，不僅在艦船中的應用大幅增加，而且隨著我國石油天然氣管網(wǎng)建設，燃氣輪機作為中間加能站點的關鍵設備倍受歡迎.與此同時燃氣輪機的節(jié)能和減排也必將提上日程，為燃氣輪機科技工作者提出了更高的要求.

2 動力機械燃燒技術的需求和展望

動力機械發(fā)動機燃燒技術的根本問題是，第一降低化石燃料的消耗，提高發(fā)動機的能源利用率，減少二氧化碳排放，節(jié)約化石能源.第二進一步減少有害排放，特別是減少實際道路，實際運行中發(fā)動機的有害排放，進一步減少對大氣環(huán)境的污染，保護人類健康.

直噴式發(fā)動機的燃燒

直噴式發(fā)動機的燃燒是噴霧的燃燒，噴霧特性對噴霧的燃燒路徑產(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，噴霧的當量比分布對燃燒速度和釋放溫度的影響，進而預測了燃燒產(chǎn)物的成分，這個發(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.因為LHCCI 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)量分數(shù)應當大于50%.

追求“理想噴霧特性”應當是直噴式發(fā)動機，包括燃氣輪機燃燒科學和技術的核心問題。

火花點火發(fā)動機燃燒

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，對提高效率和降低排放具有優(yōu)勢，火花點火燃燒無可比擬.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.設想如果燃氣輪機燃燒室內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ゲ皇且蕾囃牧?，而是容積式的擴展，熱效率將有顯著的提高.

發(fā)動機瞬態(tài)燃燒過程控制技術(RDE 技術)

實驗室中執(zhí)行的各類內(nèi)燃機排放法規(guī)，本意都希望最大限度地代表實際運行中的內(nèi)燃機排放.但是由于受到內(nèi)燃機技術和檢測技術的限制，自20 世紀90 年代初啟動排放法規(guī)以來，世界各國對排放法規(guī)的測試循環(huán)和檢測儀器都在不斷地改進.直到2010 年代中葉，隨著內(nèi)燃機技術的進步，在歐洲和美國開始醞釀實際道路的排放法規(guī)，開始進行相關研究.

實際道路和實際運行排放法規(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 核心技術就在于內(nèi)燃機必須具備游刃有余的瞬態(tài)控制能力，并確保內(nèi)燃機排放在可能的道路環(huán)境下均不超標，且有強勁的動力和節(jié)油特性.這是內(nèi)燃機排放控制的新課題，是新時代對大氣環(huán)境保護的新要求.

燃氣輪機瞬態(tài)燃燒和變工況燃燒也有類似的科學和技術問題.實際上燃氣輪機瞬態(tài)和動態(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，可變氣門機構，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漫長的過程，是一個各類科學和技術不斷萌生和演化進步的過程.在此之前，燃燒始終是生產(chǎn)動力的基本途徑.燃燒科學和技術將在碳達峰和碳中和的道路上發(fā)揮關鍵的作用，燃燒科學和技術工作者任重道遠.