新一代的高效能发动机将以其复杂性带来更大的挑战，同时，也会因为其前所未有的灵活性而带来很大的机遇。为了满足不断提高的燃油经济性要求和更加严格的排放法规，发动机技术、传感器技术和车载计算机的快速进步至关重要，但也面临着另一个挑战，即参数空间的管理和优化将呈指数增长。为此，改进的基于模型和自适应的控制方法、改进的仿真算法和高性能计算机的发展将会加速设计和标定。

AI: 首先能否简单介绍一下，目前世界上发动机技术的发展情况？

Robert M. Wagner先生：近期，最显著的技术进步并不是哪一项单一的技术，而是许多协同的技术通过相互影响形成的技术集合。世界各地法规更加严苛这一趋势加速了各项技术的进步，包括新的发动机技术、传感器技术和车载计算机技术等。同时，所有这些领域的技术进步都将改变新一代高效能发动机系统的开发和优化。

发动机技术的发展涉及涡轮/机械增压系统、进/排气门控制系统、快速响应高压燃油喷射系统和点火系统等。更具体地说，这些技术的进展集中在开发更快、更灵活的系统，以实现实时自适应控制和快速的瞬态响应。更灵活的发动机技术、高速的传感器技术和更强大的车载计算机技术的进步使燃烧反馈控制成为可能，进一步解决了复杂的发动机实时控制问题。但是这也导致了发动机控制方式的巨大转变，还可能带来新的燃烧方式，能够最大限度地提高发动机的工作效率，降低排放。

图1 呈指数增长的标定参数空间

AI: 目前，发动机燃烧技术方面取得了很大进步，请分析一下各项创新技术的进展情况。

Robert M. Wagner先生：近年来，技术进展使现有的大胆想法成为可能，同时还带来了更广泛地使用混合动力技术的新机遇。点燃式和压燃式两种发动机的压缩比正在趋于一致，就如同马自达的“创驰蓝天”技术所展示的，该技术的发动机包括柴油机和汽油机两个版本，而且它们的压缩比同为14：1，以综合两种点火方式的优点。此外，也出现了从进气道喷射到缸内直喷燃油系统的转变，这使缸内混合气的控制取得了很大的进步，并相应地改善了燃烧过程的控制。

然而，目前发动机设计的发展也导致了许多新的问题，例如早燃、过大的燃烧噪声、失火及燃烧颗粒物等。这些挑战要求传感器技术和控制技术的进一步发展，以提前预测问题，从而改善发动机的瞬态特性。另外，需要避免发动机的不正常燃烧，以免损坏发动机系统和排放后处理系统。

AI: 在节能减排这一趋势下，未来发动机高效节能和排放技术的发展方向是怎样的？

Robert M. Wagner先生：发动机零部件和传感器的进步再加上车载计算能力的增加，将赋予下一代高效能发动机前所未有的控制能力。这种控制水平将给低温燃烧等先进策略的现实应用提供可能性，同时将提高系统的稳定性和燃料的灵活性。发动机历来被定义为点燃式或压燃式，而这些新技术已经模糊了传统定义上的区别，推动了新发动机概念的发展。新一代发动机将融合两种类型发动机的最佳特性，以获得最高的效率和最低的排放。发动机设计和控制概念的扩展带来了一个重大挑战，那就是随着这些控制技术的引进，需要标定的参数空间将会呈指数增长（见图1）。由于无法标定如此庞大的参数空间，传统的设计和标定方法将不足以开发最佳效率和排放的解决方案。在这个过程中，预测仿真的改进、高性能计算系统的应用（见图2）、更高效计算模型的开发和启发式优化程序的应用等显得至关重要。标定过程需要使用自适应和基于模型的控制，以减少物理迭代。此外，自适应系统还允许参数的标定过程持续进行并引入驾驶员特征，以保证最大的燃油经济性。

图2 美国橡树岭国家实验室的泰坦超级计算机：用于支持研究主要集中在加快发展高效率的交通运输方面

发动机热效率的显著提升需要改进燃烧过程，最大程度提高做功效率，减少热传导损失。低温燃烧策略获得了业界一致关注，包括对均质充量压缩点火的研究以及对汽油压燃的和双燃料反应活性控制的开发。所有采用这些方法的单缸发动机中，已被证实具有较高的指示效率及非常低的NOx、颗粒物排放。随着先进发动机硬件的发展更加趋于产品化，新的研究开始慢慢走向对多缸发动机的开发，包括排放控制技术和余热回收利用技术。

由于稳定性和控制方式尚未达到要求，所以许多先进的燃烧方式并没有得到应用。在许多实际应用的案例中，发动机工作点远离临界稳定的区域，以避免工作点偏移，这不仅影响了排放性能和燃油经济性，甚至还会毁掉发动机和后处理系统。如图3所示，与燃烧不稳定性相关联的三个主要区域包括稳定燃烧区、过渡区和不燃区。过渡区受到众多因素的影响，包括可燃混合气和燃烧残余气体等。燃烧的环形扩散受到随机过程和确定过程的影响。随机过程以缸内气体的混合为主导；确定过程来自于上一循环的前馈信息，如燃烧残余气体的组分和温度，该过程是非线性的，充当随机变量的非线性放大器。这一切都被分缸不均匀性进一步复杂化，导致多缸发动机的每个气缸有不同的稳定性。而具有成本效益的燃烧反馈传感器和更强大的车载计算机的进一步发展，将使我们能够使用实时模型进行预测型控制，将本质上不稳定的燃烧模式强制地控制在稳定燃烧状态。

不断被推向更高效率的发动机也可能带来意想不到的结果。例如，由于高效率的发动机需要有更多的有用功作用在活塞上，所以需要降低该发动机的排气温度。较低的排气温度将对新催化剂技术的开发提出更高要求，必须确保它不仅在低温下有效，也能够承受较高的排气温度。低温燃烧模式的排气温度有可能在大部分轻载驾驶工况中低于200℃。在美国，缸内直喷汽油机正在逐步取代进气道喷射汽油机，但是前者的颗粒物排放一般要高于后者，因此需要开发新的缸内净化技术和后处理技术来减少颗粒物排放。总之，新的燃烧方式和后处理技术必须避免引入新的污染物。同传统燃烧方式相比，均质充量压缩点火和柴油预混合压缩点火等低温燃烧方式可能会导致排放更多的未燃碳氢化合物，形成移动的有毒空气源。

图3 与燃烧不稳定性相关联的三个主要区域包括稳定燃烧区、过渡区和不燃区

AI: 针对发动机技术和排放技术的发展，您有哪些建议？

Robert M. Wagner先生：新一代的高效能发动机将以其复杂性带来更大的挑战，同时，也会因为其前所未有的灵活性而带来很大的机遇。为了满足不断提高的燃油经济性要求和更加严格的排放法规，发动机技术、传感器技术和车载计算机的快速进步至关重要，但也面临着另一个挑战，即参数空间的管理和优化将呈指数增长。为此，改进的基于模型和自适应的控制方法、改进的仿真算法和高性能计算机的发展将会加速设计和标定。未来20年，将会见证发动机技术和整车技术的巨大飞跃，而在几年前，这些进步还未曾被设想过。这种科技进步也将包括使用新的方法扩展工作区，将本质上不稳定的系统状态强制地控制在稳定状态，实现系统的最佳效率和
排放。

AI: 在新能源汽车的开发方面，美国橡树岭国家实验室是否也有相应的研究？请具体谈一下。

Robert M. Wagner先生：美国橡树岭国家实验室是中美清洁能源联合研究中心的成员，专注于提高车辆的燃油经济性。美方联盟由密歇根大学的彭晖教授带领，中方联盟由清华大学的欧阳明高教授带领。清洁能源联合研究中心包括6个重点研究领域，涵盖先进的电池和能量转换、先进生物燃料和清洁燃烧、汽车电气化、先进的轻质材料和车身结构、车辆电网一体化及能源系统分析。该实验室的可持续交通计划与之相辅相成，重点是提高人员和物资的运输效率。