■ 技术的产生、进化是为了满足人们不断增长的需要。

　　■ 传统汽油机与柴油机以两种不同的典型燃烧方式并行发展。

　　■ 内燃机技术因各种矛盾运动而发展，因此内燃机科研在某种程度上就是折衷或解决矛盾。

　　内燃机是结构简单、移动轻便、当今能效最高的热力发动机，被广泛应用于交通运输、农机、工程机械和发电，给世界带来了现代文明。世界六大汽车公司均已入驻我国，我国汽车产量居首全球，轿车正快速进入家庭。但内燃机的发展远未达其顶点，其综合性能有待继续提高，尽管拥有超一个世纪的历史。因此，有必要哲学思考其技术发展。

　　内燃机技术内部的矛盾运动

　　技术的产生、进化是为了满足人们不断增长的需要。技术发展一般模式为：以社会需要为根本动力，以内部基本矛盾——技术目的与技术手段的矛盾为直接动力，以新技术目的的设定为中心，由潜在技术发展为现实技术。技术目的的设定要考虑社会需要，还要考虑科技、社会经济条件的可能性，它规定了技术活动的指向。特定的技术目的反映时代的社会需要和技术水平,社会需要、技术水平和技术手段都是不断发展的。设定比现存技术目的更高的技术目的，是人类自觉能动性的表现。任何已有技术都有其功能极限，不会一劳永逸地适应发展着的社会需要和相应的技术目的，这样就形成了新的技术目的与旧的技术手段间的矛盾。为解决之，必须重组、改造原有技术，或发明新结构、新工艺、新原理。采用新技术，还可能同其它相关技术系统不适应，从而引起这些技术系统的进步。在新的技术手段的基础上又引起新的需要,人们又提出新的技术目的,从而推动技术的历史发展。同时，技术发展的外因也不能忽视。自组织理论认为，一个系统只有不断与环境进行物质、能量、信息的交换，才能维持自身的有序性，增加“负熵流”，促使系统向有序的方向演化。技术的发展离不开其它相关技术的支撑。技术自身的内部矛盾还有:规范与实践的矛盾、继承与创新的矛盾、技术方案与技术试验的矛盾、技术结构与技术功能的矛盾、技术的专门化与技术的综合化的矛盾等。

　　在技术目的与技术手段矛盾的不断产生又不断解决、从不平衡到平衡又到新的不平衡的过程中，一般技术目的是主动的，但有时，技术手段的发展也有相对独立性，从而反过来推动、唤起新的技术目的的产生。这反映了技术发展的辩证性。

　　对内燃机而言，技术发展要满足更清洁、更高效、运行更可靠的社会需要。但社会需要不能自动产生相应的现实技术，必须转化为相应的技术目的，即对动力性能（功率）、经济性能（燃料和滑油消耗率）、运转性能（起动、噪声、有害排放）、可靠性能的指标要求。为达到这些指标，就要进技术活动（研发），获得达到技术目的的、现实的、物化有相应技术的手段（内燃机样机和产品）。

　　内燃机涉及能源和环境问题。它消耗了我国60%的石油，是石油消费大户。它又是大气环境特别是城市大气环境的主要污染源。上海市区机动车排放的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物分担率分别为86％，90％和56％。其微粒（PM）排放也是城市大气中PM2.5的主要来源，微粒中的多环芳烃及其衍生物是致癌物质。完全燃烧产生的二氧化碳有温室效应。内燃机技术始终是在各国政府和国际组织制定的能耗和排放法规的指导和管制下发展的。20世纪末，我国开始参照直至等效采用欧盟的排放法规，只是根据我国国情，适当规定滞后的实施日期。但排放控制措施往往与能效、生产成本相矛盾，因生成条件各异各种排放之间也往往矛盾。如，降低氮氧化物的机内措施往往与降低PM和能耗相矛盾。当然，降低二氧化碳排放与降低能耗是一致的。

　　内燃机技术个体之间也存在着发展不平衡的矛盾。由于燃料理化和燃烧特性的不同，传统内燃机分为火花点燃式（如汽油机、天然气发动机）和压燃式（如柴油机、二甲醚发动机），二者工作原理有异。尽管二者都产生一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、二氧化碳，但前者的排气后处理容易得多，后者必然产生的碳烟微粒极难处理。前者的能效比后者约低20%，但振动和噪声低，起动容易，制造成本低，重量小，因此在轿车和轻型动力中处主导地位。就第一位的燃料系统而言，由于喷射需要的压力和喷射时间精度要求低，汽油机电控技术发展要比柴油机早10多年。柴油机电控技术发展一开始就吸收了前者成功的经验。另外，能效与运转平稳性，不同运行工况、不同运行环境（高原、高寒、高热、水下、城市等）对结构参数和运行参数的要求也往往有矛盾。

　　内燃机的燃烧在各种热机和燃烧装置中最为复杂，这表现为工作过程的强烈瞬变性、工质的强烈压缩性、缸内并存的大尺度和微尺度运动及二者密切的耦合、燃料喷射产生的两相流、燃烧室复杂结构和气门的周期性开闭、活塞往复运动导致的运动边界。内燃机性能还强烈受到燃料理化、材料物理及力学性能的影响。总之，内燃机是多种矛盾的复杂的统一体，这决定了其工作过程的组织，即油、气、室的匹配，没有特效方案，从而也决定了其核心技术——燃烧技术发展的艰难。

　　分析与综合的矛盾推动了内燃机燃烧技术的发展

　　传统汽油机与柴油机以两种不同的典型燃烧方式并行发展。对汽油机，燃料喷入进气道，并与空气形成均质的预混合气，再进入气缸由火花点燃，形成火焰传播，称作预混合燃烧。由于汽油特性和爆震等的限制，汽油机只能采用较低的压缩比，导致热效率比柴油机低得多。在部分负荷工况，还存在节气门的节流损失。柴油机是依靠活塞压缩到接近上止点时的高温使燃料喷雾自燃着火，大部分燃料与空气边混合边燃烧，燃烧速率受控于燃油与空气的扩散、混合速率，因此称作喷雾扩散燃烧。由于燃料与空气的混合时间很短，混合气浓度分布极不均匀，导致缸内温度分布极不均匀。扩散火焰外壳的高温富氧区产生大量氮氧化物，高温过浓区由于缺氧又生成大量碳烟微粒。提高汽油机热效率，降低柴油机碳烟和氮氧化物排放便分别成为各自的研究热点。

　　30多年来，人们希望柴油机和汽油机取长补短，即柴油机尽可能采用预混合稀薄燃烧来降低碳烟和氮氧化物，而汽油机采用柴油机的压燃燃烧（提高压缩比）。汽油机缸内直喷燃烧和柴油机多段喷射燃烧便是基于这一思想的产物。

　　缸内直喷汽油机（GDI）节油效果显著。1996年始于日本的第一代商品化GDI汽油机采用稀薄分层混合气燃烧（类似传统柴油机喷雾燃烧），因压缩比和比热容比提高、泵吸损失降低，油耗降低20%以上。但稀燃催化剂技术不成熟导致了氮氧化物排放无法满足近年来严格的排放法规，使分层稀燃GDI汽油机难以继续应用。2000年后始于欧洲的第二代GDI汽油机已成为目前的主流，其特征为继承了传统汽油机的均质混合气化学计量比燃烧，因而可采用现有成熟的三效催化剂，在满足新排放法规的同时，可降低油耗10%左右。第二代GDI保留了第一代GDI较高压缩比的特点，但稀燃条件下的高比热容比和低泵吸损失两个特点基本消失。近年来，国内外正在勾画第三代GDI汽油机，主要技术路线是提高压缩比、减小泵吸损失、合理利用废气和增压。但是，提高压缩比和采用增压都会遇到“爆震”这个汽油机的百年顽症；在中低负荷工况采用高浓度废气会造成着火和燃烧稳定性差，易产生微粒；GDI汽油机油气混合时间短，易产生碳烟排放。目前国际上新开发的车用汽油机中GDI的比例不断提高，欧洲汽车厂家2007年的这一比例达到70%，2008年达100%，GDI成为未来车用汽油机的主流已无疑问。柴油机则在保持压燃特点的前提下，通过提高喷油压力和缩小喷油器喷孔直径等措施，改善燃油雾化，提高燃油－空气的混合均匀度。

　　20世纪70年代末，国内外几乎同时提出了内燃机均质压燃燃烧的思想，即实现均匀混合气、压缩自燃着火的燃烧，它集中了传统柴油机的“压燃”和传统汽油机的“均匀燃油－空气混合气”的优点，使柴油机和汽油机达到燃烧的统一。但由于当时内燃机电控技术刚刚发展，这一燃烧方式很难得到有效控制，因此近20年发展缓慢。21世纪初，随着控制技术的发展和汽车内燃机排放法规的日益严格，国际学术界和工业界开始高度重视这一燃烧技术，因为它可实现高热效率和超低的碳烟微粒、氮氧化物排放，是对传统内燃机燃烧概念的重大突破。这一燃烧方式主要受控于化学反应动力学，因此它的着火时刻和燃烧反应速度控制困难。汽油机燃料挥发性好，易形成均质混合气，缺点是着火温度高，不易压燃。柴油自燃温度低，易压燃，但由于粘度高、挥发性低，很难在着火前与空气形成均匀混合气。其次，这一燃烧方式只能在较窄的工况范围内运行，过稀混合气或高辛烷值燃料在小负荷和怠速工况下容易“失火”，而在大负荷工况则易出现“爆震燃烧”（尤其是高十六烷值燃料）。

　　内燃机技术的发展方向和形式

　　以柴油机燃料系统为例。从20世纪20年代到70年代的半个世纪内，柴油机喷油系统始终是在机械、液压、气压的作用下进行自动控制，其中以机械调速器应用最广。人们殚精竭虑，增加了很多装置以扩大控制功能，如预喷、起动加浓、正副校正、喷油定时随转速（负荷）自动改变、增压补偿、大气压力补偿，但控制精度差，而且不能实现多段喷射，无法随工况变化灵活控制喷射喷油定时和压力。从20世纪70年代开始，随着电子和计算机技术的发展，柴油机燃料系统进入电控时代，迄今已经历了三代。第一代采用“位置控制”，保留了传统喷油系统的基本组成和结构（柱塞泵等），将机械调速器换成电子调速器。第二代采用“时间控制”，在第一代的基础上，采用高速电磁阀控制喷油定时和喷油量，但无法灵活喷油压力。第三代采用“时间－压力控制”，即共轨技术，继承了传统喷油系统喷油泵的凸轮－柱塞升压机构，但将升压机构与计量机构分开，从而实现了喷油定时、压力，甚至喷油规律的灵活控制。由此可见，技术的发展方向是新的技术辩证地否定旧的技术。这就要求我们学习理解已有知识和技术，避免否定一切的虚无主义；又要大胆探索，避免肯定一切的教条主义。一种技术只有在经过日积月累的改进（量变），当其功能达到极限时，才能被另一种新技术（质变）替代，而且这种质变往往需要一定的外界条件。这种替代也不是一天就全面完成的。共轨技术已广泛应用于汽车柴油机，但尚未应用于农机、工程机械等。因嫌共轨喷油系统工作不泼辣，有的用户甚至将它换成传统的机械喷油系统。

　　内燃机技术因各种矛盾运动而发展，因此内燃机科研在某种程度上就是折衷或解决矛盾。例如，二甲醚是一种无毒含氧燃料，易于雾化、汽化、储存与输运，能从煤、煤层气、天然气、生物质等多种资源制取，能实现高效清洁燃烧，是柴油机较好的代用燃料。但二甲醚发动机研制需要解决其低粘度引起的磨损和泄露问题、对橡胶密封件的溶涨问题、燃料系统的气阻问题。更重要的是解决因热值低需要的大喷射量与快速混合、燃烧的矛盾。同时，内燃机技术的发展与化学、电控、催化材料、燃料、加工、计算流体力学等密切相关，因此团队合作是必要的。也正因为复杂性，它的发展离不开试验。国家配套的内燃机体系，使我们能接触到单体技术的发展。我常想，有幸赶上了内燃机技术质变的时代，并有幸通过参加国家级课题体验或多少促进了其发展。我有个老师，是著名的内燃机专家，在90年代去世了，若他现在活着，会多么欣喜！我忘不了他采用温漂大且极易坏的压力传感器测试发动机燃烧的艰难和想方设法改善发动机性能的努力。我还有个数学老师，经常教导“要知其然，更要知其所以然”。对内燃机而言，用矛盾分析的方法，能做到既定性又定量的把握。

　　学者小传

　　乔信起，上海交通大学机械与动力工程学院内燃机研究所教授，博士生导师。1985年本科毕业于山东大学内燃机专业。1985年到1987年，工作于山东省机械设计研究院。1990年硕士毕业于山东大学内燃机专业。1990年到1993年任教于山东轻工业学院硅酸盐工程系。1998年博士毕业于大连理工大学内燃机专业。1999年上海交通大学动力工程及工程热物理博士后出站并留校。2010年至2011年在美国普渡大学机械工程学院访问研究，从事流场的激光测试研究。2012年到2013年，在浙江省海洋开发研究院挂职。

　　研究方向为：内燃机燃烧、性能与汽车代用燃料；内燃机设计、测试与电子控制；计算（环境）流体力学。主持或作为主要研究者完成了多项国家973、863、国家自然科学基金、上海市科技发展基金、上海市博士后基金、上海市联盟计划、高等学校博士点基金等项目。获辽宁省教育委员会科技进步二等奖，上海市科技进步一等奖、二等奖，上海国际汽车城首届创新人才精英赛创新奖，上海市教学成果三等奖、中国机械工业技术进步一等奖、国家科技进步二等奖、上海市优秀发明选拔赛一等奖等。2011年获批上海浦江计划。社会兼职：中国液体雾化与喷雾系统学组（ILASS-China）秘书长，中国二甲醚协会秘书长，上海市造船工程学会船舶轮机专业学术委员会副主任，中国内燃机学会中小功率柴油机分会委员，中国内燃机学会油品与清洁燃料分会委员。