從無(wú)到有的創(chuàng)新和步步為營(yíng)的積累

在過(guò)去的幾十年間，工業(yè)發(fā)展異常迅猛，但同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，其中包括生態(tài)環(huán)境的破壞、礦物資源的殆盡和環(huán)境污染。有專家總結(jié)，當(dāng)前世界環(huán)境面臨著三大問(wèn)題：一是化石能源資源有限，二是溫室氣體二氧化碳大量排放，三是發(fā)展中國(guó)家城市空氣污染日益加重。這三個(gè)問(wèn)題的產(chǎn)生都與石油的燃燒密切相關(guān)，而內(nèi)燃機(jī)作為交通運(yùn)輸、工程機(jī)械和船舶的主導(dǎo)動(dòng)力，消耗著全球三分之二的石油資源，是大氣污染和溫室氣體二氧化碳的主要來(lái)源。

在2020年的第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，中國(guó)政府宣布中國(guó)將力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。這一承諾體現(xiàn)出一個(gè)大國(guó)的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。切實(shí)做好“雙碳”工作，不僅事關(guān)我國(guó)綠色經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和高質(zhì)量發(fā)展，而且對(duì)保護(hù)地球生態(tài)、推進(jìn)應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)際合作都具有重要意義。在這種情況下，全國(guó)各行各業(yè)都在碳減排及溫室氣體降低等方面加強(qiáng)研究，內(nèi)燃機(jī)行業(yè)自然也承擔(dān)著不可推卸的重要責(zé)任。

▲應(yīng)美國(guó)能源部邀請(qǐng)，馬凡華赴美考察氫能技術(shù)

既要增產(chǎn)增效，又要綠色環(huán)保，面對(duì)這一對(duì)看似矛盾的難題，實(shí)際上，早在20多年前就已有人未雨綢繆，尋求技術(shù)革新。在清華園內(nèi)，有一支24年如一日奮戰(zhàn)在科研一線，致力于探究?jī)?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的科研團(tuán)隊(duì)，以馬凡華為帶頭人的這支科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了從無(wú)到有、由小到大的成長(zhǎng)過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)關(guān)鍵技術(shù)從0到1的轉(zhuǎn)變作出了實(shí)質(zhì)性的重要貢獻(xiàn)。

馬凡華介紹，我國(guó)是內(nèi)燃機(jī)的第一生產(chǎn)大國(guó)和第一消費(fèi)大國(guó)。當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)在發(fā)展中面臨的最大挑戰(zhàn)，就是追求近零有害排放、超高熱效率、低碳排放，這是一個(gè)不斷突破極限的過(guò)程。內(nèi)燃機(jī)的有害物質(zhì)排放和碳排放不僅關(guān)乎環(huán)境保護(hù)，還關(guān)乎國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全，排放標(biāo)準(zhǔn)往往成為發(fā)達(dá)國(guó)家在貿(mào)易戰(zhàn)中的有力武器。要突破這個(gè)瓶頸，就需要有新的科學(xué)技術(shù)做支撐，所以迫切需要在科技方面的創(chuàng)新。這對(duì)于我國(guó)內(nèi)燃機(jī)科技工作者以及內(nèi)燃機(jī)企業(yè)來(lái)說(shuō)都是一個(gè)非常巨大的挑戰(zhàn)。

是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇。在馬凡華看來(lái)，內(nèi)燃機(jī)要積極擁抱電氣化，比如混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)明顯有助于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，要與時(shí)俱進(jìn)、勇立技術(shù)創(chuàng)新的潮頭。自1995年起，天然氣內(nèi)燃機(jī)技術(shù)成為了國(guó)內(nèi)外企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)研發(fā)的重點(diǎn)，摻氫天然氣內(nèi)燃機(jī)因效率高、碳排放低更成為全球研究的前沿和熱點(diǎn)。

20世紀(jì)末，天然氣汽車(chē)在國(guó)際上進(jìn)入快速發(fā)展期，但彼時(shí)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)完全被國(guó)外壟斷，相關(guān)技術(shù)還是一片空白。“關(guān)鍵核心技術(shù)是買(mǎi)不來(lái)、要不來(lái)、討不來(lái)的。我們只能走獨(dú)立自主之路”。脖子“卡”在哪里，就在哪里突破，馬凡華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)啟了艱難的攻堅(jiān)之路。

自2000年開(kāi)始，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在國(guó)家科技部“清潔汽車(chē)行動(dòng)計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金等多個(gè)國(guó)家科技項(xiàng)目的支持下，率先開(kāi)展天然氣內(nèi)燃機(jī)、摻氫天然氣內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)。項(xiàng)目研究的總體思路是針對(duì)天然氣內(nèi)燃機(jī)熱效率低、排放法規(guī)不斷加嚴(yán)和壓縮天然氣(CNG)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程短這三大問(wèn)題，通過(guò)突破燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)高效低碳清潔燃燒、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排放控制、大容量燃?xì)飧邏簹馄枯p量化三大關(guān)鍵技術(shù)，建立起我國(guó)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)自主創(chuàng)新體系。

干事業(yè)不但要仰望星空，更要腳踏實(shí)地。大家都明白，若想自主研發(fā)先進(jìn)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，核心技術(shù)必須突破。這需要經(jīng)歷從基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵零部件技術(shù)、系統(tǒng)集成到綜合驗(yàn)證的完整鏈條。作為一支從頭開(kāi)始的團(tuán)隊(duì)，大家初期階段都是邊干邊學(xué)，他們經(jīng)常白天在實(shí)驗(yàn)室忙科研，晚上回家還要翻閱大量文獻(xiàn)和資料、并定期召開(kāi)組會(huì)討論學(xué)術(shù)和科研問(wèn)題。馬凡華還帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員積極參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，與國(guó)際知名學(xué)者、跨國(guó)公司交流合作，緊跟燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)國(guó)際前沿技術(shù)。

正是在馬凡華的主持下，燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的每一項(xiàng)新技術(shù)的從無(wú)到有，都經(jīng)歷了“反反復(fù)復(fù)地論證、反反復(fù)復(fù)地設(shè)計(jì)、反反復(fù)復(fù)地改進(jìn)”這一艱辛的過(guò)程。為了降低風(fēng)險(xiǎn)，團(tuán)隊(duì)一直奉行“早試、多試、嚴(yán)格試”的原則，不辭勞苦地開(kāi)展各項(xiàng)試驗(yàn)和分析，并且要選擇最苛刻的條件，測(cè)試最強(qiáng)的邊界，其目的就是為了最大限度暴露問(wèn)題，獲取數(shù)據(jù)，及早發(fā)現(xiàn)，盡快解決，不斷總結(jié)，一步一個(gè)腳印，謹(jǐn)慎對(duì)待每一個(gè)技術(shù)問(wèn)題和每一個(gè)科研環(huán)節(jié)。

從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越

24年磨一劍。針對(duì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)熱效率低、排放法規(guī)不斷加嚴(yán)、壓縮天然氣（CNG）汽車(chē)?yán)m(xù)航里程短這擺在案頭的三大難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)潛心研發(fā)，在這份實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和“雙碳”愿景目標(biāo)的試卷上作出了有力的回答。

首先，項(xiàng)目組發(fā)明了天然氣內(nèi)燃機(jī)高效低碳清潔燃燒及控制技術(shù)，研發(fā)出天然氣內(nèi)燃機(jī)混合氣空燃比及EGR精確控制技術(shù)、快速燃燒技術(shù)、缸內(nèi)燃燒閉環(huán)控制等技術(shù)；創(chuàng)建了摻氫天然氣（HCNG）內(nèi)燃機(jī)燃燒理論，建立了摻氫天然氣層流、湍流火焰動(dòng)力學(xué)理論體系，發(fā)現(xiàn)了宏觀火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c微觀活性自由基的強(qiáng)相關(guān)性，構(gòu)建了層流燃燒速度與摻氫比的非線性公式，揭示了摻氫降低天然氣燃燒循環(huán)變動(dòng)的機(jī)理。團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次探索出HCNG內(nèi)燃機(jī)最佳摻氫比為20%的結(jié)論、并制定了中國(guó)首個(gè)車(chē)用HCNG燃料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)明了燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)性能優(yōu)化與標(biāo)定技術(shù)。

其次，項(xiàng)目組研發(fā)出基于國(guó)產(chǎn)高性能32位處理器、具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)電控系統(tǒng)，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷；獨(dú)創(chuàng)天然氣組分自學(xué)習(xí)控制策略，發(fā)明了多項(xiàng)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排放控制技術(shù)；發(fā)明了高性能天然氣內(nèi)燃機(jī)催化劑技術(shù)及制備方法，自主研發(fā)的高性價(jià)比鉑鈀銠型三效催化劑，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；完成了國(guó)內(nèi)唯一超低貴金屬國(guó)六天然氣內(nèi)燃機(jī)用催化器70萬(wàn)公里環(huán)保認(rèn)證，貴金屬用量?jī)H為國(guó)外催化劑的15%，成本降低80%。

最后，項(xiàng)目組發(fā)明了CNG環(huán)向氣瓶?jī)?nèi)膽拉深制造工藝，研制成功國(guó)內(nèi)首個(gè)260L大容積3.5mm薄壁鋼質(zhì)內(nèi)膽碳纖維全纏繞天然氣氣瓶（CNG3），氣瓶比重量降低30%，續(xù)航里程增加20%。在國(guó)際上首次成功開(kāi)發(fā)出35MPa薄壁鋼質(zhì)內(nèi)膽碳纖維全纏繞天然氣氣瓶（CNG3），儲(chǔ)氣量和續(xù)航里程均提升40%以上。在國(guó)際上首次研制成功車(chē)用HCNG燃料鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶。

經(jīng)專家鑒定，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國(guó)六排放13L天然氣內(nèi)燃機(jī)熱效率、升功率指標(biāo)已經(jīng)位居國(guó)際領(lǐng)先水平；團(tuán)隊(duì)研發(fā)的HCNG內(nèi)燃機(jī)熱效率、排放性能也居于國(guó)際領(lǐng)先水平，團(tuán)隊(duì)在摻氫天然氣內(nèi)燃機(jī)燃燒理論和技術(shù)領(lǐng)域同樣位居國(guó)際領(lǐng)先水平。團(tuán)隊(duì)研究成果共獲省部級(jí)一等獎(jiǎng)8項(xiàng)，獲授權(quán)發(fā)明專利81項(xiàng)（其中美國(guó)專利2項(xiàng)）、實(shí)用新型專利40項(xiàng)，完成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)62項(xiàng)，發(fā)表論文200余篇（其中ESI論文3篇）。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了我國(guó)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)在國(guó)際上從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越。

產(chǎn)學(xué)研深度融合，任重而道遠(yuǎn)

從理論上看，內(nèi)燃機(jī)燃料從傳統(tǒng)燃油，逐步轉(zhuǎn)換為天然氣、摻氫天然氣、氫（零碳）燃料，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的技術(shù)路線。“但科研不是紙上談兵，而是需要技術(shù)研發(fā)、樣機(jī)制造和生產(chǎn)單位緊密協(xié)同、共同開(kāi)發(fā)，來(lái)完成各項(xiàng)重大科研課題、達(dá)成預(yù)期目標(biāo)。”馬凡華多年來(lái)一直注重與企業(yè)緊密合作以及科研成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，“有很多科研課題，我們的研究成果第一時(shí)間會(huì)在企業(yè)得到應(yīng)用。企業(yè)在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，也會(huì)第一時(shí)間反饋給我們，我們就會(huì)了解企業(yè)和市場(chǎng)的需求，以及國(guó)內(nèi)外技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，把它真正研發(fā)出來(lái)，再應(yīng)用到產(chǎn)品和市場(chǎng)，周而復(fù)始，這樣就形成了一個(gè)良性循環(huán)。”

▲馬凡華在北汽產(chǎn)投首屆創(chuàng)新日活動(dòng)中作報(bào)告

工程科學(xué)，最終要做的是推動(dòng)工程科技和產(chǎn)品的進(jìn)步。只有將產(chǎn)、學(xué)、研融于一體，才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的協(xié)同式發(fā)展，才能實(shí)現(xiàn)跨越式創(chuàng)新。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)高效低碳清潔燃燒技術(shù)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排放控制技術(shù)、大容量燃?xì)飧邏簹馄枯p量化技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于東風(fēng)、北汽福田、奇瑞商用車(chē)、重慶鈴耀汽車(chē)、石油濟(jì)柴、山東恒力、中國(guó)船舶集團(tuán)六O五院等車(chē)用燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)/汽車(chē)及發(fā)電、船舶等領(lǐng)域。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，打破了燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件依賴進(jìn)口的局面，引領(lǐng)了我國(guó)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，建立了我國(guó)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)自主研發(fā)體系，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)/汽車(chē)從國(guó)四、國(guó)五到國(guó)六產(chǎn)品的技術(shù)跨越，每年可替代石油2000萬(wàn)噸，減少CO2排放3000萬(wàn)噸，減少顆粒排放5萬(wàn)噸。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)保有量超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)，并大量出口印度、俄羅斯、泰國(guó)、埃及、墨西哥等國(guó)家和地區(qū)，近三年相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)收入369億元，直接經(jīng)濟(jì)效益97.9億元，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

其中，北汽福田股份有限公司應(yīng)用“燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)高效低碳清潔燃燒技術(shù)、燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)排放控制技術(shù)、大容量燃?xì)飧邏簹馄考夹g(shù)，開(kāi)發(fā)了滿足國(guó)四、國(guó)五、國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)要求的多款中重型燃?xì)馄?chē)，在國(guó)內(nèi)率先成功開(kāi)發(fā)出“福田”天然氣摻氫（HCNG）城市客車(chē)，HCNG城市客車(chē)在2008年北京奧運(yùn)會(huì)上成功示范運(yùn)行，為奧運(yùn)會(huì)等重大活動(dòng)提供保障用車(chē)，踐行了科技創(chuàng)新、綠色環(huán)保理念，在科技界、產(chǎn)業(yè)界和國(guó)際上都產(chǎn)生了重要影響。

“莫道功成該歇馬，二十五年再出發(fā)”。馬凡華清楚，面向“雙碳”目標(biāo)的能源動(dòng)力系統(tǒng)綠色轉(zhuǎn)型絕不是一蹴而就的，也不是輕而易舉的，這需要內(nèi)燃機(jī)科研工作者與企業(yè)攜手，積極推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研深度合作，持續(xù)加大對(duì)內(nèi)燃機(jī)的科技創(chuàng)新、技術(shù)研發(fā)和人才培養(yǎng)的投入力度，以及政府政策的支持力度，讓內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)在節(jié)能減排，以及碳達(dá)峰、碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)中作出更大的貢獻(xiàn)。

（供稿：《科學(xué)中國(guó)人》雜志）