從無到有的創(chuàng)新和步步為營的積累

在過去的幾十年間，工業(yè)發(fā)展異常迅猛，但同時也對環(huán)境造成了嚴重的影響，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)，當前世界環(huán)境面臨著三大問題：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)展中國家城市空氣污染日益加重。這三個問題的產(chǎn)生都與石油的燃燒密切相關(guān)，而內(nèi)燃機作為交通運輸、工程機械和船舶的主導動力，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源。

在2020年的第75屆聯(lián)合國大會上，中國政府宣布中國將力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和。這一承諾體現(xiàn)出一個大國的責任與擔當。切實做好“雙碳”工作，不僅事關(guān)我國綠色經(jīng)濟復(fù)蘇和高質(zhì)量發(fā)展，而且對保護地球生態(tài)、推進應(yīng)對氣候變化的國際合作都具有重要意義。在這種情況下，全國各行各業(yè)都在碳減排及溫室氣體降低等方面加強研究，內(nèi)燃機行業(yè)自然也承擔著不可推卸的重要責任。

▲應(yīng)美國能源部邀請，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，面對這一對看似矛盾的難題，實際上，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，致力于探究內(nèi)燃機動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的科研團隊，以馬凡華為帶頭人的這支科研團隊經(jīng)歷了從無到有、由小到大的成長過程，為實現(xiàn)燃氣內(nèi)燃機關(guān)鍵技術(shù)從0到1的轉(zhuǎn)變作出了實質(zhì)性的重要貢獻。

馬凡華介紹，我國是內(nèi)燃機的第一生產(chǎn)大國和第一消費大國。當前內(nèi)燃機在發(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，這是一個不斷突破極限的過程。內(nèi)燃機的有害物質(zhì)排放和碳排放不僅關(guān)乎環(huán)境保護，還關(guān)乎國家經(jīng)濟安全，排放標準往往成為發(fā)達國家在貿(mào)易戰(zhàn)中的有力武器。要突破這個瓶頸，就需要有新的科學技術(shù)做支撐，所以迫切需要在科技方面的創(chuàng)新。這對于我國內(nèi)燃機科技工作者以及內(nèi)燃機企業(yè)來說都是一個非常巨大的挑戰(zhàn)。

是挑戰(zhàn)，更是機遇。在馬凡華看來，內(nèi)燃機要積極擁抱電氣化，比如混合動力發(fā)動機明顯有助于實現(xiàn)節(jié)能減排，要與時俱進、勇立技術(shù)創(chuàng)新的潮頭。自1995年起，天然氣內(nèi)燃機技術(shù)成為了國內(nèi)外企業(yè)、科研機構(gòu)研發(fā)的重點，摻氫天然氣內(nèi)燃機因效率高、碳排放低更成為全球研究的前沿和熱點。

20世紀末，天然氣汽車在國際上進入快速發(fā)展期，但彼時的國內(nèi)市場完全被國外壟斷，相關(guān)技術(shù)還是一片空白。“關(guān)鍵核心技術(shù)是買不來、要不來、討不來的。我們只能走獨立自主之路”。脖子“卡”在哪里，就在哪里突破，馬凡華帶領(lǐng)團隊，開啟了艱難的攻堅之路。

自2000年開始，項目團隊在國家科技部“清潔汽車行動計劃”、國家自然科學基金等多個國家科技項目的支持下，率先開展天然氣內(nèi)燃機、摻氫天然氣內(nèi)燃機的研發(fā)。項目研究的總體思路是針對天然氣內(nèi)燃機熱效率低、排放法規(guī)不斷加嚴和壓縮天然氣(CNG)汽車續(xù)航里程短這三大問題，通過突破燃氣內(nèi)燃機高效低碳清潔燃燒、燃氣內(nèi)燃機排放控制、大容量燃氣高壓氣瓶輕量化三大關(guān)鍵技術(shù)，建立起我國燃氣內(nèi)燃機動力系統(tǒng)自主創(chuàng)新體系。

干事業(yè)不但要仰望星空，更要腳踏實地。大家都明白，若想自主研發(fā)先進的燃氣內(nèi)燃機動力系統(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)集成到綜合驗證的完整鏈條。作為一支從頭開始的團隊，大家初期階段都是邊干邊學，他們經(jīng)常白天在實驗室忙科研，晚上回家還要翻閱大量文獻和資料、并定期召開組會討論學術(shù)和科研問題。馬凡華還帶領(lǐng)團隊成員積極參加國際學術(shù)會議，與國際知名學者、跨國公司交流合作，緊跟燃氣內(nèi)燃機國際前沿技術(shù)。

正是在馬凡華的主持下，燃氣內(nèi)燃機動力系統(tǒng)的每一項新技術(shù)的從無到有，都經(jīng)歷了“反反復(fù)復(fù)地論證、反反復(fù)復(fù)地設(shè)計、反反復(fù)復(fù)地改進”這一艱辛的過程。為了降低風險，團隊一直奉行“早試、多試、嚴格試”的原則，不辭勞苦地開展各項試驗和分析，并且要選擇最苛刻的條件，測試最強的邊界，其目的就是為了最大限度暴露問題，獲取數(shù)據(jù)，及早發(fā)現(xiàn)，盡快解決，不斷總結(jié)，一步一個腳印，謹慎對待每一個技術(shù)問題和每一個科研環(huán)節(jié)。

從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越

24年磨一劍。針對燃氣內(nèi)燃機動力系統(tǒng)熱效率低、排放法規(guī)不斷加嚴、壓縮天然氣（CNG）汽車續(xù)航里程短這擺在案頭的三大難題，項目團隊潛心研發(fā)，在這份實現(xiàn)節(jié)能減排和“雙碳”愿景目標的試卷上作出了有力的回答。

首先，項目組發(fā)明了天然氣內(nèi)燃機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)燃機燃燒理論，建立了摻氫天然氣層流、湍流火焰動力學理論體系，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)變動的機理。團隊在國際上首次探索出HCNG內(nèi)燃機最佳摻氫比為20%的結(jié)論、并制定了中國首個車用HCNG燃料國家標準，發(fā)明了燃氣內(nèi)燃機性能優(yōu)化與標定技術(shù)。

其次，項目組研發(fā)出基于國產(chǎn)高性能32位處理器、具備完全自主知識產(chǎn)權(quán)的燃氣內(nèi)燃機電控系統(tǒng)，打破了國外技術(shù)壟斷；獨創(chuàng)天然氣組分自學習控制策略，發(fā)明了多項燃氣內(nèi)燃機排放控制技術(shù)；發(fā)明了高性能天然氣內(nèi)燃機催化劑技術(shù)及制備方法，自主研發(fā)的高性價比鉑鈀銠型三效催化劑，達到國際領(lǐng)先水平；完成了國內(nèi)唯一超低貴金屬國六天然氣內(nèi)燃機用催化器70萬公里環(huán)保認證，貴金屬用量僅為國外催化劑的15%，成本降低80%。

最后，項目組發(fā)明了CNG環(huán)向氣瓶內(nèi)膽拉深制造工藝，研制成功國內(nèi)首個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%。在國際上首次成功開發(fā)出35MPa薄壁鋼質(zhì)內(nèi)膽碳纖維全纏繞天然氣氣瓶（CNG3），儲氣量和續(xù)航里程均提升40%以上。在國際上首次研制成功車用HCNG燃料鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶。

經(jīng)專家鑒定，團隊研發(fā)的國六排放13L天然氣內(nèi)燃機熱效率、升功率指標已經(jīng)位居國際領(lǐng)先水平；團隊研發(fā)的HCNG內(nèi)燃機熱效率、排放性能也居于國際領(lǐng)先水平，團隊在摻氫天然氣內(nèi)燃機燃燒理論和技術(shù)領(lǐng)域同樣位居國際領(lǐng)先水平。團隊研究成果共獲省部級一等獎8項，獲授權(quán)發(fā)明專利81項（其中美國專利2項）、實用新型專利40項，完成國家標準62項，發(fā)表論文200余篇（其中ESI論文3篇）。項目團隊實現(xiàn)了我國燃氣內(nèi)燃機動力系統(tǒng)技術(shù)在國際上從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越。

產(chǎn)學研深度融合，任重而道遠

從理論上看，內(nèi)燃機燃料從傳統(tǒng)燃油，逐步轉(zhuǎn)換為天然氣、摻氫天然氣、氫（零碳）燃料，是國內(nèi)外公認的技術(shù)路線。“但科研不是紙上談兵，而是需要技術(shù)研發(fā)、樣機制造和生產(chǎn)單位緊密協(xié)同、共同開發(fā)，來完成各項重大科研課題、達成預(yù)期目標。”馬凡華多年來一直注重與企業(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間會在企業(yè)得到應(yīng)用。企業(yè)在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)一些問題，也會第一時間反饋給我們，我們就會了解企業(yè)和市場的需求，以及國內(nèi)外技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，把它真正研發(fā)出來，再應(yīng)用到產(chǎn)品和市場，周而復(fù)始，這樣就形成了一個良性循環(huán)。”

▲馬凡華在北汽產(chǎn)投首屆創(chuàng)新日活動中作報告

工程科學，最終要做的是推動工程科技和產(chǎn)品的進步。只有將產(chǎn)、學、研融于一體，才能實現(xiàn)真正意義上的協(xié)同式發(fā)展，才能實現(xiàn)跨越式創(chuàng)新。項目團隊開發(fā)的燃氣內(nèi)燃機高效低碳清潔燃燒技術(shù)、燃氣內(nèi)燃機排放控制技術(shù)、大容量燃氣高壓氣瓶輕量化技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于東風、北汽福田、奇瑞商用車、重慶鈴耀汽車、石油濟柴、山東恒力、中國船舶集團六O五院等車用燃氣內(nèi)燃機/汽車及發(fā)電、船舶等領(lǐng)域。項目團隊研發(fā)的燃氣內(nèi)燃機動力系統(tǒng)，打破了燃氣內(nèi)燃機動力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件依賴進口的局面，引領(lǐng)了我國燃氣內(nèi)燃機動力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)，建立了我國燃氣內(nèi)燃機動力系統(tǒng)自主研發(fā)體系，實現(xiàn)了我國燃氣內(nèi)燃機/汽車從國四、國五到國六產(chǎn)品的技術(shù)跨越，每年可替代石油2000萬噸，減少CO2排放3000萬噸，減少顆粒排放5萬噸。目前，國內(nèi)市場保有量超過100萬臺，并大量出口印度、俄羅斯、泰國、埃及、墨西哥等國家和地區(qū)，近三年相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)收入369億元，直接經(jīng)濟效益97.9億元，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟和社會效益。

其中，北汽福田股份有限公司應(yīng)用“燃氣內(nèi)燃機動力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項目團隊的燃氣內(nèi)燃機高效低碳清潔燃燒技術(shù)、燃氣內(nèi)燃機排放控制技術(shù)、大容量燃氣高壓氣瓶技術(shù)，開發(fā)了滿足國四、國五、國六排放標準要求的多款中重型燃氣汽車，在國內(nèi)率先成功開發(fā)出“福田”天然氣摻氫（HCNG）城市客車，HCNG城市客車在2008年北京奧運會上成功示范運行，為奧運會等重大活動提供保障用車，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”目標的能源動力系統(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)燃機科研工作者與企業(yè)攜手，積極推動產(chǎn)學研深度合作，持續(xù)加大對內(nèi)燃機的科技創(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)燃機產(chǎn)業(yè)在節(jié)能減排，以及碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標中作出更大的貢獻。

（供稿：《科學中國人》雜志）