燃气内燃机动力系统关键技术助力实现“双碳”目标

从无到有的创新和步步为营的积累

在过去的几十年间，工业发展异常迅猛，但同时也对环境造成了严重的影响，其中包括生态环境的破坏、矿物资源的殆尽和环境污染。有专家总结，当前世界环境面临着三大问题：一是化石能源资源有限，二是温室气体二氧化碳大量排放，三是发展中国家城市空气污染日益加重。这三个问题的产生都与石油的燃烧密切相关，而内燃机作为交通运输、工程机械和船舶的主导动力，消耗着全球三分之二的石油资源，是大气污染和温室气体二氧化碳的主要来源。

在2020年的第75届联合国大会上，中国政府宣布中国将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。这一承诺体现出一个大国的责任与担当。切实做好“双碳”工作，不仅事关我国绿色经济复苏和高质量发展，而且对保护地球生态、推进应对气候变化的国际合作都具有重要意义。在这种情况下，全国各行各业都在碳减排及温室气体降低等方面加强研究，内燃机行业自然也承担着不可推卸的重要责任。

应美国能源部邀请，马凡华赴美考察氢能技术

既要增产增效，又要绿色环保，面对这一对看似矛盾的难题，实际上，早在20多年前就已有人未雨绸缪，寻求技术革新。在清华园内，有一支24年如一日奋战在科研一线，致力于探究内燃机动力系统关键技术研发的科研团队，以马凡华为带头人的这支科研团队经历了从无到有、由小到大的成长过程，为实现燃气内燃机关键技术从0到1的转变作出了实质性的重要贡献。

马凡华介绍，我国是内燃机的第一生产大国和第一消费大国。当前内燃机在发展中面临的最大挑战，就是追求近零有害排放、超高热效率、低碳排放，这是一个不断突破极限的过程。内燃机的有害物质排放和碳排放不仅关乎环境保护，还关乎国家经济安全，排放标准往往成为发达国家在贸易战中的有力武器。要突破这个瓶颈，就需要有新的科学技术做支撑，所以迫切需要在科技方面的创新。这对于我国内燃机科技工作者以及内燃机企业来说都是一个非常巨大的挑战。

是挑战，更是机遇。在马凡华看来，内燃机要积极拥抱电气化，比如混合动力发动机明显有助于实现节能减排，要与时俱进、勇立技术创新的潮头。自1995年起，天然气内燃机技术成为了国内外企业、科研机构研发的重点，掺氢天然气内燃机因效率高、碳排放低更成为全球研究的前沿和热点。

20世纪末，天然气汽车在国际上进入快速发展期，但彼时的国内市场完全被国外垄断，相关技术还是一片空白。“关键核心技术是买不来、要不来、讨不来的。我们只能走独立自主之路”。脖子“卡”在哪里，就在哪里突破，马凡华带领团队，开启了艰难的攻坚之路。

自2000年开始，项目团队在国家科技部“清洁汽车行动计划”、国家自然科学基金等多个国家科技项目的支持下，率先开展天然气内燃机、掺氢天然气内燃机的研发。项目研究的总体思路是针对天然气内燃机热效率低、排放法规不断加严和压缩天然气(CNG)汽车续航里程短这三大问题，通过突破燃气内燃机高效低碳清洁燃烧、燃气内燃机排放控制、大容量燃气高压气瓶轻量化三大关键技术，建立起我国燃气内燃机动力系统自主创新体系。

干事业不但要仰望星空，更要脚踏实地。大家都明白，若想自主研发先进的燃气内燃机动力系统，核心技术必须突破。这需要经历从基础理论、关键零部件技术、系统集成到综合验证的完整链条。作为一支从头开始的团队，大家初期阶段都是边干边学，他们经常白天在实验室忙科研，晚上回家还要翻阅大量文献和资料、并定期召开组会讨论学术和科研问题。马凡华还带领团队成员积极参加国际学术会议，与国际知名学者、跨国公司交流合作，紧跟燃气内燃机国际前沿技术。

正是在马凡华的主持下，燃气内燃机动力系统的每一项新技术的从无到有，都经历了“反反复复地论证、反反复复地设计、反反复复地改进”这一艰辛的过程。为了降低风险，团队一直奉行“早试、多试、严格试”的原则，不辞劳苦地开展各项试验和分析，并且要选择最苛刻的条件，测试最强的边界，其目的就是为了最大限度暴露问题，获取数据，及早发现，尽快解决，不断总结，一步一个脚印，谨慎对待每一个技术问题和每一个科研环节。

从跟跑、并跑到领跑的跨越

24年磨一剑。针对燃气内燃机动力系统热效率低、排放法规不断加严、压缩天然气（CNG）汽车续航里程短这摆在案头的三大难题，项目团队潜心研发，在这份实现节能减排和“双碳”愿景目标的试卷上作出了有力的回答。

首先，项目组发明了天然气内燃机高效低碳清洁燃烧及控制技术，研发出天然气内燃机混合气空燃比及EGR精确控制技术、快速燃烧技术、缸内燃烧闭环控制等技术；创建了掺氢天然气（HCNG）内燃机燃烧理论，建立了掺氢天然气层流、湍流火焰动力学理论体系，发现了宏观火焰传播速度与微观活性自由基的强相关性，构建了层流燃烧速度与掺氢比的非线性公式，揭示了掺氢降低天然气燃烧循环变动的机理。团队在国际上首次探索出HCNG内燃机最佳掺氢比为20%的结论、并制定了中国首个车用HCNG燃料国家标准，发明了燃气内燃机性能优化与标定技术。

其次，项目组研发出基于国产高性能32位处理器、具备完全自主知识产权的燃气内燃机电控系统，打破了国外技术垄断；独创天然气组分自学习控制策略，发明了多项燃气内燃机排放控制技术；发明了高性能天然气内燃机催化剂技术及制备方法，自主研发的高性价比铂钯铑型三效催化剂，达到国际领先水平；完成了国内唯一超低贵金属国六天然气内燃机用催化器70万公里环保认证，贵金属用量仅为国外催化剂的15%，成本降低80%。

最后，项目组发明了CNG环向气瓶内胆拉深制造工艺，研制成功国内首个260L大容积3.5mm薄壁钢质内胆碳纤维全缠绕天然气气瓶（CNG3），气瓶比重量降低30%，续航里程增加20%。在国际上首次成功开发出35MPa薄壁钢质内胆碳纤维全缠绕天然气气瓶（CNG3），储气量和续航里程均提升40%以上。在国际上首次研制成功车用HCNG燃料钢质内胆环向缠绕气瓶。

经专家鉴定，团队研发的国六排放13L天然气内燃机热效率、升功率指标已经位居国际领先水平；团队研发的HCNG内燃机热效率、排放性能也居于国际领先水平，团队在掺氢天然气内燃机燃烧理论和技术领域同样位居国际领先水平。团队研究成果共获省部级一等奖8项，获授权发明专利81项（其中美国专利2项）、实用新型专利40项，完成国家标准62项，发表论文200余篇（其中ESI论文3篇）。项目团队实现了我国燃气内燃机动力系统技术在国际上从跟跑、并跑到领跑的跨越。

产学研深度融合，任重而道远

从理论上看，内燃机燃料从传统燃油，逐步转换为天然气、掺氢天然气、氢（零碳）燃料，是国内外公认的技术路线。“但科研不是纸上谈兵，而是需要技术研发、样机制造和生产单位紧密协同、共同开发，来完成各项重大科研课题、达成预期目标。”马凡华多年来一直注重与企业紧密合作以及科研成果的转化应用，“有很多科研课题，我们的研究成果第一时间会在企业得到应用。企业在应用中发现一些问题，也会第一时间反馈给我们，我们就会了解企业和市场的需求，以及国内外技术和产品的发展趋势，把它真正研发出来，再应用到产品和市场，周而复始，这样就形成了一个良性循环。”

马凡华在北汽产投首届创新日活动中作报告

工程科学，最终要做的是推动工程科技和产品的进步。只有将产、学、研融于一体，才能实现真正意义上的协同式发展，才能实现跨越式创新。项目团队开发的燃气内燃机高效低碳清洁燃烧技术、燃气内燃机排放控制技术、大容量燃气高压气瓶轻量化技术，被广泛应用于东风、北汽福田、奇瑞商用车、重庆铃耀汽车、石油济柴、山东恒力、中国船舶集团六O五院等车用燃气内燃机/汽车及发电、船舶等领域。项目团队研发的燃气内燃机动力系统，打破了燃气内燃机动力系统关键零部件依赖进口的局面，引领了我国燃气内燃机动力系统技术创新和新产品开发，建立了我国燃气内燃机动力系统自主研发体系，实现了我国燃气内燃机/汽车从国四、国五到国六产品的技术跨越，每年可替代石油2000万吨，减少CO2排放3000万吨，减少颗粒排放5万吨。目前，国内市场保有量超过100万台，并大量出口印度、俄罗斯、泰国、埃及、墨西哥等国家和地区，近三年相关产品和技术收入369亿元，直接经济效益97.9亿元，创造了良好的经济和社会效益。

其中，北汽福田股份有限公司应用“燃气内燃机动力系统关键技术研发及产业化”项目团队的燃气内燃机高效低碳清洁燃烧技术、燃气内燃机排放控制技术、大容量燃气高压气瓶技术，开发了满足国四、国五、国六排放标准要求的多款中重型燃气汽车，在国内率先成功开发出“福田”天然气掺氢（HCNG）城市客车，HCNG城市客车在2008年北京奥运会上成功示范运行，为奥运会等重大活动提供保障用车，践行了科技创新、绿色环保理念，在科技界、产业界和国际上都产生了重要影响。

“莫道功成该歇马，二十五年再出发”。马凡华清楚，面向“双碳”目标的能源动力系统绿色转型绝不是一蹴而就的，也不是轻而易举的，这需要内燃机科研工作者与企业携手，积极推动产学研深度合作，持续加大对内燃机的科技创新、技术研发和人才培养的投入力度，以及政府政策的支持力度，让内燃机产业在节能减排，以及碳达峰、碳中和的战略目标中作出更大的贡献。

（供稿：《科学中国人》杂志）