從無到有的創新和步步為營的積累

在過去的幾十年間，工業發展異常迅猛，但同時也對環境造成了嚴重的影響，其中包括生態環境的破壞、礦物資源的殆盡和環境污染。有專家總結，當前世界環境面臨著三大問題：一是化石能源資源有限，二是溫室氣體二氧化碳大量排放，三是發展中國家城市空氣污染日益加重。這三個問題的產生都與石油的燃燒密切相關，而內燃機作為交通運輸、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屆聯合國大會上，中國政府宣布中國將力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。這一承諾體現出一個大國的責任與擔當。切實做好“雙碳”工作，不僅事關我國綠色經濟復蘇和高質量發展，而且對保護地球生態、推進應對氣候變化的國際合作都具有重要意義。在這種情況下，全國各行各業都在碳減排及溫室氣體降低等方面加強研究，內燃機行業自然也承擔著不可推卸的重要責任。

▲應美國能源部邀請，馬凡華赴美考察氫能技術

既要增產增效，又要綠色環保，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，尋求技術革新。在清華園內，有一支24年如一日奮戰在科研一線，致力于探究內燃機動力系統關鍵技術研發的科研團隊，以馬凡華為帶頭人的這支科研團隊經歷了從無到有、由小到大的成長過程，為實現燃氣內燃機關鍵技術從0到1的轉變作出了實質性的重要貢獻。

馬凡華介紹，我國是內燃機的第一生產大國和第一消費大國。當前內燃機在發展中面臨的最大挑戰，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。內燃機的有害物質排放和碳排放不僅關乎環境保護，還關乎國家經濟安全，排放標準往往成為發達國家在貿易戰中的有力武器。要突破這個瓶頸，就需要有新的科學技術做支撐，所以迫切需要在科技方面的創新。這對于我國內燃機科技工作者以及內燃機企業來說都是一個非常巨大的挑戰。

是挑戰，更是機遇。在馬凡華看來，內燃機要積極擁抱電氣化，比如混合動力發動機明顯有助于實現節能減排，要與時俱進、勇立技術創新的潮頭。自1995年起，天然氣內燃機技術成為了國內外企業、科研機構研發的重點，摻氫天然氣內燃機因效率高、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展期，但彼時的國內市場完全被國外壟斷，相關技術還是一片空白。“關鍵核心技術是買不來、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，率先開展天然氣內燃機、摻氫天然氣內燃機的研發。項目研究的總體思路是針對天然氣內燃機熱效率低、排放法規不斷加嚴和壓縮天然氣(CNG)汽車續航里程短這三大問題，通過突破燃氣內燃機高效低碳清潔燃燒、燃氣內燃機排放控制、大容量燃氣高壓氣瓶輕量化三大關鍵技術，建立起我國燃氣內燃機動力系統自主創新體系。

干事業不但要仰望星空，更要腳踏實地。大家都明白，若想自主研發先進的燃氣內燃機動力系統，核心技術必須突破。這需要經歷從基礎理論、關鍵零部件技術、系統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和科研問題。馬凡華還帶領團隊成員積極參加國際學術會議，與國際知名學者、跨國公司交流合作，緊跟燃氣內燃機國際前沿技術。

正是在馬凡華的主持下，燃氣內燃機動力系統的每一項新技術的從無到有，都經歷了“反反復復地論證、反反復復地設計、反反復復地改進”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，獲取數據，及早發現，盡快解決，不斷總結，一步一個腳印，謹慎對待每一個技術問題和每一個科研環節。

從跟跑、并跑到領跑的跨越

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

首先，項目組發明了天然氣內燃機高效低碳清潔燃燒及控制技術，研發出天然氣內燃機混合氣空燃比及EGR精確控制技術、快速燃燒技術、缸內燃燒閉環控制等技術；創建了摻氫天然氣（HCNG）內燃機燃燒理論，建立了摻氫天然氣層流、湍流火焰動力學理論體系，發現了宏觀火焰傳播速度與微觀活性自由基的強相關性，構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變動的機理。團隊在國際上首次探索出HCNG內燃機最佳摻氫比為20%的結論、并制定了中國首個車用HCNG燃料國家標準，發明了燃氣內燃機性能優化與標定技術。

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

最后，項目組發明了CNG環向氣瓶內膽拉深制造工藝，研制成功國內首個260L大容積3.5mm薄壁鋼質內膽碳纖維全纏繞天然氣氣瓶（CNG3），氣瓶比重量降低30%，續航里程增加20%。在國際上首次成功開發出35MPa薄壁鋼質內膽碳纖維全纏繞天然氣氣瓶（CNG3），儲氣量和續航里程均提升40%以上。在國際上首次研制成功車用HCNG燃料鋼質內膽環向纏繞氣瓶。

經專家鑒定，團隊研發的國六排放13L天然氣內燃機熱效率、升功率指標已經位居國際領先水平；團隊研發的HCNG內燃機熱效率、排放性能也居于國際領先水平，團隊在摻氫天然氣內燃機燃燒理論和技術領域同樣位居國際領先水平。團隊研究成果共獲省部級一等獎8項，獲授權發明專利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，發表論文200余篇（其中ESI論文3篇）。項目團隊實現了我國燃氣內燃機動力系統技術在國際上從跟跑、并跑到領跑的跨越。

產學研深度融合，任重而道遠

從理論上看，內燃機燃料從傳統燃油，逐步轉換為天然氣、摻氫天然氣、氫（零碳）燃料，是國內外公認的技術路線。“但科研不是紙上談兵，而是需要技術研發、樣機制造和生產單位緊密協同、共同開發，來完成各項重大科研課題、達成預期目標。”馬凡華多年來一直注重與企業緊密合作以及科研成果的轉化應用，“有很多科研課題，我們的研究成果第一時間會在企業得到應用。企業在應用中發現一些問題，也會第一時間反饋給我們，我們就會了解企業和市場的需求，以及國內外技術和產品的發展趨勢，把它真正研發出來，再應用到產品和市場，周而復始，這樣就形成了一個良性循環。”

▲馬凡華在北汽產投首屆創新日活動中作報告

工程科學，最終要做的是推動工程科技和產品的進步。只有將產、學、研融于一體，才能實現真正意義上的協同式發展，才能實現跨越式創新。項目團隊開發的燃氣內燃機高效低碳清潔燃燒技術、燃氣內燃機排放控制技術、大容量燃氣高壓氣瓶輕量化技術，被廣泛應用于東風、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五院等車用燃氣內燃機/汽車及發電、船舶等領域。項目團隊研發的燃氣內燃機動力系統，打破了燃氣內燃機動力系統關鍵零部件依賴進口的局面，引領了我國燃氣內燃機動力系統技術創新和新產品開發，建立了我國燃氣內燃機動力系統自主研發體系，實現了我國燃氣內燃機/汽車從國四、國五到國六產品的技術跨越，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，近三年相關產品和技術收入369億元，直接經濟效益97.9億元，創造了良好的經濟和社會效益。

其中，北汽福田股份有限公司應用“燃氣內燃機動力系統關鍵技術研發及產業化”項目團隊的燃氣內燃機高效低碳清潔燃燒技術、燃氣內燃機排放控制技術、大容量燃氣高壓氣瓶技術，開發了滿足國四、國五、國六排放標準要求的多款中重型燃氣汽車，在國內率先成功開發出“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，踐行了科技創新、綠色環保理念，在科技界、產業界和國際上都產生了重要影響。

“莫道功成該歇馬，二十五年再出發”。馬凡華清楚，面向“雙碳”目標的能源動力系統綠色轉型絕不是一蹴而就的，也不是輕而易舉的，這需要內燃機科研工作者與企業攜手，積極推動產學研深度合作，持續加大對內燃機的科技創新、技術研發和人才培養的投入力度，以及政府政策的支持力度，讓內燃機產業在節能減排，以及碳達峰、碳中和的戰略目標中作出更大的貢獻。

（供稿：《科學中國人》雜志）