【創(chuàng)新故事】
尋找清潔替代能源，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要路徑之一。氫，就是一種理想的未來(lái)能源載體。
摸清氫的“脾氣”，把這活潑的小分子變成驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的安全燃料，是北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院孫柏剛教授團(tuán)隊(duì)做了16年的事。
8月中旬，實(shí)驗(yàn)室里，孫柏剛和團(tuán)隊(duì)成員正在調(diào)試玉柴集團(tuán)的氫內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)一次次轟鳴，他們一次次記錄、分析，研究提升內(nèi)燃機(jī)功率和扭矩的最佳方案。
“氫內(nèi)燃機(jī)高效、低碳，能實(shí)現(xiàn)近零污染物排放。但要用好氫能，并不容易啊！”面對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者的采訪，孫柏剛感嘆道。
在庫(kù)房里建起實(shí)驗(yàn)室
走上氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)之路，孫柏剛有一位領(lǐng)路人——已于2020年去世的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)專家、北京理工大學(xué)教授劉福水。
2000年初，劉福水去往德國(guó)攻讀博士學(xué)位，在那里承擔(dān)了德國(guó)車企的氫內(nèi)燃機(jī)項(xiàng)目。回國(guó)后，他動(dòng)員團(tuán)隊(duì)里的孫柏剛：“你來(lái)搞一下氫內(nèi)燃機(jī)怎么樣？”
當(dāng)時(shí)，研究了十幾年傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的孫柏剛坦言，自己還看不清氫內(nèi)燃機(jī)的前景，但愿意一試。
起步階段，可謂“一窮二白”。
“窮”，是沒(méi)有科研項(xiàng)目。沒(méi)有項(xiàng)目，也就沒(méi)有經(jīng)費(fèi)。其他課題組從自己的可支配結(jié)題經(jīng)費(fèi)中勻一部分給孫柏剛做研究，“窮”的問(wèn)題暫時(shí)緩解。
“白”，則是既沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室，也沒(méi)有團(tuán)隊(duì)。
實(shí)驗(yàn)室沒(méi)法“勻”，那時(shí)樓里只剩一層還有一間庫(kù)房，簡(jiǎn)單收拾收拾，就成了實(shí)驗(yàn)室。
沒(méi)有團(tuán)隊(duì)，孫柏剛邊動(dòng)員新學(xué)生，邊找課題組其他研究方向“借”人。他還向合作的公司借工程師，借試驗(yàn)人員……就這樣，搭好了一支能干活的隊(duì)伍。
當(dāng)時(shí)他們實(shí)行“多線作戰(zhàn)”，同步推進(jìn)。設(shè)備供應(yīng)商在會(huì)議室里調(diào)試臺(tái)架控制器；學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室外支起棚子做氫氣噴嘴的測(cè)試；借來(lái)的一個(gè)電控方向博士生，在自己的工位上調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)……
2006年4月，孫柏剛拿到庫(kù)房的鑰匙；7月底，實(shí)驗(yàn)室就已初具雛形�！胺宽斏喜坏魱|西了，我們就進(jìn)實(shí)驗(yàn)室干活了�！睂O柏剛說(shuō)，當(dāng)時(shí)總覺(jué)得時(shí)不我待，“國(guó)外像寶馬、福特這樣的公司，已經(jīng)做了幾十年氫內(nèi)燃機(jī)，既然自己要做，那就得快點(diǎn)迎頭趕上！”
2006年10月，團(tuán)隊(duì)獲得科技部的一個(gè)相關(guān)項(xiàng)目，有了第一筆正兒八經(jīng)的科研經(jīng)費(fèi)。錢不算多，但解了燃眉之急，研究逐漸走向正軌。
順著氫的“脾氣”做設(shè)計(jì)
氫內(nèi)燃機(jī)保留了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。它和汽油機(jī)、柴油機(jī)的區(qū)別，主要在于燃料不同。
氫活潑，也易燃。它的這些特性，給內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)帶來(lái)許多新問(wèn)題。
由于氫可燃范圍廣，容易在內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道發(fā)生回火。簡(jiǎn)單理解，回火就是提前在不該燃燒的地點(diǎn)發(fā)生了燃燒。它會(huì)損傷內(nèi)燃機(jī)的氣門和進(jìn)氣道，甚至使氫內(nèi)燃機(jī)無(wú)法正常工作。
孫柏剛帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)建立了包含進(jìn)氣道和氣缸的氫內(nèi)燃機(jī)一維/三維仿真模型，做了一系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同工況下發(fā)生回火的原因也不同。
結(jié)合內(nèi)燃機(jī)的不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷，需要調(diào)控噴氫壓力、流量、速度，優(yōu)化噴氫角度、噴氫時(shí)刻，找到最優(yōu)的噴氫相位。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)噴氫相位都不一樣，甚至關(guān)鍵零部件一換，參數(shù)又有變動(dòng)。
“只能反復(fù)摸，反復(fù)試。”孫柏剛說(shuō)，剛開(kāi)始實(shí)驗(yàn)?zāi)嵌螘r(shí)間，他們?cè)灰环N不明原因的回火困擾，“這個(gè)問(wèn)題卡了我們兩三個(gè)月”。
反復(fù)排查分析后大家發(fā)現(xiàn)，竟然是小小的點(diǎn)火線圈“作祟”。
在傳統(tǒng)車用柴油機(jī)中，車企為了降低成本，一般兩個(gè)氣缸合用一個(gè)點(diǎn)火線圈，同時(shí)點(diǎn)火。由于氣缸所處的運(yùn)行狀態(tài)并不一樣，對(duì)其中一個(gè)缸來(lái)說(shuō)，這是一次無(wú)效的富余點(diǎn)火。但把燃料換成易燃的氫氣后，共用點(diǎn)火線圈時(shí)的那次“無(wú)效點(diǎn)火”，也可能點(diǎn)燃?xì)錃饪諝獾幕旌衔铩?/p>
找到原因后，問(wèn)題也迎刃而解——團(tuán)隊(duì)給每個(gè)氣缸都換上了獨(dú)立的點(diǎn)火系統(tǒng)。
“主要是當(dāng)時(shí)都沒(méi)想到這會(huì)是線圈的問(wèn)題�！睂O柏剛說(shuō)，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的那些“約定俗成”，在氫面前都不靈了。
真正的氫內(nèi)燃機(jī)，一定要順著氫氣自身的“脾氣”做設(shè)計(jì)——這是孫柏剛團(tuán)隊(duì)和氫打了十幾年交道總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)。
幫企業(yè)跨過(guò)第一款樣機(jī)的門檻
如今，北京理工大學(xué)氫內(nèi)燃機(jī)團(tuán)隊(duì)已相繼突破了氫內(nèi)燃機(jī)總體設(shè)計(jì)、氮氧化物排放控制技術(shù)、非正常燃燒抑制技術(shù)、車載氫供應(yīng)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等多項(xiàng)氫內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵技術(shù)；基本建立了一套具有國(guó)際先進(jìn)水平的完整實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，成為中國(guó)為數(shù)不多的能夠進(jìn)行氫內(nèi)燃機(jī)整機(jī)測(cè)試的完整實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一；他們還為國(guó)內(nèi)多家重點(diǎn)企業(yè)開(kāi)發(fā)了多種氫內(nèi)燃機(jī)。
從2017年起，團(tuán)隊(duì)就嘗試推動(dòng)氫內(nèi)燃機(jī)的市場(chǎng)化應(yīng)用，為企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)。2020年，“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)提出，孫柏剛感到，一個(gè)氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的新高潮即將來(lái)臨。目前，團(tuán)隊(duì)幾乎和國(guó)內(nèi)的主流車企都接觸了個(gè)遍。
不過(guò)，從開(kāi)發(fā)出原型機(jī)到最終商用，企業(yè)還需要付出艱苦卓絕的努力，進(jìn)行上百項(xiàng)測(cè)試�！捌髽I(yè)不了解氫的‘脾氣’，我們就要幫他們把第一款樣機(jī)的門檻跨過(guò)去。”孫柏剛介紹說(shuō)，和企業(yè)合作時(shí)，團(tuán)隊(duì)毫無(wú)保留。比如，他們不僅向企業(yè)交付計(jì)算模型，還主動(dòng)給車企培訓(xùn)如何使用模型。
隨著氫內(nèi)燃機(jī)得到更加廣泛的應(yīng)用，更多在實(shí)驗(yàn)室難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)。孫柏剛團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提前布局，進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。他們正在和制造廠家合作，研究氫內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)核心零部件。
今年50歲出頭的孫柏剛，頭發(fā)已然全白。他說(shuō)，經(jīng)過(guò)十幾年的歷練，這支“特別能吃苦”“特別團(tuán)結(jié)”的氫內(nèi)燃機(jī)團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)能夠打硬仗、啃硬骨頭了！(本報(bào)記者 張蓋倫)