【創(chuàng)新故事】
尋找清潔替代能源，是汽車發(fā)動機工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的重要路徑之一。氫，就是一種理想的未來能源載體。
摸清氫的“脾氣”，把這活潑的小分子變成驅(qū)動內(nèi)燃機的安全燃料，是北京理工大學機械與車輛學院孫柏剛教授團隊做了16年的事。
8月中旬，實驗室里，孫柏剛和團隊成員正在調(diào)試玉柴集團的氫內(nèi)燃機。內(nèi)燃機一次次轟鳴，他們一次次記錄、分析，研究提升內(nèi)燃機功率和扭矩的最佳方案。
“氫內(nèi)燃機高效、低碳，能實現(xiàn)近零污染物排放。但要用好氫能，并不容易??！”面對科技日報記者的采訪，孫柏剛感嘆道。
在庫房里建起實驗室
走上氫內(nèi)燃機研發(fā)之路，孫柏剛有一位領(lǐng)路人——已于2020年去世的車輛發(fā)動機專家、北京理工大學教授劉福水。
2000年初，劉福水去往德國攻讀博士學位，在那里承擔了德國車企的氫內(nèi)燃機項目?；貒螅麆訂T團隊里的孫柏剛：“你來搞一下氫內(nèi)燃機怎么樣？”
當時，研究了十幾年傳統(tǒng)內(nèi)燃機的孫柏剛坦言，自己還看不清氫內(nèi)燃機的前景，但愿意一試。
起步階段，可謂“一窮二白”。
“窮”，是沒有科研項目。沒有項目，也就沒有經(jīng)費。其他課題組從自己的可支配結(jié)題經(jīng)費中勻一部分給孫柏剛做研究，“窮”的問題暫時緩解。
“白”，則是既沒有實驗室，也沒有團隊。
實驗室沒法“勻”，那時樓里只剩一層還有一間庫房，簡單收拾收拾，就成了實驗室。
沒有團隊，孫柏剛邊動員新學生，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，借試驗人員……就這樣，搭好了一支能干活的隊伍。
當時他們實行“多線作戰(zhàn)”，同步推進。設(shè)備供應(yīng)商在會議室里調(diào)試臺架控制器；學生在實驗室外支起棚子做氫氣噴嘴的測試；借來的一個電控方向博士生，在自己的工位上調(diào)發(fā)動機的控制系統(tǒng)……
2006年4月，孫柏剛拿到庫房的鑰匙；7月底，實驗室就已初具雛形?！胺宽斏喜坏魱|西了，我們就進實驗室干活了?！睂O柏剛說，當時總覺得時不我待，“國外像寶馬、福特這樣的公司，已經(jīng)做了幾十年氫內(nèi)燃機，既然自己要做，那就得快點迎頭趕上！”
2006年10月，團隊獲得科技部的一個相關(guān)項目，有了第一筆正兒八經(jīng)的科研經(jīng)費。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
氫內(nèi)燃機保留了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的主要結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。它和汽油機、柴油機的區(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)燃機的研發(fā)帶來許多新問題。
由于氫可燃范圍廣，容易在內(nèi)燃機進氣道發(fā)生回火。簡單理解，回火就是提前在不該燃燒的地點發(fā)生了燃燒。它會損傷內(nèi)燃機的氣門和進氣道，甚至使氫內(nèi)燃機無法正常工作。
孫柏剛帶領(lǐng)的團隊建立了包含進氣道和氣缸的氫內(nèi)燃機一維/三維仿真模型，做了一系列試驗，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)燃機的不同轉(zhuǎn)速和負荷，需要調(diào)控噴氫壓力、流量、速度，優(yōu)化噴氫角度、噴氫時刻，找到最優(yōu)的噴氫相位。每臺發(fā)動機的最優(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。
“只能反復(fù)摸，反復(fù)試。”孫柏剛說，剛開始實驗?zāi)嵌螘r間，他們曾被一種不明原因的回火困擾，“這個問題卡了我們兩三個月”。
反復(fù)排查分析后大家發(fā)現(xiàn)，竟然是小小的點火線圈“作祟”。
在傳統(tǒng)車用柴油機中，車企為了降低成本，一般兩個氣缸合用一個點火線圈，同時點火。由于氣缸所處的運行狀態(tài)并不一樣，對其中一個缸來說，這是一次無效的富余點火。但把燃料換成易燃的氫氣后，共用點火線圈時的那次“無效點火”，也可能點燃氫氣空氣的混合物。
找到原因后，問題也迎刃而解——團隊給每個氣缸都換上了獨立的點火系統(tǒng)。
“主要是當時都沒想到這會是線圈的問題。”孫柏剛說，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機上的那些“約定俗成”，在氫面前都不靈了。
真正的氫內(nèi)燃機，一定要順著氫氣自身的“脾氣”做設(shè)計——這是孫柏剛團隊和氫打了十幾年交道總結(jié)出的經(jīng)驗。
幫企業(yè)跨過第一款樣機的門檻
如今，北京理工大學氫內(nèi)燃機團隊已相繼突破了氫內(nèi)燃機總體設(shè)計、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)等多項氫內(nèi)燃機關(guān)鍵技術(shù)；基本建立了一套具有國際先進水平的完整實驗平臺系統(tǒng)，成為中國為數(shù)不多的能夠進行氫內(nèi)燃機整機測試的完整實驗平臺之一；他們還為國內(nèi)多家重點企業(yè)開發(fā)了多種氫內(nèi)燃機。
從2017年起，團隊就嘗試推動氫內(nèi)燃機的市場化應(yīng)用，為企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)。2020年，“碳達峰”“碳中和”的目標提出，孫柏剛感到，一個氫內(nèi)燃機技術(shù)開發(fā)的新高潮即將來臨。目前，團隊幾乎和國內(nèi)的主流車企都接觸了個遍。
不過，從開發(fā)出原型機到最終商用，企業(yè)還需要付出艱苦卓絕的努力，進行上百項測試?！捌髽I(yè)不了解氫的‘脾氣’，我們就要幫他們把第一款樣機的門檻跨過去?！睂O柏剛介紹說，和企業(yè)合作時，團隊毫無保留。比如，他們不僅向企業(yè)交付計算模型，還主動給車企培訓如何使用模型。
隨著氫內(nèi)燃機得到更加廣泛的應(yīng)用，更多在實驗室難以發(fā)現(xiàn)的問題逐漸暴露出來。孫柏剛團隊已經(jīng)提前布局，進行技術(shù)儲備。他們正在和制造廠家合作，研究氫內(nèi)燃機的相關(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，經(jīng)過十幾年的歷練，這支“特別能吃苦”“特別團結(jié)”的氫內(nèi)燃機團隊，已經(jīng)能夠打硬仗、啃硬骨頭了！(本報記者 張蓋倫)