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评论|破解世界内燃机工业百年难题 潍柴“创新引擎”声震全球

时间:2020-10-20 来源:大众日报 作者:木子

  在世界内燃机工业史长河中,中国无疑是一名“后来者”。当1897年德国工程师鲁道夫·狄赛尔首创压缩点火式内燃机,世界上第一台柴油机成功面世时,中国尚处于晚清的衰落期,民族工业在洋务运动的“催生”下艰难萌芽。

  一百多年后,这名“后来者”改写了历史格局,开启了中国人领跑的新篇章。

  2020年9月16日,中国装备制造业的领军企业潍柴,发布全球首款热效率突破50%的商业化商用车柴油机。中国内燃机国家检测机构中国汽车技术研究中心有限公司、国际权威内燃机检测机构德国TüV南德意志集团将热效率达到50.26%的认证证书颁发给潍柴。

  消息一经发布,世界内燃机行业震惊了。短短2周内,国内外媒体点击量高达4亿人次,10月1日央视《经济半小时》、10月2日央视《新闻联播》重磅播出,非常罕见;海外美国《Diesel Net》(柴油机网)、德国《KFZ Anzeiger》(商用车指南)和《Power World》(动力世界)、意大利ANSA(安莎社)和《Il Sole 24 ORE》(24小时太阳报)、英国《The Engineer》(工程师)、北欧《Diesel Progress International》(国际柴油机械)、俄罗斯ИТАР-ТАСС(俄塔社)等国际权威媒体纷纷进行了报道。

  50.26%,世界内燃机的一座里程碑。热效率是衡量内燃机燃油利用效率的标准,热效率越高,燃油消耗越少,节能减排的效果就越显著。纵观世界,柴油机的发展历史就是一部热效率不断提升的历史。自1897年,世界上第一台柴油机成功面世,历经百年的改造升级与新技术应用,直到当今,柴油机平均热效率才从26%提升到了46%。尤其是近年来,排放法规日益趋严,热效率提升遇到了巨大的瓶颈,提升难度越来越大,进展十分缓慢。此次,潍柴一举突破50%热效率,犹如人类史上首次百米跑进10秒。

  勇闯深水区

  着力攻克关键核心技术

  当下,电动化是全球汽车工业公认的未来发展方向,一些国家甚至推出了内燃机车辆的退出时间表。但是内燃机在国民经济中将长期保持着不可替代性。我国是世界内燃机产销大国,内燃机是石油消耗的最大主体产业,二氧化碳排放量占全国总量的10%,氮氧化物排放量占30%,颗粒物排放超过60万吨。提升发动机热效率,成为当前节能减排的重要途径。

  以目前46%的行业平均热效率水平估算,热效率提升至50%,柴油消耗将降低8%,二氧化碳排放减少8%。按照目前国内重型柴油机市场保有量700万台估算,如果全部替换为50%热效率的柴油机,每年大概可节约燃油3332万吨,减少二氧化碳排放10495万吨。

  “潍柴是全球最大的柴油机生产制造基地,潍柴的发展应该承担什么样的责任,我们一直在思考这个问题,2015年我们就提出了能不能挑战50%热效率?”潍柴集团董事长谭旭光表示,设想一提出,就遭到技术专家的质疑,国外那些先进企业都没有做到,潍柴凭什么能做到?

  “我从入门学习柴油机到现在,43年没离开过柴油机领域,对柴油机技术有着深刻的理解。确定了目标后,我们做了三件事,第一和全球科研机构合作,任何技术的开发都不是一家关着门能实现的;第二和全球产业链合作,比如世界一流的德国博世集团;第三就是高举高打,上去就是打50%,而且50%是留有余地的,我当时就说得很清楚,不是实现50%,而是超过50%。”

  5年来,在谭旭光的带领下,潍柴成立专门热效率技术攻关团队,通过大量的仿真和台架试验,经过上千种方案的探索分析,不断尝试与改进,独创五大专有技术,以每个0.1%的累加艰难推进。

  “亦余心之所善兮,虽九死其犹未悔。”潍柴动力发动机研究院常务副院长郭圣刚说,谭总不光给我们设定了一个令人兴奋的目标,并且给我们制定了实现这个目标的技术路径。比如,从一开始他就要求发动机的最高爆发压力要超过250bar。当时,国际国内柴油机的爆压远远低于这个数值,我们认为这更难实现。技术突破之路从来不是一条坦途,永远要面对困难和挑战。2019年试验数据就到了49%,但是剩下这1%的提升,却是一个非常痛苦及漫长的过程。“要把上千零部件在发动机里面发挥的效率达到最好状态,把每个零部件做到接近极致,这是很难的。”

  面对苛刻的要求,潍柴的工程师夜以继日,不断试错,从各个角度寻找解决方案。在经过摩擦、散热、燃烧、降泵气损失等多方面尝试后,最终把发动机各个方面的功能运转发挥到极致,将热效率提高到了50%。

  只有敢于走别人没有走过的路,才能收获别样的风景。中国汽车技术研究中心(天津)是国内发动机认证最权威的机构。在这里进行试验时,一个小插曲引人深思。

  第一次试验做完后,检测中心的工作人员十分震惊:“我们的设备是不是出问题了?这个油耗比人家低太多了,从来没见过!”

  工作人员不放心,查了大半天设备后,又进行了第二次试验,结果还是一样,于是赶紧向领导汇报:潍柴有个发动机,油耗很低。“整个检测机构从上到下都不相信,他们的领导层又亲自目击了一次试验,特别谨慎。”这让潍柴现场服务团队很自豪。

  攀登世界最高峰

  潍柴何以能?

  创新,是一个不断尝试和失败的艰苦卓绝过程。热效率和减排效果就像跷跷板,想解决这一两难问题,需经过无数次仿真计算、结构设计、多种实物的验证、分析。仅发动机燃烧室的形状,工程师就做了上百种尝试。

  今年年初的一个凌晨,在一次新方案的台架试验中,当热效率马上突破50%时发生了意外。高压油管窜油将发动机点着了,一半发动机零部件被烧毁。要知道,这些被当作宝贝疙瘩的样件,是团队用了近8个月时间准备的。一时间,整个团队跌入了低谷期,燃起的热情被一盆冷水浇灭了。

  烧了发动机,所有人都做好了“写检讨”的准备,但让大家没有想到是,不仅没有挨批评,还拿到了当月的前置激励奖金。

  前置激励是潍柴独具特色的激励措施,新技术新产品的开发周期较长,如果等到结项时再评审嘉奖,就会导致激励效果大打折扣。所以,潍柴将激励前置,在项目的重要节点,或者创新思维实现新突破时,就可以拿到丰厚的奖金。其按月评审发放,多的人能领到1万多元。“当有很大突破的时候,会拿到前置激励,哪怕过程中是失败的。”在郭圣刚看来,虽然失败了,但这个方案却把不是很清晰的技术路径都探明白了。

  这种试错包容,极大地激发了大家的研发热情。通过和供应商一起修复零部件后,最终这个方案通过了测试。“这种生态是谭总给我们提供的,允许科研失败。不是包容一次,是要有耐心的包容。”潍柴动力副总裁兼发动机研究院院长王志坚说,在团队攻坚克难中,很多方案都是失败的,大家通过对失败的数据分析,甄选出更好的方向。

  王志坚举了个例子,为了实现发动机在规定时间内进去的新鲜空气最多这一目标,工程师用了一年半时间手工制作了上百种模型,对比参数,铸造实物,反复试验。最后,团队非常自豪地说,我们做了全世界最高效率的进气道,来实现高的冲击效率。

  在这种开放包容的创新生态下,团队核心成员窦站成博士说,他只要一个电话,不管人在哪儿,整个研究院的人想找谁都能来。要知道,他只是一名刚入职两年的年轻工程师。

  这并不是“狂言”。潍柴发动机产品系列十分丰富,仅重型商用车机型就有数十款,研发试验中,台架资源十分紧张。为了给热效率项目开路,两个台架被列为“专用”。

  这种感触,潍柴动力发动机研究院副院长李志杰也很深刻。2017年,李志杰成立博士工作室,专攻50%热效率项目。博士工作室研发经费上不封顶,没有人约束,可以做任何事。没多久,他就成功申报了500万元经费,一个博士工作室刚成立就能给这么多钱,李志杰自己都不敢相信。

  众多国外知名车企、供应商“抱团”都未能突破的技术,为何是潍柴?现在,答案变得异常清晰。50%热效率能够成功,源于潍柴优良的文化和创新生态支撑下,十多年来持续自主创新的积累沉淀。

  近10年来,潍柴仅在发动机业务方面就累计投入300亿元研发费用,先后掌握一批关键核心技术,打造了中高速发动机并举的全系列产品平台,功率覆盖18kW至10000kW。全面掌握了商用车动力总成、液压动力总成、农业装备CVT动力总成核心技术,“重型商用车动力总成关键技术及应用项目”荣获2018年度国家科技进步一等奖。

  在新能源领域,潍柴加快突破氢燃料电池、固态氧化物燃料电池等关键零部件核心技术,构建集团共享的全新一代新能源整车平台和动力系统平台,并提出2030年新能源业务要引领全球行业发展。

  在液压领域,潍柴全力推动智能挖掘机、装载机、推土机等工程机械液压动力系统开发,重点完成300马力以上大功率农业装备CVT动力系统产业化。

  在新科技领域,潍柴通过布局车联网、智能驾驶等前沿技术,掌握智能底盘技术,打造世界一流的潍柴智能黄金动力总成。

  掌握核心技术的

  竟是一群“80后”“90后”

  2020年9月16日,济南,镁光灯下,全球首款50%热效率商业化柴油机揭幕。

  在台下,李志杰、窦站成、庞斌、王宝军等在内的20多名工程师心潮澎湃。这是谭旭光特意嘱咐王志坚的,一定要让参与研发的核心成员去现场见证这一荣耀时刻。

  历时5年攒成的宝贝疙瘩发布了!负责产品化的项目经理王宝军有些泪目。在过去的1年多时间里,王宝军每个周日都是在单位度过的。作为项目“大管家”,他的本子上写得密密麻麻:样件组织、装机计划、试验进度……事无巨细、环环相扣,一步一步将技术变成产品!

  1.5毫秒的时间内喷射200到300毫克燃油,如何在狭小的空间内使燃油和空气快速充分混合?这是庞斌博士晚上睡觉都在琢磨的问题。短短几个月内,他改进了数十个方案,进行了300多次验证,最终取得了协同燃烧技术的突破。

  很难想象,突破核心技术的是一群“80后”“90后”年轻人。20多名核心成员,平均年龄31岁,最年轻的1995年出生。

  郭圣刚评价他们有想法、有干劲、有冲劲,也正是这样,常常让他很“头疼”。“很多时候都是一个探索边界的过程,我们天天吵,有时候跑来办公室和我争论。”郭圣刚印象最深的是,关于提高发动机爆压对热效率提升有没有作用,当仿真与试验结果不一致的时候,大家吵得不可开交。

  “头疼”的事不止这些,1989年出生的窦站成博士,刚到团队报到时,被安排做产品仿真。但他想去一线做台架的试验标定。于是,他跑到郭圣刚那里请求换岗。虽觉得大材小用,但郭圣刚准了,还给他配了一名工程师做助理。

  你给我一片天地,我还你一个世界。在攻坚克难的过程中,窦站成从早到晚,全身心地投入到自己热爱的事业中,最紧张时每天只睡四五个小时。“他确实能钻进去,是带着思考去做试验,提出了一些解决问题的点子,成长非常快。”郭圣刚说。

  对于高端人才,潍柴一向“宠溺”。燃烧、摩擦磨损、可靠性等技术是50%热效率突破的关键,这些基本上都是由博士团队来完成。在坐“冷板凳”期间,核心成员平均收入比做成熟项目的高约80%。

  潍柴内部每个研究院每年有2000万元研发经费,无需审批,干什么自己说了算;连续两年,潍柴拿出1亿元重奖科技人才,去年个人最高奖金达1000万元;高端人才免个人所得税,科研人员收入是管理人员2倍以上,晚上加班有免费工作餐,下班打车报销,从本科到博士都有住房补贴……

  对博士则更加厚爱,实行“导师带徒”制,让公司高管做他们的文化生活导师。2017年设立潍柴科学家、潍柴青年科学家序列,让20多位科技精英享受总裁、副总裁级待遇。用谭旭光的话说就是:“我相信这些博士。”

  热效率突破50%

  潍柴到底能给客户带来什么?

  挑战全球第一,敢于从0到1的突破,还需要放大效应,需要产业化,需要从1做到10,做到100。“试验室状态和量产状态是两个不一样的概念,有些结果和技术状态仅存在于试验室,很难量产。而我们的50%热效率发动机所有零部件是基于大批量量产的工业基础,并且成本可控。”郭圣刚说,目前发动机的可靠性评估已经完成,经过“三高”试验后,就可以进行量产了。

  今年我国重卡行业虽然受到疫情影响,但4月份后景气指数持续攀升。最新行业数据表明,2020年9月我国重卡行业销量约13.6万辆,同比增长约63%,环比增长约5%;2020年1—9月重卡行业累计销量约122万辆,累计同比增长约37%,增幅进一步扩大。

  市场形势一片大好,无疑给潍柴投放50%热效率柴油机创造了“天时地利”。“有很多客户向我们咨询配套合作,他们对潍柴充满了期待。”王宝军十分兴奋。

  随着国家对货运车辆超限超载的严格治理,合规标载已是大势所趋。现如今,货运市场竞争激烈,运费普遍不高,油耗成本却水涨船高,传统的“多拉快跑”模式已没有生存空间,如何“开源节流”才是卡车客户重点考虑的。

  “以WP13H发动机为例,在49吨标载情况下,干线物流运输平均车速80km/h,卡车司机驾驶搭载潍柴新款发动机的车辆,每百公里油耗能省10%左右。按照一年跑20万公里计算,以目前的油价用户一年就能省下三、四万元的油耗成本,卡友们省下的便是利润。”王宝军介绍说。

  除了油耗低至让行业惊叹,此款50%热效率发动机自重比同类型竞品低40—80kg。“轻量化是重卡未来的发展方向,减轻的自重可以拉更多的货,给用户创造额外的利润。”王宝军说,“我们采用了先进的蠕墨铸铁技术,发动机机体壁厚降低了28%,不仅让发动机结构更紧凑、自重更轻,而且具有更强的承压能力,更加安全可靠。”

  未来,“80后”“90后”司机将会成为重卡市场的主力军,针对此用户群体对舒适性日益提升的需求,潍柴从设计阶段就正向开发,不仅有“独门秘诀”解决各类NVH(噪音)问题,新款发动机摇臂罩、油底壳等关键部件首次使用了塑料件;同时,又有全悬浮技术加持,诸多先进降噪措施让整车舒适性更优。

  此外,新款发动机搭载潍柴自主开发的ECU,可以让发动机在动力、经济模式之间切换,让用户操作更方便更省心;模块化设计,让维修更方便,维修成本更低。

  由此可见,为了让50%热效率发动机在商业化道路上走得更稳更好,潍柴可谓是步步精心、招招用心。

  破解内燃机工业百年难题,潍柴“创新引擎”声震全球,但潍柴人奋进的脚步永不停歇。发布会当天,谭旭光宣布向着柴油机55%热效率目标迈进!郭圣刚说,他和同事们又踏上了新征程。我们坚信,未来,潍柴人必将攀登一座又一座科技“珠峰”,高高擎起“中国制造”大旗,带给全球客户更多的中国惊喜。

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