随着中国社会经济发展向更高质量转型升级,绿色、可持续和节能减排等核心技术支撑点亦上升到国家战略的高度。我国节能减排技术研发工作仍十分艰巨,尤其是在交通行业占有非常重要的位置。
对此,北京理工大学机械与车辆学院副教授、博士生导师王恩华指出:“目前船舶动力系统大部分是中低速柴油机,能效在50%以下,剩下的余热能通过排气、进气中冷、冷却液和润滑油等被浪费。船舶动力系统在航行时基本处于稳态工况,采用有机朗肯循环回收这部分余热可明显提高系统能效,降低污染物排放。”其实,不仅是在船舶节能方面,多年来,王恩华的研究方向还主要聚焦在中低温动力循环系统、内燃机燃烧与电子控制技术,以及新能源车用动力系统性能研究,其应用领域十分广泛,对提高我国的能源利用效率、实现节能减排目标、促进社会可持续发展具有重要的意义。
学海泛舟,乘风破浪
1995年,18岁的王恩华以湖北省鄂州市高考状元的成绩考入了清华大学汽车工程系汽车工程专业。2000年,做本科毕业设计的时候,王恩华就加入了欧阳明高院士的课题组,做柴油机电控方面的研究。随后,在清华大学汽车工程系攻读动力机械及工程专业硕士研究生期间,王恩华也在欧阳老师课题组做发动机电控研究。研究生毕业后,王恩华成为中国科学院工程热物理研究所研究实习员,主要从事甲醇代用燃料和垃圾填埋气焚烧技术的研究。一年后,王恩华进入江铃汽车集团公司任项目工程师,从事某发动机技术引进项目的开发标定工作;2006年,他又进入北京汽车研究总院,从事整车电子控制系统设计开发、汽油机电子控制系统标定方面的研发工作。
在车企工作多年后,2009年,王恩华重回高校,在北京工业大学环境与能源工程学院读博士;2013年,王恩华回到清华大学汽车工程系欧阳明高院士课题组做了两年博士后,主要从事热力循环和混合动力系统能量效率分析研究。出站后,他到英国格拉斯哥大学做访问学者,在那里他继续从事有机朗肯循环余热利用的实验研究工作,并参与了欧盟项目和英国皇家协会项目,这让他在科研的广度和深度上都有了更多新的认知。
可以说,从清华大学研究生“东风之友”奖学金,到北京市科协第十届优秀论文二等奖;从“北京市第十九届优秀青年工程师”荣誉称号,到首届博士生国家奖学金,再到天津市自然科学奖一等奖……王恩华收获一路鲜花和掌声。此外,他还多次被国际顶尖期刊评为优秀审稿人,2017年,更是被评为Applied Energy全球最佳审稿人(个人排名第3)。
回看20年的学海历程,一颗科研的种子早已埋在王恩华心里。待夯实了基础、调整好步伐,他便轻装上阵,在学海里泛舟,不断乘风破浪。
业精于勤,勇攀高峰
到北京理工大学机械与车辆学院能源与动力工程系工作之初,王恩华继续了他在发动机尾气余热回收方面的研究,还担任了两门课的讲师。从科研工作到教学工作、再到两者的结合,辛劳是必然的,但传递知识、培养人才的过程,让王恩华觉得每天都很充实。王恩华相信,在教学工作中最重要的还是培养学生的科研兴趣,只有这样才能使学生迅速入门某一领域。
带学生的同时,王恩华的科研工作也不断取得突破。2018年他申报的国家自然科学基金面上项目“船用柴油机与非共沸工质有机朗肯循环耦合工作机理研究”获得批准,这项研究基于有机朗肯循环(以下简称“ORC”)技术的船用柴油机余热动力循环理论。从目前的研究成果来看,单组分工质的ORC系统难以同时满足高效、环保和成本等多方面的要求;针对中小功率ORC系统如何克服在非设计点工况下的能效下降也是一个难点。
而王恩华主持的这个项目,正是关注上述两个难点,基于非共沸工质ORC技术,从多方面广泛调研分析了各种已有提高余热回收效率的方法,总结了已有船用柴油机与ORC系统联合工作时存在“高效环保工质优选”“非设计点工况效率下降”两个共性关键问题,进而针对性地提出了采用基于基团贡献法优选的非共沸工质ORC底循环,在全工况范围内与船用柴油机的联合系统协同优化这一解决方案。据王恩华介绍,这项研究成果可有效提升非设计点工况余热回收效率,也可应用于其他热源或负荷变化场合,具有重要的科学意义和广泛的应用价值。
心无旁骛,终有所得
“心无旁骛,终有所得”是王恩华科研的工作写照。多年来,他取得了一系列科研成果,不仅应用领域十分广泛,还对实现节能减排目标、促进社会可持续发展具有重要的意义。
在中低温动力循环系统方面,王恩华取得了一系列具有广泛影响力的成果。其中,“发动机-ORC系统耦合机理”成果为有机朗肯循环与内燃机的匹配优化提出了一套系统化的方法,有利于实现有机朗肯循环系统与车用内燃机的最佳匹配,提高联合系统的能效,实现节能减排的目标;“ORC和Kalina系统性能提升”研究成果可应用于地热能发电和太阳能热发电等场合,提高发电系统输出功率,降低碳排放量;“二氧化碳跨临界循环工作特性”的研究结果,则表明了跨临界二氧化碳动力循环的净输出功率最大,经济性能处于合理范围内,具有一定的竞争优势。
在内燃机燃烧与电子控制技术的研究方面,王恩华也另辟蹊径。他提出了采用喷水来抑制点燃式航空煤油发动机爆震的方法,研究了喷水对煤油预混燃烧爆震抑制的机理,其研究成果可在航空飞行器和无人车辆上应用。
此外,王恩华还研究了直驱混联式混合动力系统的节能潜力,提出了四驱混联式混合动力系统并与直驱混联系统进行对比分析。结果表明,采用超级电容储能的直驱混联系统在城市工况下的节油率在42%-55%,四驱混联式节油率接近直驱混联系统。
得益于不断钻研与开拓进取的精神,王恩华在科研道路上可谓硕果累累。迄今为止,王恩华已发表论文70余篇,其中SCI收录论文37篇。在Google学术上论文总被引约2500次,H指数为20。尤为值得一提的是,王恩华已发表的SCI论文中曾有8篇论文被ESI高被引数据库收录,2011年发表在Energy上的关于有机工质选择的论文入选该SCI期刊成立40周年40篇高被引论文。与此同时,王恩华已获授权专利15项,出版了中文专著《中低温动力循环系统与应用》,主编了两部英文专著、发表4章节英文专著。
回顾往昔,展望未来,王恩华觉得自己很幸运。科研路上,一直有名师指点,而自己也从未放弃梦想。采访中,王恩华提及他的导师欧阳明高院士曾说过,做科研最重要的一个事情就是——心要静得下来,能够长时间坐下来钻研课题。而这样朴素的科研精神,也从王恩华这里得到了代际传递,因为他也时常对自己的学生讲:“只要心无旁骛,专注于你的研究,最后肯定会有突破!”
