缔造更安全、更高效的动力系统

54 科学中国人 2020年12月
创新之路Way of Innovation
缔造更安全、更高效的动力系统
——记北京理工大学机械与车辆学院博士生导师王恩华
　梁佳欢
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。

从我国来看，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；从国际上看，国际海事组织多年前提出的能效设计指数（E E D I）计划，在2020年和2025年将新设计船舶的E E D I分别提高20%和30%。

对此，北京理工大学机械与车辆学院预聘副教授、特别研究员、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，王恩华的研究方向主要还聚焦在中低温动力循环系统、内燃机热流体流动与燃烧模拟，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。

“当时我对专业的了解不多，但我有一个表哥在清华，他学的是汽车。

在1995年，大家觉得随着经济发展，汽车在未来会有大发展，这个专业可以大施拳脚。

而且，我父母也认为‘学门手艺’找工作更方便。

综合这些考虑，我就报了汽车工程专业。

”王恩华笑道。

“当时，我的班
主任帮我争取了一个湖北省建设银行设立的奖学金。

因为那时汽车工程是五年制专
业，所以奖学金一共资助了五年。

这笔奖学金对我的帮助很大，要不然我的大学生活可能没有那么顺利。

”王恩华十分感谢曾经帮助过他的人。

身为农村孩子，王恩华在乡下度过了小学和初中时代。

但他学习很努力，中考时考入当地的省重点高中——鄂州高中，在老师的关爱和自己的努力下，学业节节攀升。

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
利用腾讯会议与学生们进行讨论
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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。

“那时做课题很投入，很早起来就去课题组做科研，中午吃完饭再回到课题组，下午四点锻炼，晚上吃完饭再回课题组，一直干到晚上十点。

基本上每天如此。

”王恩华说，他不仅慢慢习惯了这种科研节奏，而且喜欢上了这种搞科研的感觉。

研究生毕业后，王恩华直接参加工作了——作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。

“因为当时汽车厂引进了很多项目，或者自己开发一些项目，都需要发动机电子控制的研究。

所以，从江铃汽车集团到北京汽车，我做的基本上都是跟发动机电控相关的研发工作。

”
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，导师为范伯元教授。

“实际上，我博士4年主要做发动机的余热利用，采用一个系统将发动机尾气和冷却散热器的余热利用起来，提高效率。

”
2013年，王恩华又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，到英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）做访问学者的经历，让王恩华开阔了视野。

虽然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，但参与的欧盟项目和
英国皇家协会项目，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
“我爱人、孩子都在北京，回北京就是回家了。

”王恩华说，他没想过留在国外，所以，2016年年底有个机会就回国了。

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。

“我原来是做发动机方面研究的，对发动机的技术比较了解，在车厂又做过很多实际项目的开发，所以回来还带了两门课，一门是给车辆工程本科生授课，一门是给国际班英文授课。

再就是带博士、硕士生了。

”
从科研工作到教学工作，再到两者的结合，劳累是一定的，但传递知识、培养人才的过程，让王恩华觉
得每天都很充实。

“最重要的还是培养学生的科研兴趣。

当他真正体会到工程学科——比如工程热物理学科的魅力时，了解到全世界最前沿的研究是什么样时，就逐渐入门了。

”王恩华自豪地说，“近年来，北京理工大学的学术氛围非常好，所以最近它的排名也上升得很快。

”
带学生的同时，王恩华的科研工作也不断取得突破。

2018年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。

“随着环保法规的日益严格，迫切需要研究适用于船用柴油机余热动力循环的高效环保工质。

”王
恩华介绍。

事实上，全球主要船用动力系统供
在英国格拉斯哥大学留学照片
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应商都在开发余热动力系统，一些著名大学和研究所也都在积极进行船用柴油机的余热动力循环研究。

从目前的研究成果来看，在用系统和研究工作基本都集中于单组分工质的O R C系统，难以同时满足高效、环保和成本等多方面的要求。

此外，当前的研究工作基本都集中于设计工况点的余热动力循环性能研究，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还是一个难点。

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O R C技术，从船用柴油机余热动力循环、非共沸有机工质选择、船用柴油机与ORC联合系统非设计工况点性能等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。

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，他聚焦于中低温动力循环系统、内燃机热流体流动与燃烧模拟，以及新能源车用动力系统性能研究，取得了一系列成果，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-O R C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”研究结果表明，采用组分调节或压力滑移可有效提高系统全年的平均输出功率，其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，则不仅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，还有利于增进对低温热源二氧化碳跨临界循环的全面认识。

在内燃机热流体流动与燃烧模拟的研究方面，王恩华也另辟蹊径。

针对煤油预混燃烧爆震抑制等问题，国际上有采用煤油与汽油等燃料混合燃烧提高爆震极限的研究，但由于汽油具有易燃性，安全性不
高。

为解决这些问题，王恩华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。

在新能源车用动力系统性能，尤其是混合动力系统构型设计与能效分析方面，
王恩华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。

“直驱混联系统已经应用于城市公交大客车，四驱混联系统可应用于复杂路面工况的越野车和卡车等重型车辆。

”王恩华介绍。

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60余篇，其中SCI收录论文34篇。

在Google学术上论文总被引2093次，H指数为17。

尤为值得一提的是，王恩华已发表的S C I论文中曾有8篇论文被E S I高被引数据库收录，2011年发表在E n e r g y 上的论文“S t u d y of working fluid selection of Organic Rankine Cycle (ORC) for engine waste heat recovery”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，还主编了一部英文专著、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！”
科
参加ORC2017国际会议期间参观米兰郊区的5MW ORC系统
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