締造更安全、更高效的動力系統
——記北京理工大學機械與車輛學院博士生導師王恩華

梁佳歡

利用騰訊會議與學生們進行討論

隨著中國社會經濟發展向更高質量轉型升級，綠色、可持續和節能減排等核心技術支撐點亦上升到國家戰略的高度。從我國來看，節能減排技術研發工作仍十分艱巨，尤其是在交通行業占有非常重要的位置；從國際上看，國際海事組織多年前提出的能效設計指數（EEDI）計劃，在2020年和2025年將新設計船舶的EEDI分別提高20%和30%。

對此，北京理工大學機械與車輛學院預聘副教授、特別研究員、博士生導師王恩華指出：“目前船舶動力系統大部分是中低速柴油機，能效在50%以下，剩下的余熱能通過排氣、進氣中冷、冷卻液和潤滑油等被浪費。船舶動力系統在航行時基本處于穩態工況，采用有機朗肯循環回收這部分余熱可明顯提高系統能效，降低污染物排放。”

其實，不僅是在船舶節能方面，多年來，王恩華的研究方向主要還聚焦在中低溫動力循環系統、內燃機熱流體流動與燃燒模擬，以及新能源車用動力系統性能研究，其應用領域十分廣泛，對提高我國的能源利用效率、實現節能減排目標、促進社會可持續發展具有重要的意義。

學海泛舟，乘風破浪

1995年，18歲的王恩華以湖北省鄂州市高考狀元的成績考入了清華大學汽車工程系汽車工程專業。

“當時我對專業的了解不多，但我有一個表哥在清華，他學的是汽車。在1995年，大家覺得隨著經濟發展，汽車在未來會有大發展，這個專業可以大施拳腳。而且，我父母也認為‘學門手藝’找工作更方便。綜合這些考慮，我就報了汽車工程專業。”王恩華笑道。“當時，我的班主任幫我爭取了一個湖北省建設銀行設立的獎學金。因為那時汽車工程是五年制專業，所以獎學金一共資助了五年。這筆獎學金對我的幫助很大，要不然我的大學生活可能沒有那么順利。”王恩華十分感謝曾經幫助過他的人。身為農村孩子，王恩華在鄉下度過了小學和初中時代。但他學習很努力，中考時考入當地的省重點高中——鄂州高中，在老師的關愛和自己的努力下，學業節節攀升。

2000年，做本科畢業設計的時候，王恩華就加入了歐陽明高院士的課題組，做柴油機電控方面的研究。隨后，在清華大學汽車工程系攻讀動力機械及工程專業碩士研究生期間，王恩華也在歐陽老師課題組做發動機電控研究。

“那時做課題很投入，很早起來就去課題組做科研，中午吃完飯再回到課題組，下午四點鍛煉，晚上吃完飯再回課題組，一直干到晚上十點。基本上每天如此。”王恩華說，他不僅慢慢習慣了這種科研節奏，而且喜歡上了這種搞科研的感覺。

研究生畢業后，王恩華直接參加工作了——作為中國科學院工程熱物理研究所研究實習員，主要從事甲醇代用燃料和垃圾填埋氣焚燒技術的研究。一年后，王恩華進入江鈴汽車集團公司任項目工程師，從事某發動機技術引進項目的開發標定工作；2006年，他又進入北京汽車研究總院，從事整車電子控制系統設計開發、汽油機電子控制系統標定方面的研發工作。

“因為當時汽車廠引進了很多項目，或者自己開發一些項目，都需要發動機電子控制的研究。所以，從江鈴汽車集團到北京汽車，我做的基本上都是跟發動機電控相關的研發工作。”

在車企工作多年后，2009年，王恩華重回高校，在北京工業大學環境與能源工程學院讀博士，導師為范伯元教授。“實際上，我博士4年主要做發動機的余熱利用，采用一個系統將發動機尾氣和冷卻散熱器的余熱利用起來，提高效率。”

2013年，王恩華又回到清華大學汽車工程系歐陽明高院士課題組做了兩年博士后，主要從事熱力循環和混合動力系統能量效率分析研究。出站后，到英國格拉斯哥大學（University of Glasgow）做訪問學者的經歷，讓王恩華開闊了視野。雖然在那里他繼續從事有機朗肯循環余熱利用的實驗研究工作，但參與的歐盟項目和英國皇家協會項目，讓他在科研的廣度和深度上都有了更多新的認知。

可以說，從清華大學研究生“東風之友”獎學金，到北京市科協第十屆優秀論文二等獎；從“北京市第十九屆優秀青年工程師”榮譽稱號，到首屆博士生國家獎學金，再到天津市自然科學獎一等獎……王恩華收獲一路鮮花和掌聲。此外，他還多次被國際頂尖期刊評為優秀審稿人，2017年，更是被評為Applied Energy全球最佳審稿人（個人排名第3）。

回看20年的學海歷程，一顆科研的種子早已埋在王恩華心里。待夯實了基礎、調整好步伐，他便輕裝上陣，在學海里泛舟，不斷乘風破浪。

業精于勤，勇攀高峰

“我愛人、孩子都在北京，回北京就是回家了。”王恩華說，他沒想過留在國外，所以，2016年年底有個機會就回國了。

到北京理工大學機械與車輛學院能源與動力工程系工作之初，王恩華繼續了他在發動機尾氣余熱回收方面的研究。“我原來是做發動機方面研究的，對發動機的技術比較了解，在車廠又做過很多實際項目的開發，所以回來還帶了兩門課，一門是給車輛工程本科生授課，一門是給國際班英文授課。再就是帶博士、碩士生了。”

從科研工作到教學工作，再到兩者的結合，勞累是一定的，但傳遞知識、培養人才的過程，讓王恩華覺得每天都很充實。“最重要的還是培養學生的科研興趣。當他真正體會到工程學科——比如工程熱物理學科的魅力時，了解到全世界最前沿的研究是什么樣時，就逐漸入門了。”王恩華自豪地說，“近年來，北京理工大學的學術氛圍非常好，所以最近它的排名也上升得很快。”

帶學生的同時，王恩華的科研工作也不斷取得突破。2018年申報的國家自然科學基金面上項目“船用柴油機與非共沸工質有機朗肯循環耦合工作機理研究”獲得批準，這項研究基于有機朗肯循環（以下簡稱“ORC”）技術的船用柴油機余熱動力循環理論。“隨著環保法規的日益嚴格，迫切需要研究適用于船用柴油機余熱動力循環的高效環保工質。”王恩華介紹。

事實上，全球主要船用動力系統供應商都在開發余熱動力系統，一些著名大學和研究所也都在積極進行船用柴油機的余熱動力循環研究。從目前的研究成果來看，在用系統和研究工作基本都集中于單組分工質的ORC系統，難以同時滿足高效、環保和成本等多方面的要求。此外，當前的研究工作基本都集中于設計工況點的余熱動力循環性能研究，針對中小功率ORC系統如何克服在非設計點工況下的能效下降還是一個難點。

在英國格拉斯哥大學留學照片

而王恩華主持的這個項目，正是關注上述兩個難點，基于非共沸工質ORC技術，從船用柴油機余熱動力循環、非共沸有機工質選擇、船用柴油機與ORC聯合系統非設計工況點性能等方面廣泛調研分析了各種已有提高余熱回收效率的方法，總結了已有船用柴油機與ORC系統聯合工作時存在“高效環保工質優選”“非設計點工況效率下降”兩個共性關鍵問題，進而針對性地提出了采用基于基團貢獻法優選的非共沸工質ORC底循環，在全工況范圍內與船用柴油機的聯合系統協同優化這一解決方案。

參加ORC2017國際會議期間參觀米蘭郊區的5MW ORC系統

王恩華介紹，這項研究成果可有效提升非設計點工況余熱回收效率，也可應用于其他熱源或負荷變化場合，具有重要的科學意義和廣泛的應用價值。

心無旁騖，終有所得

“心無旁騖，終有所得”是王恩華科研的工作寫照。多年來，他聚焦于中低溫動力循環系統、內燃機熱流體流動與燃燒模擬，以及新能源車用動力系統性能研究，取得了一系列成果，不僅應用領域十分廣泛，還對實現節能減排目標、促進社會可持續發展具有重要的意義。

在中低溫動力循環系統方面，王恩華取得了一系列具有廣泛影響力的成果。其中，“發動機-ORC系統耦合機理”成果為有機朗肯循環與內燃機的匹配優化提出了一套系統化的方法，有利于實現有機朗肯循環系統與車用內燃機的最佳匹配，提高聯合系統的能效，實現節能減排的目標；“ORC和Kalina系統性能提升”研究結果表明，采用組分調節或壓力滑移可有效提高系統全年的平均輸出功率，其成果可應用于地熱能發電和太陽能熱發電等場合，提高發電系統輸出功率，降低碳排放量；“二氧化碳跨臨界循環工作特性”的研究結果，則不僅表明了跨臨界二氧化碳動力循環的凈輸出功率最大，經濟性能處于合理范圍內，具有一定的競爭優勢，還有利于增進對低溫熱源二氧化碳跨臨界循環的全面認識。

在內燃機熱流體流動與燃燒模擬的研究方面，王恩華也另辟蹊徑。針對煤油預混燃燒爆震抑制等問題，國際上有采用煤油與汽油等燃料混合燃燒提高爆震極限的研究，但由于汽油具有易燃性，安全性不高。為解決這些問題，王恩華提出了采用噴水來抑制點燃式航空煤油發動機爆震的方法，研究了噴水對煤油預混燃燒爆震抑制的機理，其研究成果可在航空飛行器和無人車輛上應用。

在新能源車用動力系統性能，尤其是混合動力系統構型設計與能效分析方面，王恩華研究了直驅混聯式混合動力系統的節能潛力，提出了四驅混聯式混合動力系統并與直驅混聯系統進行對比分析。結果表明，采用超級電容儲能的直驅混聯系統在城市工況下的節油率在42%～55%，四驅混聯式節油率接近直驅混聯系統。“直驅混聯系統已經應用于城市公交大客車，四驅混聯系統可應用于復雜路面工況的越野車和卡車等重型車輛。”王恩華介紹。

得益于不斷鉆研與開拓進取的精神，王恩華在科研道路上可謂碩果累累。迄今為止，王恩華已發表論文60余篇，其中SCI收錄論文34篇。在Google學術上論文總被引2093次，H指數為17。尤為值得一提的是，王恩華已發表的SCI論文中曾有8篇論文被ESI高被引數據庫收錄，2011年發表在Energy上的論文“Study of working fluid selection of Organic Rankine Cycle (ORC) for engine waste heat recovery”入選該SCI期刊成立40周年40篇高被引論文。與此同時，王恩華已獲授權專利15項，還主編了一部英文專著、發表4章節英文專著。

回顧往昔，展望未來，王恩華覺得自己很幸運。科研路上，一直有名師指點，而自己也從未放棄夢想。采訪中，王恩華提及他的導師歐陽明高院士曾說過，做科研最重要的一個事情就是——心要靜得下來，能夠長時間坐下來鉆研課題。而這樣樸素的科研精神，也從王恩華這里得到了代際傳遞，因為他也時常對自己的學生講：“只要心無旁騖，專注于你的研究，最后肯定會有突破！”