力创科技发布全球首款本体热效率55.9%天然气发动机

2024年4月21日,天津。潍坊力创电子科技有限公司(以下简称“力创科技”)在“2024世界内燃机大会”上,发布了一款本体热效率55.9%的天然气发动机,打破全球内燃机热效率纪录。这款发动机型号为BD5A,165马力。这是继2022年11月20日,潍柴发布全球首款本体热效率54.16%商业化天然气发动机之后,我国天然气发动机领域又一项热效率达到国际领先的低碳动力技术。

内燃机被视为现代工业文明的象征。从1897年世界上第一台柴油机成功面世至今,业界不断挑战内燃机热效率的极限,从26%提升到54%以上,这次,力创科技再次刷新全球纪录。

力创科技是国家专精特新“小巨人”企业,主要从事乘用车、商用车和船舶动力电控总成系统研发制造。如果说发动机是汽车的“心脏”,电控总成就是发动机的“大脑”,是核心中的核心。2023年该公司研发的“高热效率气体发动机电控总成系统技术及应用”通过中国内燃机学会的评审,打破了国外垄断格局。

如今,这家身处装备制造领域最上游、隐匿在产业最深处的“小巨人”首次集成多项核心技术开始向下游发动机延伸布局。让业界感到震惊的是,力创科技首次推出产品和技术就一举突破了全球纪录。

最艰难的路

4月21日,在天津举行的“2024世界内燃机大会”上,云集了世界各国内燃机行业的精英。让他们感到震惊的是,中国再次刷新了全球天然气发动机热效率。

打破纪录的是一款型号为“DB5A”的天然气发动机,该型号发动机热效率已达55.9%。

目前,全球天然气发动机本体热效率平均水平为46%。此次力创科技推出的天然气发动机提升了这一纪录,综合能耗节省10%左右。

评估发动机经济性有两大指标,一是效率,一是环保,二者密切相关。根据测算,与市场现有主流产品(平均46%热效率柴油机)相比,采用天然气清洁能源取代传统燃料,可降低碳排放20%-30%;采用本体热效率55.9%的发动机,可燃料节约10%以上。

内燃机被视为现代工业文明的象征。从1897年世界上第一台柴油内燃机成功面世至今,业界就在不断挑战热效率极限,已从26%提升到54%,如今这一指标每提升1%都难能可贵。

更让业界感到意外的是,刷新纪录的力创科技却是一家规模不大、名不见经传、首次涉足这一领域的中国企业。

在外界看来,发动机是车辆装备的核心部件;在业内人士眼中,多数发动机厂只是进口核心零部件,再将其组装而已,真正具有高科技含量的是核心零部件。力创科技立志“要做别人做不了的产品”,放弃了“拿来主义”、选择了一条最艰难的路——自主研发发动机最核心的电控系统。

苦熬十年“冷板凳”

在攻坚一项关键技术时,中国企业往往会选择绕路避开。国内大厂为了短期内做大做强,通常直接引进国外核心技术,迅速形成产能规模、占领市场。“引进—消化—吸收”模式能让企业迅速搭建研发体系,但在源头上却受制于国外,只能在末端寻求应用层面的开拓。

力创科技创业之初,只有10个人的技术团队定下了“只参照不模仿”的铁律,在中国一个三线城市厂房中,试图对全球垄断的发动机关键技术进行颠覆性创新。

当时,发动机核心技术都被欧美少数国家所垄断。ECU(电子控制器)曾被公认为是行业一大难题,全球只有两家企业有成熟的产品。力创科技研发时,先对标国外产品、把原理搞明白,对每一个元器件分析找出缺点,再从底层策略、设计原理图等方面逐一尝试颠覆性改造、超越性升级。再比如,发动机气体喷射阀,全球被德国博世、海茵茨曼和美国伍德沃德公司垄断,并各自申请了众多专利,设置出层层壁垒作为护城河。

在源头上尝试拓荒式的自主创新,力创科技勇气可嘉,却谈何容易。从立项那天起,技术团队就遭遇到想象不到的重重阻力。

汽车制造堪称全球最成熟的产业链,有着通用的零部件、现成的生产和检测设备。可在天然气发动机电控领域,中国研发起步较晚,不仅相关基础和数据积淀缺失,就连小到一个零件,大到生产设备、检测设备,都无处可买。

部分加工和测试设备有着较高的精度要求,国内工厂做不了,国外企业却以设备属于非标品为由拒绝生产。力创科技只能在国内联合科研机构自行定制开发。这不仅大幅延长了技术研发进程,也增加了企业投入开支。

前期研发中,研发团队宛如在疾风骤雨中孤船行舟,常年在简陋的车间里攻关,在不同应用现场试错,经历着一次次失败与挑战……前七年中,力创科技始终在投入、没有任何产出,研发人员从最初不到10人扩充到200多个,占总人数的36%以上。

一场技术“豪赌”

在力创科技研发团队看来,发动机电控系统研发的难点在于涉及机械、电子、液压、软件四大领域,考验的是研发团队集成应用的能力。

许多大公司,研发人员众多,但“不同领域各有团队,分工巨细,搞机械的不懂电,研发电控的不了解液压;技术中心往往由行政人员管理,不懂技术就无法真正主导研发、正确决策;受益于引进的国外技术、能够迅速实现产业化,但也受制于既有的技术路线,条条框框太多,只能在引进的基础上、在下游末端应用层面辗转腾挪……”

力创科技则不同。它本是一家创业公司,规模小、人数少,技术人员需涉猎不同领域,身兼数职,易于相互融合;公司鼓励研发人员从源头上直面技术难题,只参照不模仿,另辟蹊径、自主创新,敢于颠覆、超越。

缸内制动系统是每台发动机需要强制安装的,一直被美国皆可博公司所垄断。2018年国庆期间,技术团队天天关起门来技术攻关。争到最激烈处,突然地灵光一现,避开现有专利的围堵,在设计原理、产品结构等方面研制出完全不同的产品。一个黄金周假期过后,力创科技共取得了30多项专利,其中18项发明专利。

有时,一项核心技术的突破往往在不经意间。力创科技早在2012年就开始研发农装电控液压控制系统,尽管当时已经按照国外“比例电磁法”仿制出同款产品,但由于没有实现自主创新,不符合企业的经营理念,因此暂时搁置。直到2018年,经过多年的技术积累,原来的技术瓶颈也迎刃而解了。此后6个月内,力创科技研发团队创新出“数字电磁法”,在设计原理、内部结构上做出了完全不同的产品。

技术研发时,产品经济性是一个必要因素。在力创科技研发人员看来,一款产品的成本尽管可在后期通过大批量采购、精益化管理、智能化生产来降本增效,但60%至70%是由技术研发设计来决定的。比如,特斯拉研发出一体化压铸技术,可使Model Y下车体总成重量降低30%,制造成本下降40%。

前期,力创科技在设计技术路线、产品结构等方面都加入了经济性的考量。这使得力创科技自主研发的缸内制动系统售价低于美国同类产品售价约一半,电控喷射系统市场价格降低到原来的1/3。

回想起当初进入这个行业的情景,研发团队无论如何没有想到,突破这一技术需要耗时十余年、投资近两亿元。一项技术是由多个关键点组成的一条链,任何一个点被卡住,都会导致失败。

所幸,在这场技术“豪赌”中,力创科技赢了。

技术突破能否带来市场突围

最初,力创科技没有仅仅止步于“引进—吸收”的捷径,选择自主创新势必要付出爬坡前行、翻山越岭的艰辛,可一旦技术研发取得突破,企业却能到达人迹罕至的技术高峰。

在2016年初,力创科技首先攻克“气体发动机电控多点喷射系统”,打破了国外垄断,拿下17项发明专利;其后,又攻破了发动机的智能热管理系统、全升程连续可变气门系统、电辅助复合增压系统等核心技术;最终集成构建了高热效率气体发动机电控总成系统。

同时,力创科技与清华大学、上海交大、天津大学、山东大学等高校产学研合作,构建起上下游一体化的科研联盟。企业已拥有自主知识产权577项,其中发明专利277项、国际专利27项。

2023年6月30日,由黄震、李华军两位中国工程院院士领衔,由天津大学、清华大学、山东大学等学界以及玉柴、淄柴、康明斯等企业界人士共同组成的评审小组通过了力创科技研发的“高热效率气体发动机电控总成系统技术及应用”的评审。

这是一项历时13年、投资1.8亿元,最终打破国外垄断、突破“卡脖子”难题的关键核心技术。研发人员表示,在电控总成所有的核心技术中,部分国外企业只具有其中一两项,能够全部掌握的全球范围内只有力创科技。

尽管力创科技在技术上突破了封锁,但全球市场垄断格局早已形成,国内大型企业也习惯于采购国外大品牌产品。可在三年疫情期间,国外产品和技术专家因交通受阻一时难以进入,迫使本土发动机厂不得不在国内四处寻求供应商。

苦熬十年“冷板凳”的力创科技终于迎来了科技投入的回报期、市场推广的爆发期——以低于市场行情的价格优势、以高于行业性能的产品优势,迅速占领一个个下游应用市场。

即使经济下行,近年来力创科技仍然获得了倍增式的高速增长。按照计划,2024年该公司研发支出将达到10亿元以上,预计未来3年将实现百亿产值目标。

此前,力创科技的发展路径与德国博世颇为相似。博世集团是全球第一大汽车技术供应商,从不涉足整机制造,专注于科技含量最高、利润附加值最高的核心零部件的生产。可突破了电控总成所有的核心技术后,力创科技发现,除此之外,发动机其余零部件,诸如机体、曲轴、缸盖、飞轮等,技术含量不高,企业完全可以凭借电控方面的优势生产发动机整机。

原来,内燃机经过机械向电子化变革,核心“大脑”是电控系统,大多数做功都由电子操控,效率与节能大多体现在电控方面。

于是,身处汽车装备产业最上游的力创科技开始向下游延伸——首次推出天然气发动机BD5A,就刷新了全球内燃机热效率纪录。目前,该公司正在投建一个占地千亩的力创科技产业园,可产发动机10万台/年,预计今年10月份建成投产。

研发人员表示,力创科技推出的天然气发动机在国内技术领先,有着本体热效率高、减碳效果好、市场规模大、产业前景广等特点。汽车工业每一次重大科技进步并不在于整车厂的变革,而均是来源于核心零部件的升级迭代。

按照测算,天然气发动机可实现乘用车、商用车、工程机械、拖拉机、船舶等多个领域传统动力更新换代,未来5年内市场年需求量达100万台以上,并将以每年15%增长。