力創科技發布全球首款本體熱效率55.9%天然氣發動機

2024年4月21日,天津。濰坊力創電子科技有限公司(以下簡稱“力創科技”)在“2024世界內燃機大會”上,發布了一款本體熱效率55.9%的天然氣發動機,打破全球內燃機熱效率紀錄。這款發動機型號為BD5A,165馬力。這是繼2022年11月20日,濰柴發布全球首款本體熱效率54.16%商業化天然氣發動機之后,我國天然氣發動機領域又一項熱效率達到國際領先的低碳動力技術。

內燃機被視為現代工業文明的象征。從1897年世界上第一臺柴油機成功面世至今,業界不斷挑戰內燃機熱效率的極限,從26%提升到54%以上,這次,力創科技再次刷新全球紀錄。

力創科技是國家專精特新“小巨人”企業,主要從事乘用車、商用車和船舶動力電控總成系統研發制造。如果說發動機是汽車的“心臟”,電控總成就是發動機的“大腦”,是核心中的核心。2023年該公司研發的“高熱效率氣體發動機電控總成系統技術及應用”通過中國內燃機學會的評審,打破了國外壟斷格局。

如今,這家身處裝備制造領域最上游、隱匿在產業最深處的“小巨人”首次集成多項核心技術開始向下游發動機延伸布局。讓業界感到震驚的是,力創科技首次推出產品和技術就一舉突破了全球紀錄。

最艱難的路

4月21日,在天津舉行的“2024世界內燃機大會”上,云集了世界各國內燃機行業的精英。讓他們感到震驚的是,中國再次刷新了全球天然氣發動機熱效率。

打破紀錄的是一款型號為“DB5A”的天然氣發動機,該型號發動機熱效率已達55.9%。

目前,全球天然氣發動機本體熱效率平均水平為46%。此次力創科技推出的天然氣發動機提升了這一紀錄,綜合能耗節省10%左右。

評估發動機經濟性有兩大指標,一是效率,一是環保,二者密切相關。根據測算,與市場現有主流產品(平均46%熱效率柴油機)相比,采用天然氣清潔能源取代傳統燃料,可降低碳排放20%-30%;采用本體熱效率55.9%的發動機,可燃料節約10%以上。

內燃機被視為現代工業文明的象征。從1897年世界上第一臺柴油內燃機成功面世至今,業界就在不斷挑戰熱效率極限,已從26%提升到54%,如今這一指標每提升1%都難能可貴。

更讓業界感到意外的是,刷新紀錄的力創科技卻是一家規模不大、名不見經傳、首次涉足這一領域的中國企業。

在外界看來,發動機是車輛裝備的核心部件;在業內人士眼中,多數發動機廠只是進口核心零部件,再將其組裝而已,真正具有高科技含量的是核心零部件。力創科技立志“要做別人做不了的產品”,放棄了“拿來主義”、選擇了一條最艱難的路——自主研發發動機最核心的電控系統。

苦熬十年“冷板凳”

在攻堅一項關鍵技術時,中國企業往往會選擇繞路避開。國內大廠為了短期內做大做強,通常直接引進國外核心技術,迅速形成產能規模、占領市場。“引進—消化—吸收”模式能讓企業迅速搭建研發體系,但在源頭上卻受制于國外,只能在末端尋求應用層面的開拓。

力創科技創業之初,只有10個人的技術團隊定下了“只參照不模仿”的鐵律,在中國一個三線城市廠房中,試圖對全球壟斷的發動機關鍵技術進行顛覆性創新。

當時,發動機核心技術都被歐美少數國家所壟斷。ECU(電子控制器)曾被公認為是行業一大難題,全球只有兩家企業有成熟的產品。力創科技研發時,先對標國外產品、把原理搞明白,對每一個元器件分析找出缺點,再從底層策略、設計原理圖等方面逐一嘗試顛覆性改造、超越性升級。再比如,發動機氣體噴射閥,全球被德國博世、海茵茨曼和美國伍德沃德公司壟斷,并各自申請了眾多專利,設置出層層壁壘作為護城河。

在源頭上嘗試拓荒式的自主創新,力創科技勇氣可嘉,卻談何容易。從立項那天起,技術團隊就遭遇到想象不到的重重阻力。

汽車制造堪稱全球最成熟的產業鏈,有著通用的零部件、現成的生產和檢測設備。可在天然氣發動機電控領域,中國研發起步較晚,不僅相關基礎和數據積淀缺失,就連小到一個零件,大到生產設備、檢測設備,都無處可買。

部分加工和測試設備有著較高的精度要求,國內工廠做不了,國外企業卻以設備屬于非標品為由拒絕生產。力創科技只能在國內聯合科研機構自行定制開發。這不僅大幅延長了技術研發進程,也增加了企業投入開支。

前期研發中,研發團隊宛如在疾風驟雨中孤船行舟,常年在簡陋的車間里攻關,在不同應用現場試錯,經歷著一次次失敗與挑戰……前七年中,力創科技始終在投入、沒有任何產出,研發人員從最初不到10人擴充到200多個,占總人數的36%以上。

一場技術“豪賭”

在力創科技研發團隊看來,發動機電控系統研發的難點在于涉及機械、電子、液壓、軟件四大領域,考驗的是研發團隊集成應用的能力。

許多大公司,研發人員眾多,但“不同領域各有團隊,分工巨細,搞機械的不懂電,研發電控的不了解液壓;技術中心往往由行政人員管理,不懂技術就無法真正主導研發、正確決策;受益于引進的國外技術、能夠迅速實現產業化,但也受制于既有的技術路線,條條框框太多,只能在引進的基礎上、在下游末端應用層面輾轉騰挪……”

力創科技則不同。它本是一家創業公司,規模小、人數少,技術人員需涉獵不同領域,身兼數職,易于相互融合;公司鼓勵研發人員從源頭上直面技術難題,只參照不模仿,另辟蹊徑、自主創新,敢于顛覆、超越。

缸內制動系統是每臺發動機需要強制安裝的,一直被美國皆可博公司所壟斷。2018年國慶期間,技術團隊天天關起門來技術攻關。爭到最激烈處,突然地靈光一現,避開現有專利的圍堵,在設計原理、產品結構等方面研制出完全不同的產品。一個黃金周假期過后,力創科技共取得了30多項專利,其中18項發明專利。

有時,一項核心技術的突破往往在不經意間。力創科技早在2012年就開始研發農裝電控液壓控制系統,盡管當時已經按照國外“比例電磁法”仿制出同款產品,但由于沒有實現自主創新,不符合企業的經營理念,因此暫時擱置。直到2018年,經過多年的技術積累,原來的技術瓶頸也迎刃而解了。此后6個月內,力創科技研發團隊創新出“數字電磁法”,在設計原理、內部結構上做出了完全不同的產品。

技術研發時,產品經濟性是一個必要因素。在力創科技研發人員看來,一款產品的成本盡管可在后期通過大批量采購、精益化管理、智能化生產來降本增效,但60%至70%是由技術研發設計來決定的。比如,特斯拉研發出一體化壓鑄技術,可使Model Y下車體總成重量降低30%,制造成本下降40%。

前期,力創科技在設計技術路線、產品結構等方面都加入了經濟性的考量。這使得力創科技自主研發的缸內制動系統售價低于美國同類產品售價約一半,電控噴射系統市場價格降低到原來的1/3。

回想起當初進入這個行業的情景,研發團隊無論如何沒有想到,突破這一技術需要耗時十余年、投資近兩億元。一項技術是由多個關鍵點組成的一條鏈,任何一個點被卡住,都會導致失敗。

所幸,在這場技術“豪賭”中,力創科技贏了。

技術突破能否帶來市場突圍

最初,力創科技沒有僅僅止步于“引進—吸收”的捷徑,選擇自主創新勢必要付出爬坡前行、翻山越嶺的艱辛,可一旦技術研發取得突破,企業卻能到達人跡罕至的技術高峰。

在2016年初,力創科技首先攻克“氣體發動機電控多點噴射系統”,打破了國外壟斷,拿下17項發明專利;其后,又攻破了發動機的智能熱管理系統、全升程連續可變氣門系統、電輔助復合增壓系統等核心技術;最終集成構建了高熱效率氣體發動機電控總成系統。

同時,力創科技與清華大學、上海交大、天津大學、山東大學等高校產學研合作,構建起上下游一體化的科研聯盟。企業已擁有自主知識產權577項,其中發明專利277項、國際專利27項。

2023年6月30日,由黃震、李華軍兩位中國工程院院士領銜,由天津大學、清華大學、山東大學等學界以及玉柴、淄柴、康明斯等企業界人士共同組成的評審小組通過了力創科技研發的“高熱效率氣體發動機電控總成系統技術及應用”的評審。

這是一項歷時13年、投資1.8億元,最終打破國外壟斷、突破“卡脖子”難題的關鍵核心技術。研發人員表示,在電控總成所有的核心技術中,部分國外企業只具有其中一兩項,能夠全部掌握的全球范圍內只有力創科技。

盡管力創科技在技術上突破了封鎖,但全球市場壟斷格局早已形成,國內大型企業也習慣于采購國外大品牌產品。可在三年疫情期間,國外產品和技術專家因交通受阻一時難以進入,迫使本土發動機廠不得不在國內四處尋求供應商。

苦熬十年“冷板凳”的力創科技終于迎來了科技投入的回報期、市場推廣的爆發期——以低于市場行情的價格優勢、以高于行業性能的產品優勢,迅速占領一個個下游應用市場。

即使經濟下行,近年來力創科技仍然獲得了倍增式的高速增長。按照計劃,2024年該公司研發支出將達到10億元以上,預計未來3年將實現百億產值目標。

此前,力創科技的發展路徑與德國博世頗為相似。博世集團是全球第一大汽車技術供應商,從不涉足整機制造,專注于科技含量最高、利潤附加值最高的核心零部件的生產。可突破了電控總成所有的核心技術后,力創科技發現,除此之外,發動機其余零部件,諸如機體、曲軸、缸蓋、飛輪等,技術含量不高,企業完全可以憑借電控方面的優勢生產發動機整機。

原來,內燃機經過機械向電子化變革,核心“大腦”是電控系統,大多數做功都由電子操控,效率與節能大多體現在電控方面。

于是,身處汽車裝備產業最上游的力創科技開始向下游延伸——首次推出天然氣發動機BD5A,就刷新了全球內燃機熱效率紀錄。目前,該公司正在投建一個占地千畝的力創科技產業園,可產發動機10萬臺/年,預計今年10月份建成投產。

研發人員表示,力創科技推出的天然氣發動機在國內技術領先,有著本體熱效率高、減碳效果好、市場規模大、產業前景廣等特點。汽車工業每一次重大科技進步并不在于整車廠的變革,而均是來源于核心零部件的升級迭代。

按照測算,天然氣發動機可實現乘用車、商用車、工程機械、拖拉機、船舶等多個領域傳統動力更新換代,未來5年內市場年需求量達100萬臺以上,并將以每年15%增長。