路有跡 心無疆

高妍　毛艷玲

張揚軍，湖北宜昌人，發動機流體力學專家；教育部長江學者特聘教授，清華大學汽車工程系教授、博士生導師；北京航空航天大學航空發動機專業博士。主要從事發動機增壓及總能利用研究。現擔任清華大學特種動力研究中心主任、汽車安全與節能國家重點實驗室副主任，國際雜志I.J. of Fluid Machinery and System主編。

采訪張揚軍是在一個陰雨的午后。他個子不高，皮膚略黑，穿著樸素，聲音細亮，語速有點快，笑起來憨厚爽朗。

幼年苦寒掙扎，少年篤志求學，青年厚積薄發……從長江邊的苦孩子，到清華大學教授、長江學者特聘教授，張揚軍的成長充滿了艱辛與傳奇。這樣一個人，有太多故事可以述說。

但相比那些故事，張揚軍更愿意分享他的科研之路—從航空到汽車的跨行業交叉創新之路，分享他對行業未來發展的預見，分享他對科研事業的熱愛與忠誠。

渦輪增壓：航空與汽車跨行業交叉

1999年12月，張揚軍調入清華大學汽車工程系，從航空到汽車跨越正是從這個時候開始。在這之前，他就職于清華大學流體機械及工程研究所，更早的時候他在北航完成了本碩博三個階段的學習，專業是航空發動機。

雖已轉入汽車工程系，但張揚軍并未放下自己在航空領域的多年積累。怎么用航空領域的研究所得，幫助自己在汽車工程研究方面開拓出一片天地，是他一直在思考的問題。

2000年10月20日，作為最年輕的獲獎者，張揚軍與其他9位博士后一起，獲頒“首屆中國優秀博士后獎”。

作為中國博士后制度的倡導者、著名物理學家李政道先生專程回國頒獎。張揚軍得以與李政道產生短暫交集，他仍清楚記得當時的情形，記得那句讓他受益至今的話。

典禮前的座談會上，張揚軍身上的幾個特殊“標簽”（清華大學、最年輕的獲獎者，成果在航空航天領域單位卻屬汽車工程系）引起了李政道先生的好奇。在了解到張揚軍正基于航空葉輪機流體力學的研究基礎，進行內燃機流體力學的研究時，李政道大加贊賞，并說：“向同行學習，產生量變；跨行業交叉，產生質變！”

就是這句話，使張揚軍茅塞頓開。“渦輪增壓技術是典型的源自航空的流體技術，利用這一技術開展汽車工程研究與應用，正是跨行業交叉研究。”前輩的鼓勵，堅定了張揚軍開展交叉研究的信念，幫助他在航空與汽車的交叉交融中孕育出豐碩的成果。

渦輪增壓，就是通過渦輪驅動壓氣機，對發動機進氣增壓，提高發動機進氣量，從而有效提高發動機功率、降低發動機油耗和排放。

渦輪增壓是先進高效低碳內燃機研發的關鍵技術。作為汽車、通用航空和船舶等交通運載工具的主導動力，內燃機每年消耗的燃油約占全年石油消耗總量的60%，相當于我國全年進口石油總量，節油降耗的壓力一直都在。

張揚軍介紹，隨著研究的推進，越來越多的人認識到，不斷提高渦輪增壓比、縮小排量，是汽車節能的基礎戰略和主要技術途徑。同時，通過高增壓提高進氣密度，也是解決汽車高原和通用航空高空環境適應性問題的技術關鍵，適合我國高原面積廣闊、通用航空發展迅速的國情。因此，高增壓技術不僅是汽車節能減排研究的國際前沿與熱點、我國內燃機和汽車零部件產業升級急需突破的主要瓶頸，同時也是通用航空先進動力研發的關鍵技術。

我國從“十一五”開始，啟動了內燃機高增壓研究的973課題，張揚軍為課題負責人。當時國內內燃機的增壓水平僅為3.5，壓比>4的高增壓技術完全被國際大公司壟斷。

張揚軍解釋，內燃機增壓壓比接近4時，增壓離心壓氣機流動就由亞聲速進入跨聲速領域。“跨聲速領域增壓比的提高十分困難，世界上最大的渦輪增壓器公司Honeywell基于豐富的設計經驗和實驗數據，花了17年的時間（1985～2002年），才將該公司的內燃機增壓比水平從3.3提升到了3.8。”

擁有雄厚研究基礎與領先技術水平的世界一流公司尚且如此，何況是實力仍與國際存在一定差距的我們。大家就都明白，我國設計經驗和實驗數據均十分缺乏，要突破壓比>4的高增壓技術，必須進行理論創新。

張揚軍所帶領的發動機流體與增壓團隊，在國家973等課題的支持下開始了研究工作。他們針對高增壓技術發展所面臨的壓氣機范圍窄、渦輪效率低和全工況匹配難等三大技術難點，將航空葉輪機的先進流動控制方法應用于內燃機渦輪增壓研究，進行內燃機高增壓流動理論與方法創新，通過理論創新促進技術突破和工程應用，可謂“戰功”卓著。

在高增壓壓氣機擴穩研究方面，他們揭示了壓氣機流場匹配擴穩新機理，提出并發展了高增壓跨聲速壓氣機非對稱控制擴穩技術，實現了我國內燃機增壓壓氣機設計由亞聲速到跨聲速的技術跨越，解決了傳統對稱控制擴穩技術在跨聲速壓氣機應用效果差的技術難題，突破了高增壓壓氣機穩定工作范圍過窄的關鍵技術瓶頸。

在高增壓渦輪增效研究方面，他們揭示了渦輪脈沖流場整流增效新機制，提出并發展了基于動態來流、減小對排氣脈沖敏感性的渦輪設計技術，實現了增壓渦輪設計由基于穩態來流向基于動態來流的技術跨越，解決了在內燃機排氣脈沖條件下高增壓渦輪效率大幅降低的技術難題，突破了高增壓渦輪工作效率低的關鍵技術瓶頸。

在高增壓全工況匹配研究方面，他們創建了壓氣機與渦輪系統通流模型，提出并發展了內燃機增壓通流匹配技術，實現了增壓系統匹配由零維、單向匹配向一維、耦合匹配的技術跨越，解決了高增壓全工況匹配技術難題，突破了內燃機高增壓系統工況適應性差的關鍵技術瓶頸。

這三大技術瓶頸的突破，成功將我國車用內燃機增壓水平由3.5提升至4.0以上，有效支撐了水陸兩棲等特種車輛的研發。以此為基礎，張揚軍團隊成功研制出多個系列高增壓渦輪增壓器產品，打破了Honeywell、ABB等國際公司在高增壓渦輪增壓器領域的市場壟斷，并實現了我國渦輪增壓器出口與國外大型內燃機和汽車公司進行零部件直接配套“零”的突破。

同時，他們有效解決了內燃機的高原適應性問題，突破了工程機械在“世界第三極”青藏高原地區使用功率嚴重下降的重大瓶頸，實現了工程機械動力海拔4500米功率下降<5%的世界領先水平。

更為重要的是，這一研究成果打破了國外對通用航空內燃機高增壓技術的封鎖，可使無人機升限在原來基礎上提高5000米以上。而作為通用航空高端產品，高空無人機在氣象預測、通訊中繼和災害預測等領域，具有非常廣闊的應用前景。

這一成果也獲得了國內外廣泛贊譽—

高增壓流動理論與技術研究成果，被收入中國科技文獻出版社出版的《2012—2013工程熱物理學科發展報告》，且被中國工程熱物理學會在中國科協組織的“2014中國科協學術建設發布會”上作為工程熱物理學科的重要進展和成果進行了發布。

美國Honeywell公司在2012年ASME年會的增壓研究綜述論文中，對張揚軍團隊的高增壓研究進行了高度評價，稱其是“國際上首次利用非對稱流動控制進行壓氣機擴穩研究”。

英國帝國理工大學教授Ricardo在第五屆泵與風機國際大會作特邀報告時，特別提到“現有傳統的設計方法均未能考慮發動機排氣脈沖效應的影響”，而張揚軍團隊“減小敏感性的研究非常有效”。

日本IHI公司也曾表示該團隊的高增壓流動研究對“內燃機增壓研究起到了引領作用”。

同時，高增壓研究發表的論文于2010年獲得英國J.of Power and Energy雜志的年度最佳論文獎，2012年獲美國ASME Tubo Expo的大會最佳論文獎。張揚軍還代表中國工程熱物理學會，應邀在韓國舉行的ISFMFE2012流體機械國際會議上，作高增壓研究進展的大會特邀報告。

2014年1月10日，張揚軍領銜的研究成果“內燃機全工況高增壓關鍵技術及工程應用”榮獲2013年國家科技進步二等獎。他代表團隊在人民大會堂受到習近平總書記和李克強總理等黨和國家領導人的親切接見。

如今，他們正依托團隊的高增壓研究基礎和清華大學汽車工程系的電動汽車研究優勢，開展電動渦扇發動機的研發。張揚軍介紹，電動渦扇推進可應用于無人機和教練機，具有維護簡單、安全性高、經濟性好、噪聲低等優點，飛行一小時的能耗成本還不到傳統內燃機動力飛機的十分之一。隨著低空空域改革的不斷深化和中國通用航空產業環境的不斷完善，張揚軍認為電動渦扇推進將具有很好的應用前景。

渦輪復合：渦輪增壓技術的升級換代

9月末，習近平主席訪美中方成果清單剛一公布，就引起了廣泛關注，張揚軍就是關注者之一。他最關注的是中美雙方在清潔能源領域的交流與合作。“……新啟動一個提高中載至重載卡車能源效率的技術合作領域……促進高能效卡車的開發及其在兩國市場的應用，以顯著降低交通運輸領域的燃油消耗和溫室氣體排放。”

張揚軍正在攻關的項目恰好就在這個范圍內—通過渦輪復合實現發動機余壓余熱能的動力回收與利用，有效提高內燃機的總能利用率。

交通節能向來是實現節能減排的三大戰場之一，內燃機余壓余熱能利用等交通節能技術更是工業節能和建筑節能的共性關鍵技術。“現在，內燃機消耗的燃油能量，有60%都以余壓余熱能的形式排掉了，這是一個非常大的浪費。內燃機余壓余熱能是一個沒有污染的余能資源，如果能夠回收利用，哪怕只是一部分，發展空間也是巨大的。”張揚軍激動地說。

他正在研究的渦輪復合技術，就是要激活這個余能空間。該技術能夠有效利用發動機排氣余壓余熱能，通過動力渦輪將部分能量轉化為有效功，提高內燃機燃油經濟性、降低二氧化碳排放。它是渦輪增壓的升級換代技術，同樣是跨行業交叉研究的結晶。通過渦輪復合回收利用發動機余壓余熱能是內燃機節能減排的新增長點和主要發展方向，也是當代發動機流體力學研究的主要學科前沿問題。

2011年前后，受胡錦濤主席委托，兩院（中國工程院和中國科學院）啟動了由師昌緒院士任組長、劉大響和徐建中院士任副組長，聚集了50多位兩院院士、75位特邀專家的“航空發動機和燃氣輪機‘兩機專項”調研工作。作為75位特邀專家之一，張揚軍得以與航空發動機領域的院士們一起工作。

北京航空航天大學的陳懋章院士對于他將航空葉輪機領域的先進流體技術跨行業交叉創新應用于汽車內燃機領域非常贊賞，并鼓勵他除汽車內燃機領域外，還可進一步拓展應用于船舶和通用航空內燃機等領域。

交流中，他從徐建中院士正在開展的973課題航空發動機對轉渦輪研究中得到啟示，再結合渦輪復合研究情況，創新提出了內燃機對轉渦輪復合新方案，并最終發展了對轉渦輪復合新技術。

在“十二五”國家973等課題支持下，張揚軍團隊從整機循環、系統集成和部件設計三個層次進行了內燃機余能利用渦輪復合技術的研發，已經取得了多項創新成果—

建立了以循環耦合設計參數為變量的渦輪系統通流模型，揭示了渦輪復合氣動循環的能量分配效應，提出變幾何渦輪復合循環方案，可提高內燃機全工況總能效率。

揭示了兩級渦輪系統的流場匹配效應，提出對轉渦輪復合系統，可有效提高渦輪系統的總效率。

發展了渦輪發電/傳動系統一體化設計方法，通過一體化設計降低渦輪發電機或液力偶合器的轉速，提高系統總效率，并有效降低系統成本。

以這些成果為基礎，張揚軍團隊與東風商用車公司等合作，研制出了我國第一臺渦輪復合內燃機原理樣機。臺架測試結果表明，渦輪復合系統可提高總能效率7.8%，優于Volvo、Detroit、Scania等國際公司的渦輪復合技術提高發動機總能效率5%～6%的技術指標。2011年以來，國際上發表SCI和EI檢索的內燃機渦輪復合相關論文機構排名中，清華大學（張揚軍團隊）均名列第一。瑞典皇家理工學院學者2015年在Renewable and Sustainable Energy Reviews上發表的內燃機渦輪復合技術研究綜述論文中，詳細介紹了張揚軍團隊的相關研究成果。張揚軍應邀在日本舉行的AIFMC2015亞洲流體機械國際會議上，就渦輪復合研究進展作大會主題報告。

作為落實《中國制造2025》的重要舉措，中國汽車工業協會已經完成了中國汽車行業工業強基重點支持方向的梳理工作。清華大學研發的內燃機渦輪復合系統，作為核心基礎零部件被列入了中國汽車行業工業強基的重點支持方向。

當前，團隊正在內燃機渦輪復合系統原理樣機的基礎上進行產品樣機開發，力爭早日將該項技術實現產業化。

渦輪ORC：新能源利用與能源互聯網

電動汽車、電動船舶、電動飛機、分布式發電……這些未來新能源利用科研的發展重點，無一不在能源互聯網的建設范疇之內。

采訪中，張揚軍為我們展望了能源互聯網實現后的一個美好場景：

每個建筑上都有微型渦輪ORC（有機朗肯循環）太陽能發電廠，產生的電能通過無線方式傳給能源互聯網。電動汽車、船舶和飛機等可以通過無線連接方式，隨時利用能源互聯網充電，成為巨大的儲能機構。到那個時候，電動汽車、船舶和飛機等新能源交通工具將成為能源互聯網中不可或缺的一部分。

張揚軍團隊開展的渦輪ORC發電研究，都是在為這個場景的實現加油助力。在國家973等課題支持下，張揚軍團隊已經在渦輪ORC發電研究方面取得了一定進展。

他們發展了ORC總能優化技術，通過ORC循環熱力過程與余熱源傳熱過程的流動綜合優化、渦輪膨脹機低比速設計，提高系統總能利用率、降低系統成本。團隊核心研究骨干諸葛偉林副教授應邀在韓國舉行的AFORE2015亞太可再生能源國際會議上，就渦輪ORC研究進展作大會特邀報告。

他們與湖北武冷集團、中船重工等聯合研發了工業及船用110kWORC總能循環發電系統，已分別在山東德州大禹化工和宜昌興發示范運行。目前正與東風商用車、長江動力、三峽大學等進行車用及建筑太陽能利用5-10kW ORC發電系統的研發。

他們創新性地提出了燃料電池ORC發電新概念。“燃料電池余熱ORC發電，通過燃料電池堆冷卻極板與ORC系統蒸發器的一體化設計，不僅有效回收利用燃料電池反應熱，同時可有效解決燃料電池散熱困難的關鍵瓶頸之一。該項技術若能突破，在新能源汽車、船舶和分布式發電領域，將具有廣闊的應用前景。”

十幾年來，張揚軍從航空走向汽車，又立足汽車面向通用航空、船舶及新能源領域，堅持走跨行業交叉創新之路，始終圍繞以流體為工質的能量轉換裝置—發動機進行研究，并形成了鮮明的研究特色。他嗅覺敏銳，有大局觀，總能在不斷變換的大環境中，挖掘出自身擅長又適應社會發展趨勢的前瞻性研究點，并積極布局、努力突破。無論渦輪增壓，還是渦輪ORC，張揚軍都是立足實際，面向未來。

張揚軍團隊在研究過程中對產學研用協同創新發展模式的探索，也可為今后工作的開展提供有益借鑒。

他所領導的發動機流體與增壓團隊，是由清華大學汽車系、熱能系和航院等相關教師組成的跨院系創新團隊。該團隊有效利用學校相關院系的流體力學學科研究與行業背景優勢，按照學校頂層設計和布局，發揮群體效應，進行動力研發及新能源利用等共性流體關鍵技術的有組織創新研究。

“產學研用合作的關鍵在于突破產、學、研、用各自為政的壁壘。”在湖北省科技廳和宜昌市委市政府等的支持下，立足于技術發展和行業需求，張揚軍團隊聯合位于武漢的武冷、東風商用車、長江動力，以及位于宜昌的中船重工404廠、三峽大學、宜昌興發等單位，進行低溫余熱ORC總能循環發電系統的研發與示范，改變了以往“先有成果，再找企業”的思維模式，探索出一條以需求為牽引、技術為主線、企業為平臺、資金為紐帶、團隊為核心的產學研用融合創新發展模式，實現了產學研用的“無縫鏈接”，在與企業緊密合作的基礎上，實現了科研創新、產品開發和人才培養的三重目標。

在我們身邊，有太多張揚軍一樣默默無聞的科研人員在為美好的未來付出心血。哪怕沒有機會親身感受，但張揚軍們依舊全力以赴，因為熱愛，因為忠誠，因為值得。