氢能发动机壮大对节能减排将更有帮助

2021-07-23 09:30:58

前不久,中国一汽首台氢能发动机点火仪式在北京理工大学举行。据悉,该款产品是北京理工大学教授孙柏刚团队与中国一汽合作的成果。点火成功的消息一经公布,在业内立即引发关注。

 

孙柏刚说:“氢能是未来的发展方向之一,不少企业非常关注,氢燃料电池和氢能发动机分别由不同的机构开展研发。氢燃料电池像一位千金小姐,需要‘吃细粮’,氢气的纯度需要达到99.99%。氢能发动机可以“吃粗粮”,更像一位精壮的小伙子,对氢气的纯度没有特别要求。现有的发动机产业不需要大改造就能转型氢能发动机,助力实现‘双碳’目标。”

♦ 氢能发动机取得新突破

业内人士对氢能发动机这个名词并不陌生,上世纪70年代开始,一大批汽车企业和科研机构投入到相关研究中,经过几十年的努力,取得了一定的成果,但最终没有一款氢能发动机量产上市。氢能发动机渐渐沉寂了。

如今,氢能发动机卷土重来,难道技术上取得了突破?据悉,大力研发氢能发动机的不止北京理工大学和中国一汽,零部件供应商联合汽车电子有限公司也在布局。记者曾听联合汽车电子高级系统开发专家苏建业博士详细介绍氢能发动机的进展。

很多人都知道宝马汽车曾执着于氢能发动机,但大家始终没有看到其配装量产车。苏建业说:“氢气的‘爆脾气’很难控制,宝马采用气道喷射燃烧的方法不好应对。如今,行业已研发出缸内直喷技术,缸内直喷氢气喷射系统具备量产可行性。”孙柏刚告诉记者,氢气的点火范围很宽,非常容易出现异常燃烧,主要表现是回火、爆震和早燃,这几个方面不控制好,氢能发动机无法正常工作。

诞生于上世纪的氢能发动机普遍存在功率密度低的缺点,很难满足车辆的使用要求,如今这个难题也被破解。苏建业说:“增压技术的进步满足了氢能发动机对功率的需求,从以前的30kW/L提高到80kW/L,翻了一倍多。”据介绍,当前2.0L涡轮增压缸内直喷氢能发动机的功率、扭矩,与2.0L增压直喷汽油机相当。总体上,氢能发动机具备了量产的技术条件。

孙柏刚还表示,使用氢能发动机后,机动车尾气排放可以直接升级到国七排放标准,氢能发动机的尾气中没有二氧化碳和颗粒物,在测试中有碳氢化合物和一氧化碳,不过数量极少。氢能发动机最大的挑战是碳氧化物排放,外界向发动机输入的空气中既有氧气又有氮气,在高温条件下,氧气与氮气会产生化学反应,生成氮氧化物。“污染物不超过10PPM(百万分比浓度),尾气不需要额外处理。发动机有一部分没烧完的氢气,流过后处理装置时会还原成氮氧化物,因为氢气有很强的还原性。”他说。

苏建业告诉记者,氢能发动机的短板是升功率不足,缸内直喷达到80kW/L之后就很难提升,热效率也比传统内燃机低一点。孙柏刚则指出:“氢能发动机的热效率是42%,随比传统发动机低一点,但在环保方面是传统燃油车不可比拟的。”

♦ 或比电堆更具推广优势

氢能发动机与氢燃料电堆都使用氢气驱动车辆前行,人们自然会比较两者谁更有前景。孙柏刚认为:“比较两者的成本、性能等因素,综合来看,氢能发动机的优点更多一些。”

电堆必须使用贵金属铂,其在地球上的储量很低。“资料显示,全球的铂金属如果都供应汽车产业生产电堆,储量也不够用。发展氢燃料电池,必须研发出无铂电堆才有持续的生命力。氢能发动机不需要对原有的发动机进行大规模改造,更不需要用到贵金属,尾气中污染物含量低。”

不使用贵金属,也无需大规模改造,这意味着氢能发动机的成本比氢能电堆低。孙柏刚说:“氢能发动机的成本约是电堆的1/10,发动机的成本是150~200元/kW,电堆的成本为2999元/kW。为了推广氢燃料电池汽车,我国实施了补贴政策,氢能发动机无需额外增加财政负担。”

从使用的角度看,氢燃料电堆中的贵金属比较“娇气”,氢气纯度不高容易导致催化剂“中毒”。孙柏刚说:“对于氢燃料电池而言,氢气的纯度需要达到99.99%,杂质稍多一点就容易催化剂‘中毒’。化工回收氢气、天然气裂解等氢气再提纯,成本将大幅增加。氢能发动机对氢气的纯度没有特别的要求,可以‘吃粗粮’。两者比较,氢能发动机的使用成本更低些。”

低温性能是衡量发动机的重要指标之一,氢燃料电堆的工作温度约为零下20℃,而氢能发动几乎没有要求。孙柏刚说:“氢燃料电堆生成的水在低温环境对电堆有较大的影响,而氢能发动机不存在这方面的问题。另外,从系统能量转化效率来看,氢能发动机也比氢燃料电堆高。”

“判断一项技术是否有发展前景主要看三项指标,一是安全,二是可持续,三是用得起。氢能发动机都符合这三项指标,因此前景广阔。”孙柏刚说。

♦ 下一步研发卡车氢能发动机

据了解,北京理工大学是我国最早开展氢能发动机研发的高校,孙柏刚带领团队默默耕耘了十多年,打下了坚实的基础。北京理工大学率先建立了具有国际先进水平的氢内燃机整套试验台架系统,它也是国内目前惟一能进行氢内燃机燃烧与试验开发的平台,已安全稳定运转超过15年,帮助长安汽车、上海汽车、中国一汽完成开发。长城汽车、比亚迪、吉利、潍柴动力、一汽解放发动机事业部、北汽福田等也将利用这套平台进行开发。

经过多年的摸索,孙柏刚团队取得了多项核心技术突破,相继突破了氢内燃机总体设计、氮氧化物排放控制技术、非正常燃烧抑制技术、车载氢供应系统、电子控制系统等多项氢内燃机关键技术,开发出国内第一辆氢内燃机轿车。“我们在氢气应用于内燃机研究方面进行了许多开创性的工程实践。截至目前,诞生于2011年的首辆氢内燃机轿车已累计运行超过1万公里。”他告诉记者。

孙柏刚称:“我们在工程开发的时候考虑了氢气供应体系还不完善的问题,因此为氢能发动机设计了两套燃料系统,既可以使用汽油,也可以使用氢能。当氢气用完之后,驾驶员可以切换到汽油系统,不会有里程焦虑的问题。下一步,我们将研发卡车氢能发动机,其对节能减排将更有帮助。”

根据国家统计局公布的数据,2020年,中国汽油表观消费总量为11619.73万吨,柴油表观消费总量为14048.08万吨。汽油主要被乘用车消耗,柴油大部分被商用车消耗。在商用车中,重型载货车消耗的柴油最多。2020年,我国重型载货车的保有量大约为1800万辆,占比虽很低,但消耗的柴油最多,制造的污染物排放量也最多。在孙柏刚看来:“卡车氢能发动机将帮助重型载货车打一场翻身仗。”

孙柏刚团队要研发出卡车氢能发动机并不容易,首先就是经费难题。氢能发动机研发成功后,还需要进行长期的可靠性试验。孙柏刚说:“长期可靠性试验耗资巨大,以我们现有的实力,根本做不起。我国已提出‘双碳’目标,氢能发动机将为此提供助力。我们将不断努力研发出卡车氢能发动机,并尽快实现产业化。”

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