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前不久，中國(guó)一汽首臺(tái)氫能發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火儀式在北京理工大學(xué)舉行。據(jù)悉，該款產(chǎn)品是北京理工大學(xué)教授孫柏剛團(tuán)隊(duì)與中國(guó)一汽合作的成果。點(diǎn)火成功的消息一經(jīng)公布，在業(yè)內(nèi)立即引發(fā)關(guān)注。

孫柏剛說：“氫能是未來的發(fā)展方向之一，不少企業(yè)非常關(guān)注，氫燃料電池和氫能發(fā)動(dòng)機(jī)分別由不同的機(jī)構(gòu)開展研發(fā)。氫燃料電池像一位千金小姐，需要‘吃細(xì)糧’，氫氣的純度需要達(dá)到99.99％。氫能發(fā)動(dòng)機(jī)可以“吃粗糧”，更像一位精壯的小伙子，對(duì)氫氣的純度沒有特別要求。現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)不需要大改造就能轉(zhuǎn)型氫能發(fā)動(dòng)機(jī)，助力實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)。”

♦ 氫能發(fā)動(dòng)機(jī)取得新突破

業(yè)內(nèi)人士對(duì)氫能發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)名詞并不陌生，上世紀(jì)70年代開始，一大批汽車企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)投入到相關(guān)研究中，經(jīng)過幾十年的努力，取得了一定的成果，但最終沒有一款氫能發(fā)動(dòng)機(jī)量產(chǎn)上市。氫能發(fā)動(dòng)機(jī)漸漸沉寂了。

如今，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)卷土重來，難道技術(shù)上取得了突破？據(jù)悉，大力研發(fā)氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的不止北京理工大學(xué)和中國(guó)一汽，零部件供應(yīng)商聯(lián)合汽車電子有限公司也在布局。記者曾聽聯(lián)合汽車電子高級(jí)系統(tǒng)開發(fā)專家蘇建業(yè)博士詳細(xì)介紹氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)展。

很多人都知道寶馬汽車曾執(zhí)著于氫能發(fā)動(dòng)機(jī)，但大家始終沒有看到其配裝量產(chǎn)車。蘇建業(yè)說：“氫氣的‘爆脾氣’很難控制，寶馬采用氣道噴射燃燒的方法不好應(yīng)對(duì)。如今，行業(yè)已研發(fā)出缸內(nèi)直噴技術(shù)，缸內(nèi)直噴氫氣噴射系統(tǒng)具備量產(chǎn)可行性。”孫柏剛告訴記者，氫氣的點(diǎn)火范圍很寬，非常容易出現(xiàn)異常燃燒，主要表現(xiàn)是回火、爆震和早燃，這幾個(gè)方面不控制好，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)無法正常工作。

誕生于上世紀(jì)的氫能發(fā)動(dòng)機(jī)普遍存在功率密度低的缺點(diǎn)，很難滿足車輛的使用要求，如今這個(gè)難題也被破解。蘇建業(yè)說：“增壓技術(shù)的進(jìn)步滿足了氫能發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)功率的需求，從以前的30kW/L提高到80kW/L，翻了一倍多。”據(jù)介紹，當(dāng)前2.0L渦輪增壓缸內(nèi)直噴氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩，與2.0L增壓直噴汽油機(jī)相當(dāng)。總體上，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)具備了量產(chǎn)的技術(shù)條件。

孫柏剛還表示，使用氫能發(fā)動(dòng)機(jī)后，機(jī)動(dòng)車尾氣排放可以直接升級(jí)到國(guó)七排放標(biāo)準(zhǔn)，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的尾氣中沒有二氧化碳和顆粒物，在測(cè)試中有碳?xì)浠�合物和一氧化碳，不過數(shù)量極少。氫能發(fā)動(dòng)機(jī)最大的挑戰(zhàn)是碳氧化物排放，外界向發(fā)動(dòng)機(jī)輸入的空氣中既有氧氣又有氮?dú)猓�在高溫條件下，氧氣與氮?dú)鈺?huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮氧化物。“污染物不超過10PPM（百萬分比濃度），尾氣不需要額外處理。發(fā)動(dòng)機(jī)有一部分沒燒完的氫氣，流過后處理裝置時(shí)會(huì)還原成氮氧化物，因?yàn)闅錃庥泻軓?qiáng)的還原性。”他說。

蘇建業(yè)告訴記者，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的短板是升功率不足，缸內(nèi)直噴達(dá)到80kW/L之后就很難提升，熱效率也比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)低一點(diǎn)。孫柏剛則指出：“氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率是42％，隨比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)低一點(diǎn)，但在環(huán)保方面是傳統(tǒng)燃油車不可比擬的。”

♦ 或比電堆更具推廣優(yōu)勢(shì)

氫能發(fā)動(dòng)機(jī)與氫燃料電堆都使用氫氣驅(qū)動(dòng)車輛前行，人們自然會(huì)比較兩者誰更有前景。孫柏剛認(rèn)為：“比較兩者的成本、性能等因素，綜合來看，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)更多一些。”

電堆必須使用貴金屬鉑，其在地球上的儲(chǔ)量很低。“資料顯示，全球的鉑金屬如果都供應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)電堆，儲(chǔ)量也不夠用。發(fā)展氫燃料電池，必須研發(fā)出無鉑電堆才有持續(xù)的生命力。氫能發(fā)動(dòng)機(jī)不需要對(duì)原有的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行大規(guī)模改造，更不需要用到貴金屬，尾氣中污染物含量低。”

不使用貴金屬，也無需大規(guī)模改造，這意味著氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的成本比氫能電堆低。孫柏剛說：“氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的成本約是電堆的1/10，發(fā)動(dòng)機(jī)的成本是150～200元/kW，電堆的成本為2999元/kW。為了推廣氫燃料電池汽車，我國(guó)實(shí)施了補(bǔ)貼政策，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)無需額外增加財(cái)政負(fù)擔(dān)。”

從使用的角度看，氫燃料電堆中的貴金屬比較“嬌氣”，氫氣純度不高容易導(dǎo)致催化劑“中毒”。孫柏剛說：“對(duì)于氫燃料電池而言，氫氣的純度需要達(dá)到99.99％，雜質(zhì)稍多一點(diǎn)就容易催化劑‘中毒’。化工回收氫氣、天然氣裂解等氫氣再提純，成本將大幅增加。氫能發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)氫氣的純度沒有特別的要求，可以‘吃粗糧’。兩者比較，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的使用成本更低些。”

低溫性能是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)之一，氫燃料電堆的工作溫度約為零下20℃，而氫能發(fā)動(dòng)幾乎沒有要求。孫柏剛說：“氫燃料電堆生成的水在低溫環(huán)境對(duì)電堆有較大的影響，而氫能發(fā)動(dòng)機(jī)不存在這方面的問題。另外，從系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率來看，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)也比氫燃料電堆高。”

“判斷一項(xiàng)技術(shù)是否有發(fā)展前景主要看三項(xiàng)指標(biāo)，一是安全，二是可持續(xù)，三是用得起。氫能發(fā)動(dòng)機(jī)都符合這三項(xiàng)指標(biāo)，因此前景廣闊。”孫柏剛說。

♦ 下一步研發(fā)卡車氫能發(fā)動(dòng)機(jī)

據(jù)了解，北京理工大學(xué)是我國(guó)最早開展氫能發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的高校，孫柏剛帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)默默耕耘了十多年，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)率先建立了具有國(guó)際先進(jìn)水平的氫內(nèi)燃機(jī)整套試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)，它也是國(guó)內(nèi)目前惟一能進(jìn)行氫內(nèi)燃機(jī)燃燒與試驗(yàn)開發(fā)的平臺(tái)，已安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)超過15年，幫助長(zhǎng)安汽車、上海汽車、中國(guó)一汽完成開發(fā)。長(zhǎng)城汽車、比亞迪、吉利、濰柴動(dòng)力、一汽解放發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部、北汽福田等也將利用這套平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。

經(jīng)過多年的摸索，孫柏剛團(tuán)隊(duì)取得了多項(xiàng)核心技術(shù)突破，相繼突破了氫內(nèi)燃機(jī)總體設(shè)計(jì)、氮氧化物排放控制技術(shù)、非正常燃燒抑制技術(shù)、車載氫供應(yīng)系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等多項(xiàng)氫內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出國(guó)內(nèi)第一輛氫內(nèi)燃機(jī)轎車。“我們?cè)跉錃鈶?yīng)用于內(nèi)燃機(jī)研究方面進(jìn)行了許多開創(chuàng)性的工程實(shí)踐。截至目前，誕生于2011年的首輛氫內(nèi)燃機(jī)轎車已累計(jì)運(yùn)行超過1萬公里。”他告訴記者。

孫柏剛稱：“我們?cè)诠こ涕_發(fā)的時(shí)候考慮了氫氣供應(yīng)體系還不完善的問題，因此為氫能發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了兩套燃料系統(tǒng)，既可以使用汽油，也可以使用氫能。當(dāng)氫氣用完之后，駕駛員可以切換到汽油系統(tǒng)，不會(huì)有里程焦慮的問題。下一步，我們將研發(fā)卡車氫能發(fā)動(dòng)機(jī)，其對(duì)節(jié)能減排將更有幫助。”

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)，2020年，中國(guó)汽油表觀消費(fèi)總量為11619.73萬噸，柴油表觀消費(fèi)總量為14048.08萬噸。汽油主要被乘用車消耗，柴油大部分被商用車消耗。在商用車中，重型載貨車消耗的柴油最多。2020年，我國(guó)重型載貨車的保有量大約為1800萬輛，占比雖很低，但消耗的柴油最多，制造的污染物排放量也最多。在孫柏剛看來：“卡車氫能發(fā)動(dòng)機(jī)將幫助重型載貨車打一場(chǎng)翻身仗。”

孫柏剛團(tuán)隊(duì)要研發(fā)出卡車氫能發(fā)動(dòng)機(jī)并不容易，首先就是經(jīng)費(fèi)難題。氫能發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)成功后，還需要進(jìn)行長(zhǎng)期的可靠性試驗(yàn)。孫柏剛說：“長(zhǎng)期可靠性試驗(yàn)耗資巨大，以我們現(xiàn)有的實(shí)力，根本做不起。我國(guó)已提出‘雙碳’目標(biāo)，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)將為此提供助力。我們將不斷努力研發(fā)出卡車氫能發(fā)動(dòng)機(jī)，并盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”

來源：中國(guó)汽車報(bào)