氫能發動機取得新突破 或比電堆更具推廣優勢

前不久，中國一汽首臺氫能發動機點火儀式在北京理工大學舉行。據悉，該款產品是北京理工大學教授孫柏剛團隊與中國一汽合作的成果。點火成功的消息一經公布，在業內立即引發關注。

孫柏剛說：“氫能是未來的發展方向之一，不少企業非常關注，氫燃料電池和氫能發動機分別由不同的機構開展研發。氫燃料電池像一位千金小姐，需要‘吃細糧’，氫氣的純度需要達到99.99%。氫能發動機可以“吃粗糧”，更像一位精壯的小伙子，對氫氣的純度沒有特別要求。現有的發動機產業不需要大改造就能轉型氫能發動機，助力實現‘雙碳’目標。”

♦ 氫能發動機取得新突破

業內人士對氫能發動機這個名詞并不陌生，上世紀70年代開始，一大批汽車企業和科研機構投入到相關研究中，經過幾十年的努力，取得了一定的成果，但最終沒有一款氫能發動機量產上市。氫能發動機漸漸沉寂了。

如今，氫能發動機卷土重來，難道技術上取得了突破?據悉，大力研發氫能發動機的不止北京理工大學和中國一汽，零部件供應商聯合汽車電子有限公司也在布局。記者曾聽聯合汽車電子高級系統開發專家蘇建業博士詳細介紹氫能發動機的進展。

很多人都知道寶馬汽車曾執著于氫能發動機，但大家始終沒有看到其配裝量產車。蘇建業說：“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對。如今，行業已研發出缸內直噴技術，缸內直噴氫氣噴射系統具備量產可行性。”孫柏剛告訴記者，氫氣的點火范圍很寬，非常容易出現異常燃燒，主要表現是回火、爆震和早燃，這幾個方面不控制好，氫能發動機無法正常工作。

誕生于上世紀的氫能發動機普遍存在功率密度低的缺點，很難滿足車輛的使用要求，如今這個難題也被破解。蘇建業說：“增壓技術的進步滿足了氫能發動機對功率的需求，從以前的30kW/L提高到80kW/L，翻了一倍多。”據介紹，當前2.0L渦輪增壓缸內直噴氫能發動機的功率、扭矩，與2.0L增壓直噴汽油機相當。總體上，氫能發動機具備了量產的技術條件。

孫柏剛還表示，使用氫能發動機后，機動車尾氣排放可以直接升級到國七排放標準，氫能發動機的尾氣中沒有二氧化碳和顆粒物，在測試中有碳氫化合物和一氧化碳，不過數量極少。氫能發動機最大的挑戰是碳氧化物排放，外界向發動機輸入的空氣中既有氧氣又有氮氣，在高溫條件下，氧氣與氮氣會產生化學反應，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。發動機有一部分沒燒完的氫氣，流過后處理裝置時會還原成氮氧化物，因為氫氣有很強的還原性。”他說。

蘇建業告訴記者，氫能發動機的短板是升功率不足，缸內直噴達到80kW/L之后就很難提升，熱效率也比傳統內燃機低一點。孫柏剛則指出：“氫能發動機的熱效率是42%，隨比傳統發動機低一點，但在環保方面是傳統燃油車不可比擬的。”

♦ 或比電堆更具推廣優勢

氫能發動機與氫燃料電堆都使用氫氣驅動車輛前行，人們自然會比較兩者誰更有前景。孫柏剛認為：“比較兩者的成本、性能等因素，綜合來看，氫能發動機的優點更多一些。”

電堆必須使用貴金屬鉑，其在地球上的儲量很低。“資料顯示，全球的鉑金屬如果都供應汽車產業生產電堆，儲量也不夠用。發展氫燃料電池，必須研發出無鉑電堆才有持續的生命力。氫能發動機不需要對原有的發動機進行大規模改造，更不需要用到貴金屬，尾氣中污染物含量低。”

不使用貴金屬，也無需大規模改造，這意味著氫能發動機的成本比氫能電堆低。孫柏剛說：“氫能發動機的成本約是電堆的1/10，發動機的成本是150～200元/kW，電堆的成本為2999元/kW。為了推廣氫燃料電池汽車，我國實施了補貼政策，氫能發動機無需額外增加財政負擔。”

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致催化劑“中毒”。孫柏剛說：“對于氫燃料電池而言，氫氣的純度需要達到99.99%，雜質稍多一點就容易催化劑‘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。氫能發動機對氫氣的純度沒有特別的要求，可以‘吃粗糧’。兩者比較，氫能發動機的使用成本更低些。”

低溫性能是衡量發動機的重要指標之一，氫燃料電堆的工作溫度約為零下20℃，而氫能發動幾乎沒有要求。孫柏剛說：“氫燃料電堆生成的水在低溫環境對電堆有較大的影響，而氫能發動機不存在這方面的問題。另外，從系統能量轉化效率來看，氫能發動機也比氫燃料電堆高。”

“判斷一項技術是否有發展前景主要看三項指標，一是安全，二是可持續，三是用得起。氫能發動機都符合這三項指標，因此前景廣闊。”孫柏剛說。

♦ 下一步研發卡車氫能發動機

據了解，北京理工大學是我國最早開展氫能發動機研發的高校，孫柏剛帶領團隊默默耕耘了十多年，打下了堅實的基礎。北京理工大學率先建立了具有國際先進水平的氫內燃機整套試驗臺架系統，它也是國內目前惟一能進行氫內燃機燃燒與試驗開發的平臺，已安全穩定運轉超過15年，幫助長安汽車、上海汽車、中國一汽完成開發。長城汽車、比亞迪、吉利、濰柴動力、一汽解放發動機事業部、北汽福田等也將利用這套平臺進行開發。

經過多年的摸索，孫柏剛團隊取得了多項核心技術突破，相繼突破了氫內燃機總體設計、氮氧化物排放控制技術、非正常燃燒抑制技術、車載氫供應系統、電子控制系統等多項氫內燃機關鍵技術，開發出國內第一輛氫內燃機轎車。“我們在氫氣應用于內燃機研究方面進行了許多開創性的工程實踐。截至目前，誕生于2011年的首輛氫內燃機轎車已累計運行超過1萬公里。”他告訴記者。

孫柏剛稱：“我們在工程開發的時候考慮了氫氣供應體系還不完善的問題，因此為氫能發動機設計了兩套燃料系統，既可以使用汽油，也可以使用氫能。當氫氣用完之后，駕駛員可以切換到汽油系統，不會有里程焦慮的問題。下一步，我們將研發卡車氫能發動機，其對節能減排將更有幫助。”

根據國家統計局公布的數據，2020年，中國汽油表觀消費總量為11619.73萬噸，柴油表觀消費總量為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：“卡車氫能發動機將幫助重型載貨車打一場翻身仗。”

孫柏剛團隊要研發出卡車氫能發動機并不容易，首先就是經費難題。氫能發動機研發成功后，還需要進行長期的可靠性試驗。孫柏剛說：“長期可靠性試驗耗資巨大，以我們現有的實力，根本做不起。我國已提出‘雙碳’目標，氫能發動機將為此提供助力。我們將不斷努力研發出卡車氫能發動機，并盡快實現產業化。”(萬仁美)