文｜光伏頭條
2022年3月22日，清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院先進(jìn)發(fā)動機(jī)團(tuán)隊在氨氫發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)上取得新突破。利用氫氣點火形成分布式燃?xì)馍淞饕及被旌蠚?，實現(xiàn)了氨發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運行。
3月28日，清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院先進(jìn)發(fā)動機(jī)團(tuán)隊與東風(fēng)商用車公司聯(lián)手在其龍擎DDi13重型車發(fā)動機(jī)上實現(xiàn)氨/柴燃料點火成功，屬國內(nèi)首臺氨燃料重型車用發(fā)動機(jī)。
曾經(jīng)被擱置很久的氫內(nèi)燃機(jī)重燃發(fā)展曙光，讓人們似乎看到了未來氫能在交通領(lǐng)域發(fā)展的一條新路。
氫內(nèi)燃機(jī)與燃料電池有何不同？
很多人并不了解氫能內(nèi)燃機(jī)和燃料電池發(fā)動機(jī)有何差別，甚至把兩種技術(shù)混為一談。但實際上這卻是兩種截然不同的技術(shù)。
所謂氫內(nèi)燃機(jī)，本質(zhì)就是內(nèi)燃機(jī)，之所以叫“氫內(nèi)燃機(jī)”，是因為它在內(nèi)部燃燒時燒的是氫氣。而其他內(nèi)燃機(jī)基本上燒的是化石能源，比如汽油或者柴油。
燃料電池則是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。其技術(shù)路線更為復(fù)雜，涉及化學(xué)熱力學(xué)、電化學(xué)、電催化、材料科學(xué)、電力系統(tǒng)及自動控制等學(xué)科的有關(guān)理論。
氫燃料電池車的反應(yīng)是從氫氣轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽儆呻娔茯?qū)動讓車運行起來。一個直接內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動，一個氫轉(zhuǎn)換為電再驅(qū)動，從能量損耗的角度看，氫內(nèi)燃機(jī)比氫燃料電池的能量損耗小。
最重要的一點，氫內(nèi)燃機(jī)車和電完全不沾邊，它的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和燃油車一致，關(guān)鍵零部件和生產(chǎn)制造系統(tǒng)完全可以通用，比如：氫內(nèi)燃機(jī)可與現(xiàn)有卡車變速箱系統(tǒng)相兼容，并能順利接入行業(yè)現(xiàn)有的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)和運營設(shè)施。這樣對于傳統(tǒng)燃油車企來說，生產(chǎn)氫內(nèi)燃機(jī)車的產(chǎn)線改造成本最小。
氫內(nèi)燃機(jī)還有一個非常明顯的優(yōu)勢是其強(qiáng)大的動力優(yōu)勢。對高載荷和高功率密度應(yīng)用來說，電動汽車解決方案無法滿足其運行要求，而燃料電池又不具備經(jīng)濟(jì)可行性。氫內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)可謂針對動力訴求強(qiáng)的用戶提供了更有經(jīng)濟(jì)性的解決方案。
因何重啟氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)
氫內(nèi)燃機(jī)實際上在人們研發(fā)內(nèi)燃機(jī)的時候就被列入首選研究對象。但氫氣的燃爆點比汽柴油低，試驗過程中常常出現(xiàn)還未點火就被發(fā)動機(jī)高溫給引爆的情況，而且受制于當(dāng)時的儲氫材料和設(shè)備限制，氫氣體積太大、液化難度高，所以很快就被研發(fā)人員放棄了。
隨著時間的推移，人們逐漸發(fā)現(xiàn)以前看似難以逾越的技術(shù)難題似乎是可以通過其他方式克服的。尤其是在石油價格上漲，油氣供需關(guān)系緊張的情況下，人們又重啟了對氫內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)。
各家車企的工程師夜以繼日研發(fā)新技術(shù)，逐漸解決了氫內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)難題。比如在儲氫領(lǐng)域，由于碳纖維等新型材料的運用，讓高強(qiáng)度壓縮氣罐誕生了，汽車可以在保證安全的前提下攜帶更多的氫。噴水冷卻和廢氣再循環(huán)技術(shù)，也讓氫氣提前引爆的問題得到了根本解決。
聯(lián)合汽車電子高級系統(tǒng)開發(fā)專家蘇建業(yè)介紹說：“增壓技術(shù)的進(jìn)步滿足了氫能發(fā)動機(jī)對功率的需求，從以前的30kW/L提高到80kW/L，翻了一倍多?！眹H能源/氫能匯（微信公眾號：h2-2005）了解到，當(dāng)前2.0L渦輪增壓缸內(nèi)直噴氫能發(fā)動機(jī)的功率、扭矩，與2.0L增壓直噴汽油機(jī)相當(dāng)?？傮w上，氫能發(fā)動機(jī)具備了量產(chǎn)的技術(shù)條件。
2006年，美國福特汽車公司的的V-10氫內(nèi)燃機(jī)投入生產(chǎn)，2007年開發(fā)出氫內(nèi)燃機(jī)公交車；
2007年，長安汽車與北京理工大學(xué)合作研究出PFI氫內(nèi)燃機(jī)汽車。
2009年，北理工氫內(nèi)燃機(jī)團(tuán)隊成功開發(fā)出中國第一輛氫內(nèi)燃機(jī)轎車，并成功行駛超過1萬公里。
2021年5月12日，在中國品牌博覽會上，一汽紅旗展出了氫氣發(fā)動機(jī)車型。
2022年3月22日，福特氫燃料內(nèi)燃機(jī)專利曝光，這具氫燃料引擎的Lambda值（過量空氣系數(shù)）可超過2.00，遠(yuǎn)超過稀薄燃燒的1.00，在排廢上更為潔凈。
從上述氫內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)時間線可以看到，我們國家的氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)速度幾乎與國外一致，長期以來，在汽車領(lǐng)域，國外的先進(jìn)技術(shù)一直壓我們國家一頭，實現(xiàn)彎道超車，或許可以是一個新賽道。
氫內(nèi)燃機(jī)普及還缺什么？
從氫內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們不難發(fā)現(xiàn)，其遠(yuǎn)未達(dá)到實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。那么氫內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)普及，進(jìn)而取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車究竟還缺什么條件？
首先一點是政策支持。雖然我們國家工信部在2021年8月10日在《對十三屆全國人大四次會議第5736號建議的答復(fù)》中提到，下一步，將積極配合相關(guān)部門制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略，研究推動將氫氣內(nèi)燃機(jī)納入其中予以支持。
此后無論是國家政策還是地方政策，對氫內(nèi)燃機(jī)再難見到只言片語，但關(guān)于推廣氫燃料電池車的相關(guān)政策卻層出不窮?；蛟S對于氫內(nèi)燃機(jī)，我們只能寄希望于關(guān)于氫能技術(shù)的創(chuàng)新平臺能得到政府部門在資金或者技術(shù)交流方面予以支持。
其次，除了政策支持外，很重要的一點是氫與空氣混合氣體燃燒與排放控制。因為氫分子小，滲透性又很強(qiáng)，如何保證其在噴射過程中的定時、定序、定量、穩(wěn)定運行，避免回火異常燃燒也是一道難題。
氫內(nèi)燃機(jī)的排放并不全是水，還有一定量的氮氧化物，對于這部分氮氧化物排放如何處理采用什么技術(shù)處理也是目前尚未研究清晰的一個問題。
另外就是，人們常常提到的“氫脆”問題，尤其是與氫接觸的管線、閥門、噴嘴等設(shè)備材料如何避免避免“氫脆”問題需要反復(fù)試驗。
而從先行的標(biāo)準(zhǔn)體系觀察，氫內(nèi)燃機(jī)尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，因此需要全國氫能標(biāo)準(zhǔn)化委員會、全國內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化委員會和全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會聯(lián)合制定適應(yīng)與氫內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)體系，只有先定好規(guī)矩，才能確保行業(yè)可以做大做強(qiáng)。
中國汽車工程學(xué)會理事長、中國工程院院士、清華大學(xué)教授李駿指出：“人類所使用的無碳燃料不僅是氫，還有其他燃料。氨氫融合一體化的新能源汽車可能將會是絕佳解決方案。氨氫能源融合，打造氫能運、儲、供新體系，可以用于燃料電池和內(nèi)燃機(jī)，更適合長途運輸?shù)纳逃密??！?/p>
清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院先進(jìn)發(fā)動機(jī)團(tuán)隊與東風(fēng)商用車公司聯(lián)手在其龍擎DDi13重型車發(fā)動機(jī)上實現(xiàn)氨/柴燃料點火成功，或許已經(jīng)證明了李俊院士的觀點，氫內(nèi)燃機(jī)的試水已經(jīng)從氨開始了。