氢内燃机研发之旅：顺着氢的“脾气”做设计,16年磨一剑

2022-09-01 16:21:47  信息编号：K223430  浏览次数：184

寻找清洁替代能源，是汽车发动机工业实现节能减排的重要路径之一。氢，就是一种理想的未来能源载体。

氢能作为清洁无碳的战略性新兴能源，是实现交通运输领域深度脱碳降碳，推动能源结构优化，助力实现碳达峰、碳中和的重要选择。今年全国两会期间，氢能及氢能源汽车成为了代表委员们频频提及的热词。

摸清氢的“脾气”，把这活泼的小分子变成驱动内燃机的安全燃料，是北京理工大学机械与车辆学院孙柏刚教授团队做了16年的事。

8月中旬，实验室里，孙柏刚和团队成员正在调试玉柴集团的氢内燃机。内燃机一次次轰鸣，他们一次次记录、分析，研究提升内燃机功率和扭矩的最佳方案。

玉柴K05氢内燃机开发团队合影

“氢内燃机高效、低碳，能实现近零污染物排放。但要用好氢能，并不容易啊！”面对记者的采访，孙柏刚感叹道。

在库房里建起实验室

氢内燃机，也叫氢燃料发动机，以传统内燃机为基础，通过改变燃料供应系统、喷射系统以及燃料等，燃烧氢气产生动力，从而驱动车辆的行驶。

事实上，氢内燃机的发展历史可以追溯到1997年。福特汽车在1997年启动氢内燃机的开发工作，搭载其2.0L氢气发动机的轿车车型在2001年发布；马自达在2003年发布了双燃料的Mazda RX-8 Hydrogen RE；宝马在2005年量产了基于宝马7系（E65）的12缸6L氢气/汽油双燃料发动机……

然而，当时由车企发起的氢内燃机革命似乎在2005年后经历了漫长的“雪藏期”，直到近年才重新回归各大车厂的视野：曼恩的第一台氢气内燃机原型机已经在实验室的台架上进行测试，道依茨的氢内燃机产品也已经可供预定；丰田在去年6月推出世界上首辆氢内燃机赛车后，于今年2月宣布开发氢燃料发动机，预计功率可达450马力（约330kW）。

但是，那时，我国却还没有自主研发的氢内燃机。

走上氢内燃机研发之路，孙柏刚有一位领路人——已于2020年去世的车辆发动机专家、北京理工大学教授刘福水。

2000年初，刘福水去往德国攻读博士学位，在那里承担了德国车企的氢内燃机项目。回国后，他动员团队里的孙柏刚：“你来搞一下氢内燃机怎么样？”

当时，研究了十几年传统内燃机的孙柏刚坦言，自己还看不清氢内燃机的前景，但愿意一试。

孙柏刚接受采访视频截图

起步阶段，可谓“一穷二白”。

“穷”，是没有科研项目。没有项目，也就没有经费。其他课题组从自己的可支配结题经费中匀一部分给孙柏刚做研究，“穷”的问题暂时缓解。

“白”，则是既没有实验室，也没有团队。

实验室没法“匀”，那时楼里只剩一层还有一间库房，简单收拾收拾，就成了实验室。

没有团队，孙柏刚边动员新学生，边找课题组其他研究方向“借”人。他还向合作的公司借工程师，借试验人员……就这样，搭好了一支能干活的队伍。

当时他们实行“多线作战”，同步推进。设备供应商在会议室里调试台架控制器；学生在实验室外支起棚子做氢气喷嘴的测试；借来的一个电控方向博士生，在自己的工位上调发动机的控制系统……

2006年4月，孙柏刚拿到库房的钥匙；7月底，实验室就已初具雏形。“房顶上不掉东西了，我们就进实验室干活了。”孙柏刚说，当时总觉得时不我待，“国外像宝马、福特这样的公司，已经做了几十年氢内燃机，既然自己要做，那就得快点迎头赶上！”

2006年10月，团队获得科技部的一个相关项目，有了第一笔正儿八经的科研经费。钱不算多，但解了燃眉之急，研究逐渐走向正轨。

顺着氢的“脾气”做设计

氢内燃机保留了传统内燃机的主要结构和系统。它和汽油机、柴油机的区别，主要在于燃料不同。

氢活泼，也易燃。它的这些特性，给内燃机的研发带来许多新问题。

团队协助调试的一汽红旗氢发动机

由于氢可燃范围广，容易在内燃机进气道发生回火。简单理解，回火就是提前在不该燃烧的地点发生了燃烧。它会损伤内燃机的气门和进气道，甚至使氢内燃机无法正常工作。

孙柏刚带领的团队建立了包含进气道和气缸的氢内燃机一维/三维仿真模型，做了一系列试验，发现不同工况下发生回火的原因也不同。

结合内燃机的不同转速和负荷，需要调控喷氢压力、流量、速度，优化喷氢角度、喷氢时刻，找到最优的喷氢相位。每台发动机的最优喷氢相位都不一样，甚至关键零部件一换，参数又有变动。

“只能反复摸，反复试。”孙柏刚说，刚开始实验那段时间，他们曾被一种不明原因的回火困扰，“这个问题卡了我们两三个月”。

反复排查分析后大家发现，竟然是小小的点火线圈“作祟”。

在传统车用柴油机中，车企为了降低成本，一般两个气缸合用一个点火线圈，同时点火。由于气缸所处的运行状态并不一样，对其中一个缸来说，这是一次无效的富余点火。但把燃料换成易燃的氢气后，共用点火线圈时的那次“无效点火”，也可能点燃氢气空气的混合物。

找到原因后，问题也迎刃而解——团队给每个气缸都换上了独立的点火系统。

“主要是当时都没想到这会是线圈的问题。”孙柏刚说，在传统内燃机上的那些“约定俗成”，在氢面前都不灵了。

真正的氢内燃机，一定要顺着氢气自身的“脾气”做设计——这是孙柏刚团队和氢打了十几年交道总结出的经验。

帮企业跨过第一款样机的门槛

如今，北京理工大学氢内燃机团队已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；基本建立了一套具有国际先进水平的完整实验平台系统，成为中国为数不多的能够进行氢内燃机整机测试的完整实验平台之一；他们还为国内多家重点企业开发了多种氢内燃机。

从2017年起，团队就尝试推动氢内燃机的市场化应用，为企业提供技术服务。2020年，“碳达峰”“碳中和”的目标提出，孙柏刚感到，一个氢内燃机技术开发的新高潮即将来临。目前，团队几乎和国内的主流车企都接触了个遍。

不过，从开发出原型机到最终商用，企业还需要付出艰苦卓绝的努力，进行上百项测试。“企业不了解氢的‘脾气’，我们就要帮他们把第一款样机的门槛跨过去。”孙柏刚介绍说，和企业合作时，团队毫无保留。比如，他们不仅向企业交付计算模型，还主动给车企培训如何使用模型。

孙柏刚（右一）与中国第一辆氢内燃机轿车合影

随着氢内燃机得到更加广泛的应用，更多在实验室难以发现的问题逐渐暴露出来。孙柏刚团队已经提前布局，进行技术储备。他们正在和制造厂家合作，研究氢内燃机的相关核心零部件。

今年50岁出头的孙柏刚，头发已然全白。他说，经过十几年的历练，这支“特别能吃苦”“特别团结”的氢内燃机团队，已经能够打硬仗、啃硬骨头了！

国内氢内燃机的现状

技术多样化发展能够最大程度保障氢能产业发展方向不发生严重偏离，因此国内在积极推动燃料电池技术发展的同时，也同样没有放弃对氢内燃机的关注。

去年8月，工信部在对十三届全国人大四次会议第5736号建议的答复中表示，下一步，研究推动将氢气内燃机纳入其中予以支持；12月3日，工业和信息化部印发《“十四五”工业绿色发展规划》，再次提出发展氢燃料燃气轮机。

氢内燃机技术研发领域，以玉柴集团、康明斯、广汽集团、一汽集团为代表的企业已经有了收获。

其中，玉柴集团YCK05燃氢发动机采用了超稀薄清洁燃烧的技术路线、氢气专用SCR后处理、进气道高压多点喷射、小惯量高效涡轮增压器，热效率达到42%，能广泛应用于公交、市政、环卫、物流配送等场景。

“2020年，玉柴集团已经完成了50%热效率内燃机的技术研发工作，预计在2024年7月份商用车第四阶段油耗标准执行前后，50%热效率发动机将实行量产。”玉柴集团表示。