韋虹：面向碳中和的吉利氫能動(dòng)力開(kāi)發(fā)

編者按：9月14日，第五屆未來(lái)能源大會(huì )舉辦氫能技術(shù)與應用發(fā)展專(zhuān)題論壇，聚焦于氫能領(lǐng)域的前沿技術(shù)和應用發(fā)展。本次論壇由中國能源研究會(huì )氫能專(zhuān)業(yè)委員會(huì )秘書(shū)長(cháng)徐文輝主持，與會(huì )專(zhuān)家學(xué)者從氫能技術(shù)的標準、前沿技術(shù)研究和應用案例等幾個(gè)方面，對氫能產(chǎn)業(yè)以及未來(lái)能源的可持續發(fā)展展開(kāi)深入探討。

吉利汽車(chē)動(dòng)力總成研究員前瞻技術(shù)及戰略中心總監韋虹女士作了《面向碳中和的吉利氫能動(dòng)力開(kāi)發(fā)》演講。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

韋虹：各位領(lǐng)導以及行業(yè)專(zhuān)家大家早上好，我是來(lái)自吉利汽車(chē)動(dòng)力研究院的韋虹，很高興參加本次峰會(huì )。碳達峰碳中和已經(jīng)成為各行各業(yè)未來(lái)發(fā)展中首要考慮的問(wèn)題，今天看到了各個(gè)政府部門(mén)尤其是常州政府對發(fā)展氫能源這樣一個(gè)產(chǎn)業(yè)的堅定決心，出臺了一系列的政策來(lái)支持產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也讓企業(yè)看到了政府的決心。今天就此話(huà)題跟大家分享一下吉利面向碳中和的氫能動(dòng)力開(kāi)發(fā)。

我的報告從三個(gè)方面展開(kāi)。首先，碳中和背景下的氫能機遇。

眾所周知，大氣中的二氧化碳含量急劇增長(cháng)帶來(lái)了全球氣溫的上升，我們的生存環(huán)境日趨惡化，所以在碳中和的大背景下，改善環(huán)境是全球各國的訴求，各個(gè)國家和地區都已經(jīng)提出了明確的碳中和的目標，交通行業(yè)是碳排放里面非常重要的一環(huán)，在改善交通行業(yè)的碳排放方案中可以看到，合成燃料目前是行業(yè)共同關(guān)注的主要方向之一。在眾多的合成燃料方案里面，氫的改善效果是最引人注目的。從圖中可以看到，氫氣還有氫基最豐富的氨，最低能夠降到96%到97%，所以氫和富氫的燃料未來(lái)具有極大的價(jià)值。

因此氫能的生態(tài)和應用研究已經(jīng)在產(chǎn)學(xué)研各個(gè)方面廣泛開(kāi)展，在道路交通、船舶、航空、工業(yè)、電力以及供熱領(lǐng)域都已經(jīng)有多項的示范運營(yíng)。全球主要國家都已經(jīng)出臺了氫能發(fā)展政策。在2020年基本上就已經(jīng)確立了氫能的戰略地位，我們國家也在2022年發(fā)布了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃，明確了國家發(fā)展氫能的決心。

國家發(fā)展氫能的決心也給氫內燃機帶來(lái)的機遇，今年8月份國家6部委把氫內燃機納入了氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規劃當中，為氫內燃機的應用出臺了基礎標準，氫能在交通、航空、船舶都有廣闊的應用前景，當下也迎來(lái)了一個(gè)關(guān)鍵的轉折點(diǎn)。氫內燃機的結構特性，跟現在的氣柴油非常相近，極具產(chǎn)品成本的優(yōu)勢。氫內燃機可以沿用當前內燃機的產(chǎn)業(yè)鏈，零部件的通用化程度很高。另外氫內燃機是可以吃“粗糧”的，對氫氣的純度要求不高，不需要深度提純，現有的灰氫都可以使用，所以在應用端的優(yōu)勢非常明顯，未來(lái)氫能在交通領(lǐng)域的應用應該是一個(gè)非常重要的方向。2020年雙碳目標發(fā)布以后，吉利的前瞻技術(shù)就著(zhù)手進(jìn)行了氫氣內燃機的開(kāi)發(fā)。

相較于傳統的內燃機，氫內燃機主要的變化點(diǎn)就是燃料、噴射還有燃燒方式，我們在開(kāi)發(fā)過(guò)程中識別到了以下幾個(gè)難點(diǎn)，分別是增壓的匹配、早燃控制、爆壓提升、噴射策略和噴嘴泄露。

首先是增壓匹配方面，由于氫稀薄燃燒排氣溫度低，進(jìn)氣需求大，運行轉速范圍寬，行業(yè)內還沒(méi)有此類(lèi)增壓器匹配的經(jīng)驗，我們是通過(guò)仿真和驗證的多輪迭代優(yōu)化，自主設計了最佳的增壓器MAP，完成了氫氣專(zhuān)用增壓器的開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現了有效熱效率提升1%。

第二個(gè)難點(diǎn)是燃燒方面，因為氫極易燃燒，缸內的熱點(diǎn)極易引發(fā)早燃，進(jìn)而引發(fā)機體破壞。所以我們通過(guò)稀薄燃燒、優(yōu)化點(diǎn)火及噴射策略，并且使用冷型火花塞技術(shù)方案，將早燃次數從原來(lái)的10到100次降低到了0，攻克了氫氣早燃的難題。

第三個(gè)難點(diǎn)是高爆壓的控制。氫氣燃燒的速度很快，缸內壓力升高快的話(huà)，氫氣產(chǎn)生的最大爆壓一般會(huì )比原來(lái)的高出60bar，容易引發(fā)機體的損壞，也限制了熱效率的提升。我們的解決措施是在不增加摩擦損失的前提下，通過(guò)優(yōu)化結構來(lái)滿(mǎn)足氫氣的爆壓需求，通過(guò)稀燃、噴射和點(diǎn)火策略來(lái)控制爆壓，使得整機的抗壓能力從90bar提升至150bar，滿(mǎn)足最優(yōu)熱效率達成時(shí)的爆壓需求。

第四個(gè)難點(diǎn)是關(guān)于噴射策略的控制。由于氫氣燃料是氣體小分子，很容易擴散，易燃燒，因此噴射策略極其復雜。我們通過(guò)氫氣噴嘴噴霧試驗結果來(lái)標定了噴霧模型，使用三維模擬仿真軟件進(jìn)行缸內混合和燃燒仿真，找到了最佳的噴嘴形式以及噴射策略，通過(guò)試驗多輪迭代進(jìn)行驗證，實(shí)現了有效熱效率有兩個(gè)點(diǎn)以上的提升。

最后一個(gè)難點(diǎn)也是目前最大的一個(gè)挑戰之一，還是關(guān)于噴嘴的泄露控制。因為氫氣是比較容易泄露的，而且它沒(méi)有辦法自潤滑，所以很容易產(chǎn)生磨損。我們認為噴嘴泄露是氫內燃機產(chǎn)業(yè)化最大的挑戰和難點(diǎn)之一。開(kāi)發(fā)中我們通過(guò)了氮氣保壓還有試漏檢測、噴嘴控制技術(shù)，將噴嘴的流量進(jìn)行優(yōu)化，目前我們將噴嘴的耐久性從原來(lái)的20小時(shí)提升到了400小時(shí)。

基于氫氣這些特性，吉利依靠多年的內燃機研發(fā)積累，全新自主設計開(kāi)發(fā)了2.0排量的氫內燃機，通過(guò)新型燃燒系統和噴射策略的協(xié)同，使得發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火時(shí)刻的時(shí)候就實(shí)現了氫氣和氧氣在絕熱空氣層中的高效燃燒，減少了傳熱損失，通過(guò)優(yōu)化壓縮比，實(shí)現經(jīng)濟性和動(dòng)力性的平衡。通過(guò)米勒循環(huán)實(shí)現了進(jìn)氣量和爆震的平衡，通過(guò)增壓器的匹配優(yōu)化，實(shí)現了進(jìn)氣量和噴氣損失的最優(yōu)協(xié)同，通過(guò)可靠性和強度的優(yōu)化，實(shí)現了摩擦功和爆發(fā)壓力的平衡。通過(guò)噴嘴流量壓力還有噴射策略的優(yōu)化，實(shí)現效率、排放還有氫瓶利用率的平衡。

未來(lái)實(shí)現在稀薄條件下穩定高效的燃燒，吉利首創(chuàng )開(kāi)發(fā)了氫氧絕熱層內稀薄燃燒系統，通過(guò)精準氣流組織、中置直噴、傘形燃燒室和逆流噴射策略，在氫氣燃燒之前，在缸內先形成了一道絕熱空氣層，從而實(shí)現了絕熱層內的高效穩定燃燒，降低了傳熱損失，提升了熱效率，這也是目前吉利能做到行業(yè)領(lǐng)先非常重要的一個(gè)因素之一。2020年我們就開(kāi)始了氫內燃機的探索，目前已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了三代氫內燃機，最高熱效率達到了46.11%，全球領(lǐng)先。我們通過(guò)那么多年的技術(shù)積累，吉利動(dòng)力已經(jīng)形成了完整的產(chǎn)品研發(fā)流程還有體系，也正是這樣強大的研發(fā)能力以及流程體系的支撐，也促成了在氫內燃機開(kāi)發(fā)層面的領(lǐng)先。

氫能源要繼續推廣，我們認為有以下幾個(gè)課題需要克服，因為氫是作為可再生的風(fēng)、光、熱最直接的可利用能源，擁有非常廣闊的前景。但還是要克服比如易漏易燃的安全課題，需要進(jìn)一步完善標準體系建設，今天會(huì )上很高興看到在標準化領(lǐng)域各個(gè)行業(yè)以及專(zhuān)家都在推動(dòng)這方面的政策出臺。需要推進(jìn)基礎設施的建立，解決像儲運、加注的難題。另外需要進(jìn)一步降低加氫成本，因為作為生產(chǎn)物資，運營(yíng)的成本也是非常重要的一項因素。這些挑戰還是需要一些時(shí)間，更需要我們行業(yè)同仁的共同努力。

在推廣氫能直接應用的同時(shí)，甲醇是作為氫的最佳儲運載體，可以用來(lái)解決氫能利用的課題，現在也是受到了業(yè)界的長(cháng)期關(guān)注。從安全方面，它是可以克服易燃易漏，它的使用成本現在也比汽油低20%，設施方面可以跟現有的汽柴油共用。甲醇的碳排放低，污染也少，吉利在甲醇的實(shí)際運營(yíng)上面也有十幾年了，去年春天碳捕集綠氫甲醇工廠(chǎng)也在安陽(yáng)啟動(dòng)，目前直接碳減排達到16萬(wàn)噸。我們在甲醇汽車(chē)上面開(kāi)發(fā)了近18年，歷經(jīng)了4代升級，目前已經(jīng)研發(fā)了20余款甲醇乘用車(chē)型，市場(chǎng)保有量達到3萬(wàn)余臺，已經(jīng)具備了研發(fā)、制造、銷(xiāo)售全鏈體系能力。

乘用車(chē)的甲醇技術(shù)在商用車(chē)領(lǐng)域現在也得到了迅速的推廣，遠程新能源商用車(chē)攜手各生態(tài)鏈伙伴，一起構建起了車(chē)、醇、站、貨、金融等一體化的綠色甲醇生態(tài)。面向碳中和的目標，吉利布局了多元化的動(dòng)力總成戰略。動(dòng)力新四化主要包括動(dòng)力高效化、驅動(dòng)電氣化、控制智能化、能源多樣化，包括氫氣、甲醇在內的新型能源產(chǎn)品也是吉利動(dòng)力新四化戰略中重要的一環(huán)。

秉承吉利動(dòng)力新四化的戰略，2021年推出了新一代產(chǎn)品系列“雷神動(dòng)力”，定位高端，面向全球市場(chǎng)，產(chǎn)品系列就包括了高效發(fā)動(dòng)機平臺，智能變速器，變驅還有智能化軟硬件系統。

未來(lái)雷神動(dòng)力也將加持包括氫、甲醇在內的合成燃料進(jìn)行動(dòng)力產(chǎn)品的碳中和布局，我們也要抓住國家現在推動(dòng)雙碳的時(shí)機，化挑戰為機遇，把氫能產(chǎn)業(yè)納入可持續發(fā)展的軌道。吉利也將致力于與行業(yè)內的同仁們合作共贏(yíng)，為綠色出行以及環(huán)境友好共同做出貢獻，謝謝大家。