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北京氫燃科技有限公司
描述
產(chǎn)品與技術(shù)
氫內(nèi)燃機與汽油機,、柴油機或天然氣發(fā)動機一樣,仍舊是一種往復活塞式內(nèi)燃機,,與傳統(tǒng)燃油發(fā)動機有相同的基本機構(gòu)和系統(tǒng),,仍可沿用傳統(tǒng)內(nèi)燃機的生產(chǎn)體系和使用方式,制造成本低,。氫內(nèi)燃機也有吸氣,,壓縮,做功以及排氣四個沖程,,仍然是通過缸內(nèi)燃燒實現(xiàn)熱工轉(zhuǎn)換,,只是把原來的燃料換成了氫氣,也只是燃料不同,,應用場景和應用需求沒有發(fā)生變化,!
因為燃燒的燃料不同,氫氣與汽油,、柴油,、天然氣的物理化學屬性差異較大,導致氫內(nèi)燃機的進排氣,、增壓,、燃燒,、控制及排氣后處理都有所不同,因此,,就像現(xiàn)在區(qū)分柴油機,、汽油機一樣,有理由認為氫內(nèi)燃機是一種全新的內(nèi)燃機,。氫氣與傳統(tǒng)柴油,、汽油、天然氣相比,,氫氣具有可燃極限范圍廣,、燃燒速度快、壓燃溫度高,、點火能力低,、混合氣熱值高、擴散系數(shù)大等優(yōu)點,,氫氣是非常優(yōu)異的內(nèi)燃機替代燃料,!
氫氣在缸內(nèi)燃燒后的主要產(chǎn)物是水,沒有了傳統(tǒng)化石燃料燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳,,屬于零碳排放動力裝備,,是當前實現(xiàn)碳中和的重要可選動力裝備。但空氣中的氧氣,、氮氣在缸內(nèi)高溫作用下會生成氮氧化物,,這也是氫內(nèi)燃機的唯一排放污染物,通過稀薄燃燒,、廢氣再循環(huán)或后處理器等技術(shù)手段可以控制到ppm級別,,可實現(xiàn)近零NOx排放。
什么是氫內(nèi)燃機,?
氫氣,、汽油和天然氣的燃料特性
項目汽油天然氣氫氣
理論空燃比(質(zhì)量比)14.717.2534.38
理論空燃比(體積比)8.5869.522.38
密度(kg/m3)730a(4.6b)0.720.0838
滯止空氣中的擴散系數(shù)(cm2/s)0.050.160.61
空氣中的自燃溫度(K)550723858
空氣中的可燃體積分數(shù)(%)1.4~7.66.5~174~75

最小點火能量(mJ)b

0.240.290.02

絕熱火焰溫度(K)d

258022142480
燃燒速度(cm/s)38~4734~37270
低熱值(MJ/kg)44.550120

混合氣燃燒熱值(MJ/m3d

3.7~3.833.393.184

辛烷值

70~98130130+

淬熄距離(mm)c

22.10.64


(a表示液態(tài)0℃,b表示理論當量,,c表示甲烷,,d表示汽態(tài))
對于移動裝備的使用者來說,不用過度區(qū)分燃料電池與氫內(nèi)燃機二者之間的差異,,甚至可以把動力裝置看做是“黑匣子”,。至于是通過燃料電池的電化學過程,還是通過氫內(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒的熱功轉(zhuǎn)換過程并不重要,,只要輸入的是氫氣,,輸出滿足需求的動力就已經(jīng)足夠了!安全性,、購置成本,、使用成本是使用者更關(guān)心的問題,。
雖然燃料電池與氫內(nèi)燃機的工作原理不同,但從車輛對動力裝置的需求看,,高效率,、低成本、使用方便等特性將成為是否具有競爭力的重要參照,。

氫內(nèi)燃機與燃料電池的比較
德國寶馬(BMW)公司從1978年開始研發(fā)以氫氣為燃料的內(nèi)燃機汽車,已研發(fā)了六代氫燃料內(nèi)燃機轎車,。2007年完成了全球200萬公里的巡回技術(shù)展示,。德國奔馳公司1978年開發(fā)了第1輛氫燃料樣車,近幾年奔馳公司又將氫燃料項目列入“HY-PASS”課題,。2007年歐盟啟動了HyICE計劃,,共有寶馬(BMW)、沃爾沃(VOLVO),、福特歐洲中心,、格拉茲大學等16家單位參加,旨在開發(fā)新一代高熱效率低排放氫內(nèi)燃機,,項目最終結(jié)論是:氫內(nèi)燃機是現(xiàn)階段通向氫能源經(jīng)濟的現(xiàn)實技術(shù)途徑,。2018年4月,英國利物浦集團ULEM Co和Innovate UK合作,,成功改裝沃爾沃FH16為氫內(nèi)燃機卡車,。
2001年美國福特(Ford)推出了第一輛氫內(nèi)燃機試驗車和多款氫燃料概念車,2007年福特氫燃料V-10發(fā)動機正式投產(chǎn),,該6.8L發(fā)動機已用于Shutbas示范運行項目,。
1990年日本武藏工業(yè)大學與日產(chǎn)公司合作研制“武藏8號”液氫內(nèi)燃機汽車,2006年馬自達研制推出了Mazda RX-8氫轉(zhuǎn)子發(fā)動機,,日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與日本岡山大學,、東京都市大學、早稻田大學開發(fā)出全球首款能實現(xiàn)高熱效率和低NOx排放的火花點火氫燃料發(fā)動機,,達成了54%的熱效率,,NOx的排放量達到了20ppm以下,實現(xiàn)近零排放,。2018年豐田(TOYOTA)汽車公司發(fā)布了一款氫內(nèi)燃機及未來5年的氫內(nèi)燃機技術(shù)路線圖,,豐田公司已經(jīng)開發(fā)了多款氫內(nèi)燃機,有效熱效率已經(jīng)達到46%,,接近零排放,。預計到2025年,氫內(nèi)燃機的熱效率有希望突破51%,,會成為能與燃料電池競爭的動力裝置,!
2019年德國寶馬(BMW)公司原有氫內(nèi)燃機開發(fā)團隊組建了KEYOU公司,,開發(fā)出一款7.8L進氣道噴射的增壓氫內(nèi)燃機,熱效率可以達到41%,,扭矩950N.m,。2020年德國博世(BOSCH)先后完成了一個2.0L增壓進氣道噴射、直接噴射的氫內(nèi)燃機,,升功率接近80kW,,熱效率超過39%。
2021年,,德國MAN公司開始在紐倫堡進行氫內(nèi)燃機測試,,選用了一款16.8L排量的直列6缸柴油機為原型機,提出了氫氣低壓直噴的均質(zhì)稀薄燃燒概念,,過量空氣系數(shù)為2.5,,氫噴射壓力為低壓2.2MPa,壓縮比為13,,氮氧化物排放2g/kWh以下,,該款氫內(nèi)燃機將作為MAN公司氫動力汽車的重要組成部分。
2022年,,美國西南研究院(Southwest Research Institute,,SwRI)正在探討清潔汽車技術(shù),以使傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動機能夠高效利用氫燃料,。其動力傳動組采用不同模擬方法探討了氫內(nèi)燃機提高效率的可能性,,每一種方法都證明氫內(nèi)燃機具備達到50%熱效率的前景。同時,,氮氧化物排放(NOx)達到與燃燒柴油一致的水平,,但是沒有一氧化碳、碳氫化合物,、煙塵或二氧化碳排放,。
歐、美,、日等發(fā)達國家的頂尖汽車公司及零部件制造商,,在氫內(nèi)燃機領(lǐng)域進行了大量的工程開發(fā)及示范運行。相比之下,,我國氫內(nèi)燃機的研究開發(fā)還處于起步階段,。2007年,重慶直轄十周年科技慶典上,,長安汽車公司與北京理工大學合作研發(fā)的氫內(nèi)燃機點火成功,。2012~2017年之間,北京理工大學承擔軍口863項目,,完成高比功率氫內(nèi)燃機設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究,,開發(fā)出進氣道噴射渦輪增壓氫內(nèi)燃機,。2018年,在上汽產(chǎn)業(yè)基金會資助下,,北京理工大學聯(lián)合上海汽車,、泛亞汽車及聯(lián)合電子,開發(fā)了近零排放控制技術(shù),,取得了積極進展,。2021年4月中國一汽新款氫能發(fā)動機點火成功,2021年9月廣汽氫內(nèi)燃機點火,,2021年12月玉柴K05H大排量氫內(nèi)燃機點火成功,,呈現(xiàn)出良好的研究開發(fā)態(tài)勢。
氫內(nèi)燃機發(fā)展的國內(nèi)外現(xiàn)狀
2006年,,北京理工大學氫內(nèi)燃機研究團隊正式組建,,建立中國第一個,、也是目前唯一一個滿足氫內(nèi)燃機設(shè)計開發(fā)的完整測試平臺,,已累計安全運行3000余小時。先后承擔科技部863項目,、國防科工局軍民兩用技術(shù)項目,、自然科學基金項目及多家企業(yè)委托開發(fā)項目,基本研究歷程如圖3所示,。該團隊相繼突破氫內(nèi)燃機總體設(shè)計,、車載氫氣供應與自適應噴射系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng),、混合氣濃度與NOx排放控制等多項氫內(nèi)燃機關(guān)鍵技術(shù),,在氫氣應用于內(nèi)燃機研究方面進行了許多開創(chuàng)性的工程實踐。目前已為長安汽車,、上汽集團,、一汽紅旗、濰柴動力,、玉柴機器,、吉利汽車等若干家企業(yè)提供了氫內(nèi)燃機產(chǎn)品設(shè)計及性能開發(fā)。北京理工大學氫內(nèi)燃機研究開發(fā)團隊已成為我國氫內(nèi)燃機領(lǐng)域名副其實的引領(lǐng)者,。

北理工已有技術(shù)成果
描述
2018年與聯(lián)電,、泛亞、上汽合作開發(fā)了一款直噴內(nèi)燃機,。2020年與一汽紅旗合作開發(fā)了更高功率密度,、更高熱效率的增壓直噴氫內(nèi)燃機,目前已完成性能試驗,,2021年4月點火成功,。與運載火箭技術(shù)研究院,、航天科技集團合作開發(fā)新型氫氧發(fā)動機,已完成首輪3kW樣機測試開發(fā),。2021年9月為濰柴集團完成了首臺重型氫內(nèi)燃機的樣機設(shè)計與點火運行,,目前正在進行樣機試驗;2021年12月,,與玉柴合作開發(fā)的K05首臺中型氫內(nèi)燃機實現(xiàn)點火并完成了首輪樣機試驗,。
描述
北京氫燃科技團隊以2.0L排量汽油機為基礎(chǔ),通過對發(fā)動機供應系統(tǒng),、噴射系統(tǒng),、點火系統(tǒng)、發(fā)動機本體及附件系統(tǒng)的重新設(shè)計,,攻克了回火控制,、點火系統(tǒng)匹配、氫燃料燃燒規(guī)律,、NOx形成規(guī)律與排放
描述
控制,、綜合電子控制等關(guān)鍵技術(shù)并形成了自主知識產(chǎn)權(quán),開發(fā)出具有國際先進水平的氫內(nèi)燃機,,同時開發(fā)出我國第一輛氫內(nèi)燃機轎車,,如圖4所示,該樣車已累計運行1萬余公里,,樣車排放達到歐6以上排放法規(guī),,該成果獲得中國汽車工業(yè)技術(shù)獎,