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北京氫燃科技有限公司
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描述
產(chǎn)品與技術(shù)
氫內(nèi)燃機(jī)與汽油機(jī)、柴油機(jī)或天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)一樣,仍舊是一種往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī),與傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)有相同的基本機(jī)構(gòu)和系統(tǒng),仍可沿用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的生產(chǎn)體系和使用方式,制造成本低。氫內(nèi)燃機(jī)也有吸氣,壓縮,做功以及排氣四個(gè)沖程,仍然是通過缸內(nèi)燃燒實(shí)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(yīng)用場(chǎng)景和應(yīng)用需求沒有發(fā)生變化!
因?yàn)槿紵娜剂喜煌瑲錃馀c汽油、柴油、天然氣的物理化學(xué)屬性差異較大,導(dǎo)致氫內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)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(jī)、汽油機(jī)一樣,有理由認(rèn)為氫內(nèi)燃機(jī)是一種全新的內(nèi)燃機(jī)。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(diǎn)火能力低、混合氣熱值高、擴(kuò)散系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn),氫氣是非常優(yōu)異的內(nèi)燃機(jī)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(dòng)力裝備,是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)碳中和的重要可選動(dòng)力裝備。但空氣中的氧氣、氮?dú)庠诟變?nèi)高溫作用下會(huì)生成氮氧化物,這也是氫內(nèi)燃機(jī)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(jí)別,可實(shí)現(xiàn)近零NOx排放。
什么是氫內(nèi)燃機(jī)?
氫氣、汽油和天然氣的燃料特性
項(xiàng)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(kuò)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?jǐn)?shù)(%)1.4~7.66.5~174~75

最小點(diǎn)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(dāng)量,c表示甲烷,d表示汽態(tài))
對(duì)于移動(dòng)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(jī)二者之間的差異,甚至可以把動(dòng)力裝置看做是“黑匣子”。至于是通過燃料電池的電化學(xué)過程,還是通過氫內(nèi)燃機(jī)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(dòng)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(jī)的工作原理不同,但從車輛對(duì)動(dòng)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(jìng)爭力的重要參照。

氫內(nèi)燃機(jī)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(jī)汽車,已研發(fā)了六代氫燃料內(nèi)燃機(jī)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(xiàng)目列入“HY-PASS”課題。2007年歐盟啟動(dòng)了HyICE計(jì)劃,共有寶馬(BMW)、沃爾沃(VOLVO)、福特歐洲中心、格拉茲大學(xué)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(jī),項(xiàng)目最終結(jié)論是:氫內(nèi)燃機(jī)是現(xiàn)階段通向氫能源經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)實(shí)技術(shù)途徑。2018年4月,英國利物浦集團(tuán)ULEM Co和Innovate UK合作,成功改裝沃爾沃FH16為氫內(nèi)燃機(jī)卡車。
2001年美國福特(Ford)推出了第一輛氫內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)車和多款氫燃料概念車,2007年福特氫燃料V-10發(fā)動(dòng)機(jī)正式投產(chǎn),該6.8L發(fā)動(dòng)機(jī)已用于Shutbas示范運(yùn)行項(xiàng)目。
1990年日本武藏工業(yè)大學(xué)與日產(chǎn)公司合作研制“武藏8號(hào)”液氫內(nèi)燃機(jī)汽車,2006年馬自達(dá)研制推出了Mazda RX-8氫轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī),日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與日本岡山大學(xué)、東京都市大學(xué)、早稻田大學(xué)開發(fā)出全球首款能實(shí)現(xiàn)高熱效率和低NOx排放的火花點(diǎn)火氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī),達(dá)成了54%的熱效率,NOx的排放量達(dá)到了20ppm以下,實(shí)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(jī)及未來5年的氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)路線圖,豐田公司已經(jīng)開發(fā)了多款氫內(nèi)燃機(jī),有效熱效率已經(jīng)達(dá)到46%,接近零排放。預(yù)計(jì)到2025年,氫內(nèi)燃機(jī)的熱效率有希望突破51%,會(huì)成為能與燃料電池競(jìng)爭的動(dòng)力裝置!
2019年德國寶馬(BMW)公司原有氫內(nèi)燃機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)組建了KEYOU公司,開發(fā)出一款7.8L進(jìn)氣道噴射的增壓氫內(nèi)燃機(jī),熱效率可以達(dá)到41%,扭矩950N.m。2020年德國博世(BOSCH)先后完成了一個(gè)2.0L增壓進(jìn)氣道噴射、直接噴射的氫內(nèi)燃機(jī),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(jìn)行氫內(nèi)燃機(jī)測(cè)試,選用了一款16.8L排量的直列6缸柴油機(jī)為原型機(jī),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(jī)將作為MAN公司氫動(dòng)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(dòng)機(jī)能夠高效利用氫燃料。其動(dòng)力傳動(dòng)組采用不同模擬方法探討了氫內(nèi)燃機(jī)提高效率的可能性,每一種方法都證明氫內(nèi)燃機(jī)具備達(dá)到50%熱效率的前景。同時(shí),氮氧化物排放(NOx)達(dá)到與燃燒柴油一致的水平,但是沒有一氧化碳、碳?xì)浠衔铩焿m或二氧化碳排放。
歐、美、日等發(fā)達(dá)國家的頂尖汽車公司及零部件制造商,在氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工程開發(fā)及示范運(yùn)行。相比之下,我國氫內(nèi)燃機(jī)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(xué)合作研發(fā)的氫內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火成功。2012~2017年之間,北京理工大學(xué)承擔(dān)軍口863項(xiàng)目,完成高比功率氫內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究,開發(fā)出進(jìn)氣道噴射渦輪增壓氫內(nèi)燃機(jī)。2018年,在上汽產(chǎn)業(yè)基金會(huì)資助下,北京理工大學(xué)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(jìn)展。2021年4月中國一汽新款氫能發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火成功,2021年9月廣汽氫內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火,2021年12月玉柴K05H大排量氫內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火成功,呈現(xiàn)出良好的研究開發(fā)態(tài)勢(shì)。
氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的國內(nèi)外現(xiàn)狀
2006年,北京理工大學(xué)氫內(nèi)燃機(jī)研究團(tuán)隊(duì)正式組建,建立中國第一個(gè)、也是目前唯一一個(gè)滿足氫內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的完整測(cè)試平臺(tái),已累計(jì)安全運(yùn)行3000余小時(shí)。先后承擔(dān)科技部863項(xiàng)目、國防科工局軍民兩用技術(shù)項(xiàng)目、自然科學(xué)基金項(xiàng)目及多家企業(yè)委托開發(fā)項(xiàng)目,基本研究歷程如圖3所示。該團(tuán)隊(duì)相繼突破氫內(nèi)燃機(jī)總體設(shè)計(jì)、車載氫氣供應(yīng)與自適應(yīng)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(xiàng)氫內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵技術(shù),在氫氣應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)研究方面進(jìn)行了許多開創(chuàng)性的工程實(shí)踐。目前已為長安汽車、上汽集團(tuán)、一汽紅旗、濰柴動(dòng)力、玉柴機(jī)器、吉利汽車等若干家企業(yè)提供了氫內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及性能開發(fā)。北京理工大學(xué)氫內(nèi)燃機(jī)研究開發(fā)團(tuán)隊(duì)已成為我國氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域名副其實(shí)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(jī)。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(jī),目前已完成性能試驗(yàn),2021年4月點(diǎn)火成功。與運(yùn)載火箭技術(shù)研究院、航天科技集團(tuán)合作開發(fā)新型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī),已完成首輪3kW樣機(jī)測(cè)試開發(fā)。2021年9月為濰柴集團(tuán)完成了首臺(tái)重型氫內(nèi)燃機(jī)的樣機(jī)設(shè)計(jì)與點(diǎn)火運(yùn)行,目前正在進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn);2021年12月,與玉柴合作開發(fā)的K05首臺(tái)中型氫內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火并完成了首輪樣機(jī)試驗(yàn)。
描述
北京氫燃科技團(tuán)隊(duì)以2.0L排量汽油機(jī)為基礎(chǔ),通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)本體及附件系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì),攻克了回火控制、點(diǎn)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(shí)產(chǎn)權(quán),開發(fā)出具有國際先進(jìn)水平的氫內(nèi)燃機(jī),同時(shí)開發(fā)出我國第一輛氫內(nèi)燃機(jī)轎車,如圖4所示,該樣車已累計(jì)運(yùn)行1萬余公里,樣車排放達(dá)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(jiǎng),