韋虹：面向碳中和的吉利氫能動力開發(fā)

編者按：9月14日，第五屆未來能源大會舉辦氫能技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展專題論壇，聚焦于氫能領(lǐng)域的前沿技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展。本次論壇由中國能源研究會氫能專業(yè)委員會秘書長徐文輝主持，與會專家學(xué)者從氫能技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、前沿技術(shù)研究和應(yīng)用案例等幾個方面，對氫能產(chǎn)業(yè)以及未來能源的可持續(xù)發(fā)展展開深入探討。

吉利汽車動力總成研究員前瞻技術(shù)及戰(zhàn)略中心總監(jiān)韋虹女士作了《面向碳中和的吉利氫能動力開發(fā)》演講。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進行整理。

韋虹：各位領(lǐng)導(dǎo)以及行業(yè)專家大家早上好，我是來自吉利汽車動力研究院的韋虹，很高興參加本次峰會。碳達(dá)峰碳中和已經(jīng)成為各行各業(yè)未來發(fā)展中首要考慮的問題，今天看到了各個政府部門尤其是常州政府對發(fā)展氫能源這樣一個產(chǎn)業(yè)的堅定決心，出臺了一系列的政策來支持產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也讓企業(yè)看到了政府的決心。今天就此話題跟大家分享一下吉利面向碳中和的氫能動力開發(fā)。

我的報告從三個方面展開。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帶來了全球氣溫的上升，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，各個國家和地區(qū)都已經(jīng)提出了明確的碳中和的目標(biāo)，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具有極大的價值。

因此氫能的生態(tài)和應(yīng)用研究已經(jīng)在產(chǎn)學(xué)研各個方面廣泛開展，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。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(zhàn)略地位，我們國家也在2022年發(fā)布了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)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(nèi)燃機帶來的機遇，今年8月份國家6部委把氫內(nèi)燃機納入了氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃當(dāng)中，為氫內(nèi)燃機的應(yīng)用出臺了基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，氫能在交通、航空、船舶都有廣闊的應(yīng)用前景，當(dāng)下也迎來了一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點。氫內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)特性，跟現(xiàn)在的氣柴油非常相近，極具產(chǎn)品成本的優(yōu)勢。氫內(nèi)燃機可以沿用當(dāng)前內(nèi)燃機的產(chǎn)業(yè)鏈，零部件的通用化程度很高。另外氫內(nèi)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(xiàn)有的灰氫都可以使用，所以在應(yīng)用端的優(yōu)勢非常明顯，未來氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該是一個非常重要的方向。2020年雙碳目標(biāo)發(fā)布以后，吉利的前瞻技術(shù)就著手進行了氫氣內(nèi)燃機的開發(fā)。

相較于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，氫內(nèi)燃機主要的變化點就是燃料、噴射還有燃燒方式，我們在開發(fā)過程中識別到了以下幾個難點，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，進氣需求大，運行轉(zhuǎn)速范圍寬，行業(yè)內(nèi)還沒有此類增壓器匹配的經(jīng)驗，我們是通過仿真和驗證的多輪迭代優(yōu)化，自主設(shè)計了最佳的增壓器MAP，完成了氫氣專用增壓器的開發(fā)，從而實現(xiàn)了有效熱效率提升1%。

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

第三個難點是高爆壓的控制。氫氣燃燒的速度很快，缸內(nèi)壓力升高快的話，氫氣產(chǎn)生的最大爆壓一般會比原來的高出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，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來滿足氫氣的爆壓需求，通過稀燃、噴射和點火策略來控制爆壓，使得整機的抗壓能力從90bar提升至150bar，滿足最優(yōu)熱效率達(dá)成時的爆壓需求。

第四個難點是關(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(fù)雜。我們通過氫氣噴嘴噴霧試驗結(jié)果來標(biāo)定了噴霧模型，使用三維模擬仿真軟件進行缸內(nèi)混合和燃燒仿真，找到了最佳的噴嘴形式以及噴射策略，通過試驗多輪迭代進行驗證，實現(xiàn)了有效熱效率有兩個點以上的提升。

最后一個難點也是目前最大的一個挑戰(zhàn)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，而且它沒有辦法自潤滑，所以很容易產(chǎn)生磨損。我們認(rèn)為噴嘴泄露是氫內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)化最大的挑戰(zhàn)和難點之一。開發(fā)中我們通過了氮氣保壓還有試漏檢測、噴嘴控制技術(shù)，將噴嘴的流量進行優(yōu)化，目前我們將噴嘴的耐久性從原來的20小時提升到了400小時。

基于氫氣這些特性，吉利依靠多年的內(nèi)燃機研發(fā)積累，全新自主設(shè)計開發(fā)了2.0排量的氫內(nèi)燃機，通過新型燃燒系統(tǒng)和噴射策略的協(xié)同，使得發(fā)動機點火時刻的時候就實現(xiàn)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，通過優(yōu)化壓縮比，實現(xiàn)經(jīng)濟性和動力性的平衡。通過米勒循環(huán)實現(xiàn)了進氣量和爆震的平衡，通過增壓器的匹配優(yōu)化，實現(xiàn)了進氣量和噴氣損失的最優(yōu)協(xié)同，通過可靠性和強度的優(yōu)化，實現(xiàn)了摩擦功和爆發(fā)壓力的平衡。通過噴嘴流量壓力還有噴射策略的優(yōu)化，實現(xiàn)效率、排放還有氫瓶利用率的平衡。

未來實現(xiàn)在稀薄條件下穩(wěn)定高效的燃燒，吉利首創(chuàng)開發(fā)了氫氧絕熱層內(nèi)稀薄燃燒系統(tǒng)，通過精準(zhǔn)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(nèi)先形成了一道絕熱空氣層，從而實現(xiàn)了絕熱層內(nèi)的高效穩(wěn)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)先非常重要的一個因素之一。2020年我們就開始了氫內(nèi)燃機的探索，目前已經(jīng)成功開發(fā)了三代氫內(nèi)燃機，最高熱效率達(dá)到了46.11%，全球領(lǐng)先。我們通過那么多年的技術(shù)積累，吉利動力已經(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(nèi)燃機開發(fā)層面的領(lǐng)先。

氫能源要繼續(xù)推廣，我們認(rèn)為有以下幾個課題需要克服，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，需要進一步完善標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，今天會上很高興看到在標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域各個行業(yè)以及專家都在推動這方面的政策出臺。需要推進基礎(chǔ)設(shè)施的建立，解決像儲運、加注的難題。另外需要進一步降低加氫成本，因為作為生產(chǎn)物資，運營的成本也是非常重要的一項因素。這些挑戰(zhàn)還是需要一些時間，更需要我們行業(yè)同仁的共同努力。

在推廣氫能直接應(yīng)用的同時，甲醇是作為氫的最佳儲運載體，可以用來解決氫能利用的課題，現(xiàn)在也是受到了業(yè)界的長期關(guān)注。從安全方面，它是可以克服易燃易漏，它的使用成本現(xiàn)在也比汽油低20%，設(shè)施方面可以跟現(xiàn)有的汽柴油共用。甲醇的碳排放低，污染也少，吉利在甲醇的實際運營上面也有十幾年了，去年春天碳捕集綠氫甲醇工廠也在安陽啟動，目前直接碳減排達(dá)到16萬噸。我們在甲醇汽車上面開發(fā)了近18年，歷經(jīng)了4代升級，目前已經(jīng)研發(fā)了20余款甲醇乘用車型，市場保有量達(dá)到3萬余臺，已經(jīng)具備了研發(fā)、制造、銷售全鏈體系能力。

乘用車的甲醇技術(shù)在商用車領(lǐng)域現(xiàn)在也得到了迅速的推廣，遠(yuǎn)程新能源商用車攜手各生態(tài)鏈伙伴，一起構(gòu)建起了車、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(biāo)，吉利布局了多元化的動力總成戰(zhàn)略。動力新四化主要包括動力高效化、驅(qū)動電氣化、控制智能化、能源多樣化，包括氫氣、甲醇在內(nèi)的新型能源產(chǎn)品也是吉利動力新四化戰(zhàn)略中重要的一環(huán)。

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

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