韋虹：面向碳中和的吉利氫能動(dòng)力開發(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(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(guó)能源研究會(huì)氫能專業(yè)委員會(huì)秘書長(zhǎng)徐文輝主持，與會(huì)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(gè)方面，對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)以及未來(lái)能源的可持續(xù)發(fā)展展開深入探討。

吉利汽車動(dòng)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(dòng)力開發(fā)》演講。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實(shí)錄進(jìn)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(lái)自吉利汽車動(dòng)力研究院的韋虹，很高興參加本次峰會(huì)。碳達(dá)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)政府部門尤其是常州政府對(duì)發(fā)展氫能源這樣一個(gè)產(chǎn)業(yè)的堅(jiān)定決心，出臺(tái)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。今天就此話題跟大家分享一下吉利面向碳中和的氫能動(dòng)力開發(fā)。

我的報(bào)告從三個(gè)方面展開。首先，碳中和背景下的氫能機(jī)遇。

眾所周知，大氣中的二氧化碳含量急劇增長(zhǎng)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(guó)的訴求，各個(gè)國(guó)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(lái)具有極大的價(jià)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(gè)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(xiàng)的示范運(yùn)營(yíng)。全球主要國(guó)家都已經(jīng)出臺(tái)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(guó)家也在2022年發(fā)布了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃，明確了國(guó)家發(fā)展氫能的決心。

國(guó)家發(fā)展氫能的決心也給氫內(nèi)燃機(jī)帶來(lái)的機(jī)遇，今年8月份國(guó)家6部委把氫內(nèi)燃機(jī)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(jī)的應(yīng)用出臺(tái)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(lái)了一個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。氫內(nèi)燃機(jī)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(shì)。氫內(nèi)燃機(jī)可以沿用當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈，零部件的通用化程度很高。另外氫內(nèi)燃機(jī)是可以吃“粗糧”的，對(duì)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(shì)非常明顯，未來(lái)氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該是一個(gè)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(jìn)行了氫氣內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)。

相較于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，氫內(nèi)燃機(jī)主要的變化點(diǎn)就是燃料、噴射還有燃燒方式，我們?cè)陂_發(fā)過(guò)程中識(shí)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(yùn)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(yàn)，我們是通過(guò)仿真和驗(yàn)證的多輪迭代優(yōu)化，自主設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了有效熱效率提升1%。

第二個(gè)難點(diǎn)是燃燒方面，因?yàn)闅錁O易燃燒，缸內(nèi)的熱點(diǎn)極易引發(fā)早燃，進(jìn)而引發(fā)機(jī)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(shù)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(nèi)壓力升高快的話，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(jī)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(jié)構(gòu)來(lái)滿足氫氣的爆壓需求，通過(guò)稀燃、噴射和點(diǎn)火策略來(lái)控制爆壓，使得整機(jī)的抗壓能力從90bar提升至150bar，滿足最優(yōu)熱效率達(dá)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(kuò)散，易燃燒，因此噴射策略極其復(fù)雜。我們通過(guò)氫氣噴嘴噴霧試驗(yàn)結(jié)果來(lái)標(biāo)定了噴霧模型，使用三維模擬仿真軟件進(jìn)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(guò)試驗(yàn)多輪迭代進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)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(zhàn)之一，還是關(guān)于噴嘴的泄露控制。因?yàn)闅錃馐潜容^容易泄露的，而且它沒有辦法自潤(rùn)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(jī)產(chǎn)業(yè)化最大的挑戰(zhàn)和難點(diǎn)之一。開發(fā)中我們通過(guò)了氮?dú)獗哼€有試漏檢測(cè)、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(nèi)燃機(jī)研發(fā)積累，全新自主設(shè)計(jì)開發(fā)了2.0排量的氫內(nèi)燃機(jī)，通過(guò)新型燃燒系統(tǒng)和噴射策略的協(xié)同，使得發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)刻的時(shí)候就實(shí)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(guò)優(yōu)化壓縮比，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的平衡。通過(guò)米勒循環(huán)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(qiáng)度的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)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(xiàn)效率、排放還有氫瓶利用率的平衡。

未來(lái)實(shí)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(guò)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(shí)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(gè)因素之一。2020年我們就開始了氫內(nèi)燃機(jī)的探索，目前已經(jīng)成功開發(fā)了三代氫內(nèi)燃機(jī)，最高熱效率達(dá)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(qiáng)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(jī)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(gè)課題需要克服，因?yàn)闅涫亲鳛榭稍偕娘L(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(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，今天會(huì)上很高興看到在標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域各個(gè)行業(yè)以及專家都在推動(dòng)這方面的政策出臺(tái)。需要推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施的建立，解決像儲(chǔ)運(yùn)、加注的難題。另外需要進(jìn)一步降低加氫成本，因?yàn)樽鳛樯a(chǎn)物資，運(yùn)營(yíng)的成本也是非常重要的一項(xiàng)因素。這些挑戰(zhàn)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(yīng)用的同時(shí)，甲醇是作為氫的最佳儲(chǔ)運(yùn)載體，可以用來(lái)解決氫能利用的課題，現(xiàn)在也是受到了業(yè)界的長(zhǎng)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(shí)際運(yùn)營(yíng)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(yáng)啟動(dòng)，目前直接碳減排達(dá)到16萬(wàn)噸。我們?cè)诩状计嚿厦骈_發(fā)了近18年，歷經(jīng)了4代升級(jí)，目前已經(jīng)研發(fā)了20余款甲醇乘用車型，市場(chǎng)保有量達(dá)到3萬(wàn)余臺(tái)，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(dòng)力總成戰(zhàn)略。動(dòng)力新四化主要包括動(dòng)力高效化、驅(qū)動(dòng)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(dòng)力新四化戰(zhàn)略中重要的一環(huán)。

秉承吉利動(dòng)力新四化的戰(zhàn)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(jī)平臺(tái)，智能變速器，變驅(qū)還有智能化軟硬件系統(tǒng)。

未來(lái)雷神動(dòng)力也將加持包括氫、甲醇在內(nèi)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(guó)家現(xiàn)在推動(dòng)雙碳的時(shí)機(jī)，化挑戰(zhàn)為機(jī)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(xiàn)，謝謝大家。