韦虹：面向碳中和的吉利氢能动力开发

编者按：9月14日，第五届未来能源大会举办氢能技术与应用发展专题论坛，聚焦于氢能领域的前沿技术和应用发展。本次论坛由中国能源研究会氢能专业委员会秘书长徐文辉主持，与会专家学者从氢能技术的标准、前沿技术研究和应用案例等几个方面，对氢能产业以及未来能源的可持续发展展开深入探讨。

吉利汽车动力总成研究员前瞻技术及战略中心总监韦虹女士作了《面向碳中和的吉利氢能动力开发》演讲。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

韦虹：各位领导以及行业专家大家早上好，我是来自吉利汽车动力研究院的韦虹，很高兴参加本次峰会。碳达峰碳中和已经成为各行各业未来发展中首要考虑的问题，今天看到了各个政府部门尤其是常州政府对发展氢能源这样一个产业的坚定决心，出台了一系列的政策来支持产业的发展，也让企业看到了政府的决心。今天就此话题跟大家分享一下吉利面向碳中和的氢能动力开发。

我的报告从三个方面展开。首先，碳中和背景下的氢能机遇。

众所周知，大气中的二氧化碳含量急剧增长带来了全球气温的上升，我们的生存环境日趋恶化，所以在碳中和的大背景下，改善环境是全球各国的诉求，各个国家和地区都已经提出了明确的碳中和的目标，交通行业是碳排放里面非常重要的一环，在改善交通行业的碳排放方案中可以看到，合成燃料目前是行业共同关注的主要方向之一。在众多的合成燃料方案里面，氢的改善效果是最引人注目的。从图中可以看到，氢气还有氢基最丰富的氨，最低能够降到96%到97%，所以氢和富氢的燃料未来具有极大的价值。

因此氢能的生态和应用研究已经在产学研各个方面广泛开展，在道路交通、船舶、航空、工业、电力以及供热领域都已经有多项的示范运营。全球主要国家都已经出台了氢能发展政策。在2020年基本上就已经确立了氢能的战略地位，我们国家也在2022年发布了氢能产业发展中长期规划，明确了国家发展氢能的决心。

国家发展氢能的决心也给氢内燃机带来的机遇，今年8月份国家6部委把氢内燃机纳入了氢能源产业发展规划当中，为氢内燃机的应用出台了基础标准，氢能在交通、航空、船舶都有广阔的应用前景，当下也迎来了一个关键的转折点。氢内燃机的结构特性，跟现在的气柴油非常相近，极具产品成本的优势。氢内燃机可以沿用当前内燃机的产业链，零部件的通用化程度很高。另外氢内燃机是可以吃“粗粮”的，对氢气的纯度要求不高，不需要深度提纯，现有的灰氢都可以使用，所以在应用端的优势非常明显，未来氢能在交通领域的应用应该是一个非常重要的方向。2020年双碳目标发布以后，吉利的前瞻技术就着手进行了氢气内燃机的开发。

相较于传统的内燃机，氢内燃机主要的变化点就是燃料、喷射还有燃烧方式，我们在开发过程中识别到了以下几个难点，分别是增压的匹配、早燃控制、爆压提升、喷射策略和喷嘴泄露。

首先是增压匹配方面，由于氢稀薄燃烧排气温度低，进气需求大，运行转速范围宽，行业内还没有此类增压器匹配的经验，我们是通过仿真和验证的多轮迭代优化，自主设计了最佳的增压器MAP，完成了氢气专用增压器的开发，从而实现了有效热效率提升1%。

第二个难点是燃烧方面，因为氢极易燃烧，缸内的热点极易引发早燃，进而引发机体破坏。所以我们通过稀薄燃烧、优化点火及喷射策略，并且使用冷型火花塞技术方案，将早燃次数从原来的10到100次降低到了0，攻克了氢气早燃的难题。

第三个难点是高爆压的控制。氢气燃烧的速度很快，缸内压力升高快的话，氢气产生的最大爆压一般会比原来的高出60bar，容易引发机体的损坏，也限制了热效率的提升。我们的解决措施是在不增加摩擦损失的前提下，通过优化结构来满足氢气的爆压需求，通过稀燃、喷射和点火策略来控制爆压，使得整机的抗压能力从90bar提升至150bar，满足最优热效率达成时的爆压需求。

第四个难点是关于喷射策略的控制。由于氢气燃料是气体小分子，很容易扩散，易燃烧，因此喷射策略极其复杂。我们通过氢气喷嘴喷雾试验结果来标定了喷雾模型，使用三维模拟仿真软件进行缸内混合和燃烧仿真，找到了最佳的喷嘴形式以及喷射策略，通过试验多轮迭代进行验证，实现了有效热效率有两个点以上的提升。

最后一个难点也是目前最大的一个挑战之一，还是关于喷嘴的泄露控制。因为氢气是比较容易泄露的，而且它没有办法自润滑，所以很容易产生磨损。我们认为喷嘴泄露是氢内燃机产业化最大的挑战和难点之一。开发中我们通过了氮气保压还有试漏检测、喷嘴控制技术，将喷嘴的流量进行优化，目前我们将喷嘴的耐久性从原来的20小时提升到了400小时。

基于氢气这些特性，吉利依靠多年的内燃机研发积累，全新自主设计开发了2.0排量的氢内燃机，通过新型燃烧系统和喷射策略的协同，使得发动机点火时刻的时候就实现了氢气和氧气在绝热空气层中的高效燃烧，减少了传热损失，通过优化压缩比，实现经济性和动力性的平衡。通过米勒循环实现了进气量和爆震的平衡，通过增压器的匹配优化，实现了进气量和喷气损失的最优协同，通过可靠性和强度的优化，实现了摩擦功和爆发压力的平衡。通过喷嘴流量压力还有喷射策略的优化，实现效率、排放还有氢瓶利用率的平衡。

未来实现在稀薄条件下稳定高效的燃烧，吉利首创开发了氢氧绝热层内稀薄燃烧系统，通过精准气流组织、中置直喷、伞形燃烧室和逆流喷射策略，在氢气燃烧之前，在缸内先形成了一道绝热空气层，从而实现了绝热层内的高效稳定燃烧，降低了传热损失，提升了热效率，这也是目前吉利能做到行业领先非常重要的一个因素之一。2020年我们就开始了氢内燃机的探索，目前已经成功开发了三代氢内燃机，最高热效率达到了46.11%，全球领先。我们通过那么多年的技术积累，吉利动力已经形成了完整的产品研发流程还有体系，也正是这样强大的研发能力以及流程体系的支撑，也促成了在氢内燃机开发层面的领先。

氢能源要继续推广，我们认为有以下几个课题需要克服，因为氢是作为可再生的风、光、热最直接的可利用能源，拥有非常广阔的前景。但还是要克服比如易漏易燃的安全课题，需要进一步完善标准体系建设，今天会上很高兴看到在标准化领域各个行业以及专家都在推动这方面的政策出台。需要推进基础设施的建立，解决像储运、加注的难题。另外需要进一步降低加氢成本，因为作为生产物资，运营的成本也是非常重要的一项因素。这些挑战还是需要一些时间，更需要我们行业同仁的共同努力。

在推广氢能直接应用的同时，甲醇是作为氢的最佳储运载体，可以用来解决氢能利用的课题，现在也是受到了业界的长期关注。从安全方面，它是可以克服易燃易漏，它的使用成本现在也比汽油低20%，设施方面可以跟现有的汽柴油共用。甲醇的碳排放低，污染也少，吉利在甲醇的实际运营上面也有十几年了，去年春天碳捕集绿氢甲醇工厂也在安阳启动，目前直接碳减排达到16万吨。我们在甲醇汽车上面开发了近18年，历经了4代升级，目前已经研发了20余款甲醇乘用车型，市场保有量达到3万余台，已经具备了研发、制造、销售全链体系能力。

乘用车的甲醇技术在商用车领域现在也得到了迅速的推广，远程新能源商用车携手各生态链伙伴，一起构建起了车、醇、站、货、金融等一体化的绿色甲醇生态。面向碳中和的目标，吉利布局了多元化的动力总成战略。动力新四化主要包括动力高效化、驱动电气化、控制智能化、能源多样化，包括氢气、甲醇在内的新型能源产品也是吉利动力新四化战略中重要的一环。

秉承吉利动力新四化的战略，2021年推出了新一代产品系列“雷神动力”，定位高端，面向全球市场，产品系列就包括了高效发动机平台，智能变速器，变驱还有智能化软硬件系统。

未来雷神动力也将加持包括氢、甲醇在内的合成燃料进行动力产品的碳中和布局，我们也要抓住国家现在推动双碳的时机，化挑战为机遇，把氢能产业纳入可持续发展的轨道。吉利也将致力于与行业内的同仁们合作共赢，为绿色出行以及环境友好共同做出贡献，谢谢大家。