爲了摸清氫的“脾氣”

【創新故事】

尋找清潔替代能源,是汽車發動機工業實現節能減排的重要路徑之一。氫,就是一種理想的未來能源載體

摸清氫的“脾氣”,把這活潑的小分子變成驅動內燃機的安全燃料,是北京理工大學機械與車輛學院孫柏剛教授團隊做了16年的事。

8月中旬,實驗室裡,孫柏剛和團隊成員正在調試玉柴集團的氫內燃機。內燃機一次次轟鳴,他們一次次記錄、分析研究提升內燃機功率和扭矩的最佳方案。

“氫內燃機高效、低碳,能實現近零污染物排放。但要用好氫能,並不容易啊!”面對科技日報記者的採訪,孫柏剛感嘆道。

庫房裡建起實驗室

走上氫內燃機研發之路,孫柏剛有一位領路人――已於2020年去世的車輛發動機專家、北京理工大學教授劉福水

2000年初,劉福水去往德國攻讀博士學位,在那裡承擔了德國車企的氫內燃機項目。回國後,他動員團隊裡的孫柏剛:“你來搞一下氫內燃機怎麼樣?”

當時,研究了十幾年傳統內燃機的孫柏剛坦言,自己還看不清氫內燃機的前景,但願意一試。

起步階段,可謂“一窮二白”。

“窮”,是沒有科研項目。沒有項目,也就沒有經費。其他課題組從自己的可支配結題經費中勻一部分給孫柏剛做研究,“窮”的問題暫時緩解。

“白”,則是既沒有實驗室,也沒有團隊。

實驗室沒法“勻”,那時樓裡只剩一層還有一間庫房,簡單收拾收拾,就成了實驗室。

沒有團隊,孫柏剛邊動員新學生,邊找課題組其他研究方向“借”人。他還向合作的公司借工程師,借試驗人員……就這樣,搭好了一支能幹活的隊伍。

當時他們實行“多線作戰”,同步推進。設備供應商在會議室裡調試臺架控制器;學生在實驗室外支起棚子氫氣噴嘴的測試;借來的一個電控方向博士生,在自己的工位上調發動機的控制系統……

2006年4月,孫柏剛拿到庫房的鑰匙;7月底,實驗室就已初具雛形。“房頂上不掉東西了,我們就進實驗室幹活了。”孫柏剛說,當時總覺得時不我待,“國外像寶馬福特這樣的公司,已經做了幾十年氫內燃機,既然自己要做,那就得快點迎頭趕上!”

2006年10月,團隊獲得科技部的一個相關項目,有了第一筆正兒八經科研經費。錢不算多,但解了燃眉之急,研究逐漸走向正軌。

順着氫的“脾氣”做設計

氫內燃機保留了傳統內燃機的主要結構和系統。它和汽油機柴油機的區別,主要在於燃料不同。

氫活潑,也易燃。它的這些特性,給內燃機的研發帶來許多新問題。

由於氫可燃範圍廣,容易在內燃機進氣道發生回火。簡單理解,回火就是提前在不該燃燒的地點發生了燃燒。它會損傷內燃機的氣門和進氣道,甚至使氫內燃機無法正常工作。

孫柏剛帶領的團隊建立了包含進氣道和氣缸的氫內燃機一維/三維仿真模型,做了一系列試驗,發現不同工況下發生回火的原因也不同。

結合內燃機的不同轉速和負荷,需要調控噴氫壓力、流量、速度,優化噴氫角度、噴氫時刻,找到最優的噴氫相位。每臺發動機的最優噴氫相位都不一樣,甚至關鍵零部件一換,參數又有變動。

“只能反覆摸,反覆試。”孫柏剛說,剛開始實驗那段時間,他們曾被一種不明原因的回火困擾,“這個問題卡了我們兩三個月”。

反覆排查分析後大家發現,竟然是小小的點火線圈“作祟”。

在傳統車用柴油機中,車企爲了降低成本,一般兩個氣缸合用一個點火線圈,同時點火。由於氣缸所處的運行狀態並不一樣,對其中一個缸來說,這是一次無效的富餘點火。但把燃料換成易燃的氫氣後,共用點火線圈時的那次“無效點火”,也可能點燃氫氣空氣的混合物

找到原因後,問題也迎刃而解――團隊給每個氣缸都換上了獨立的點火系統。

“主要是當時都沒想到這會是線圈的問題。”孫柏剛說,在傳統內燃機上的那些“約定俗成”,在氫面前都不靈了。

真正的氫內燃機,一定要順着氫氣自身的“脾氣”做設計――這是孫柏剛團隊和氫打了十幾年交道總結出的經驗。

企業跨過第一款樣機門檻

如今,北京理工大學氫內燃機團隊已相繼突破了氫內燃機總體設計氮氧化物排放控制技術、非正常燃燒抑制技術、車載氫供應系統、電子控制系統等多項氫內燃機關鍵技術;基本建立了一套具有國際先進水平的完整實驗平臺系統,成爲中國爲數不多的能夠進行氫內燃機整機測試的完整實驗平臺之一;他們還爲國內多家重點企業開發了多種氫內燃機。

從2017年起,團隊就嘗試推動氫內燃機的市場化應用,爲企業提供技術服務。2020年,“碳達峰”“碳中和”的目標提出,孫柏剛感到,一個氫內燃機技術開發新高潮即將來臨。目前,團隊幾乎和國內的主流車企都接觸了個遍。

不過,從開發出原型機到最終商用,企業還需要付出艱苦卓絕的努力,進行上百項測試。“企業不瞭解氫的‘脾氣’,我們就要幫他們把第一款樣機的門檻跨過去。”孫柏剛介紹說,和企業合作時,團隊毫無保留。比如,他們不僅向企業交付計算模型,還主動給車企培訓如何使用模型。

隨着氫內燃機得到更加廣泛的應用,更多在實驗室難以發現的問題逐漸暴露出來。孫柏剛團隊已經提前佈局,進行技術儲備。他們正在和製造廠家合作,研究氫內燃機的相關核心零部件。

今年50歲出頭的孫柏剛,頭髮已然全白。他說,經過十幾年的歷練,這支“特別能吃苦”“特別團結”的氫內燃機團隊,已經能夠打硬仗、啃硬骨頭了!