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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(guò)缸內(nèi)燃燒實(shí)現(xiàn)熱工轉(zhuǎn)換，只是把原來(lái)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(méi)有發(fā)生變化！
因?yàn)槿紵娜剂喜煌?，氫氣與汽油、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(méi)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(guò)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/m3）d

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(lái)說(shuō)，不用過(guò)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(guò)燃料電池的電化學(xué)過(guò)程，還是通過(guò)氫內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)燃燒的熱功轉(zhuǎn)換過(guò)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(gòu)置成本、使用成本是使用者更關(guān)心的問(wèn)題。
雖然燃料電池與氫內(nèi)燃機(jī)的工作原理不同，但從車(chē)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(zhēng)力的重要參照。

氫內(nèi)燃機(jī)與燃料電池的比較
德國(guó)寶馬（BMW）公司從1978年開(kāi)始研發(fā)以氫氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，已研發(fā)了六代氫燃料內(nèi)燃機(jī)轎車(chē)。2007年完成了全球200萬(wàn)公里的巡回技術(shù)展示。德國(guó)奔馳公司1978年開(kāi)發(fā)了第1輛氫燃料樣車(chē)，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(kāi)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(guó)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(chē)。
2001年美國(guó)福特（Ford）推出了第一輛氫內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)車(chē)和多款氫燃料概念車(chē)，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(chē)，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(kāi)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(chē)公司發(fā)布了一款氫內(nèi)燃機(jī)及未來(lái)5年的氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)路線圖，豐田公司已經(jīng)開(kāi)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(zhēng)的動(dòng)力裝置！
2019年德國(guó)寶馬（BMW）公司原有氫內(nèi)燃機(jī)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)組建了KEYOU公司，開(kāi)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(guó)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(guò)39%。
2021年，德國(guó)MAN公司開(kāi)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(guò)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(chē)的重要組成部分。
2022年，美國(guó)西南研究院（Southwest Research Institute，SwRI）正在探討清潔汽車(chē)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(méi)有一氧化碳、碳?xì)浠衔?、煙塵或二氧化碳排放。
歐、美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家的頂尖汽車(chē)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(kāi)發(fā)及示范運(yùn)行。相比之下，我國(guó)氫內(nèi)燃機(jī)的研究開(kāi)發(fā)還處于起步階段。2007年，重慶直轄十周年科技慶典上，長(zhǎng)安汽車(chē)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(kāi)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(chē)、泛亞汽車(chē)及聯(lián)合電子，開(kāi)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(guó)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(kāi)發(fā)態(tài)勢(shì)。
氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的國(guó)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(guó)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(kāi)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(guó)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(kāi)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(chē)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(kāi)創(chuàng)性的工程實(shí)踐。目前已為長(zhǎng)安汽車(chē)、上汽集團(tuán)、一汽紅旗、濰柴動(dòng)力、玉柴機(jī)器、吉利汽車(chē)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(kāi)發(fā)。北京理工大學(xué)氫內(nèi)燃機(jī)研究開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)已成為我國(guó)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(kāi)發(fā)了一款直噴內(nèi)燃機(jī)。2020年與一汽紅旗合作開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)發(fā)出具有國(guó)際先進(jìn)水平的氫內(nèi)燃機(jī)，同時(shí)開(kāi)發(fā)出我國(guó)第一輛氫內(nèi)燃機(jī)轎車(chē)，如圖4所示，該樣車(chē)已累計(jì)運(yùn)行1萬(wàn)余公里，樣車(chē)排放達(dá)到歐6以上排放法規(guī)，該成果獲得中國(guó)汽車(chē)工業(yè)技術(shù)獎(jiǎng)，