可用于新能源,可改造传统车,富氢动力总成研发及产业化研究

雷洪钧

按照目前国家政策层面上对新能源汽车的界定,主要分为三大类:纯电动汽车、插电式(含增程式)混合动力汽车、燃料电池汽车,其主要特征是纯电驱动。这是已经明确了的中国特色新能源汽车发展的布局(经济路线)。换一句话,纯电动是纯电驱动,没有歧义,混合动力汽车也是必须是电驱动,燃料电池汽车的也要求电驱动。本文介绍的富氢动力总成不仅可以用于新能源电动汽车,同时也是可以用于传统汽车的改造升级,其产业化的政治和经济意义巨大。

可用于新能源,可改造传统车,富氢动力总成研发及产业化研究

一、富氢及富氢动力总成的基本含义

发展新能源和清洁能源汽车的主要目的,要保持山是绿的、水是清的,空气是纯新的。氢燃料电池汽车被认为是新能源汽车的终结模式,甲醇是最理想的替代燃料,被认为是期望最高的车用清洁能源。

理论上,甲醇可以直接供内燃机机燃烧,可以制造纯混合气体,供内燃机机燃烧,可以制造出纯氢供燃料电池发电。甲醇的来源不是问题,尤其是甲醇是可以制纯氢,是已经很成熟工厂制造技术了。其难点在纯(99.99%)氢如何上车?目前的基本途径有三:一是纯氢压缩装瓶上车;二是通过将氢气注入中间载体(液态)中;三是车载甲醇制氢。

众所周知的是,纯氢压缩装瓶上车,其安全性保障措施成本极高,纯氢的存储、运输、加注与天然气相比,其技术难度极大;用常识是可以想象的是,将氢气注入车载中间液体之中,能有多大的比重?如何保障车做功要求的氢气量;车载甲醇制氢又不能直接搬用工厂成熟的技术方案,也是众所周知的。车是要跑动的,在车上安排提纯工艺环节,基本上没有可能。

目前最具有产业化可能的是,车载甲醇制富氢,而非甲醇制纯氢的技术。富氢是以氢气(H2)为主要成分和一氧化碳(CO)及甲烷(CO4)的混合气体。

甲醇存储、运输、加注与汽油相比是一样的。而富氢可以直接供内燃机燃烧做功发电,或者供汽车发动机燃烧做功。如果能成功研发出富氢动力总成,其产业化经济效益,不可想象。

一是,甲醇没有运输、储存、加注没有难度,车载甲醇制富氢的探索是为甲醇用于汽车燃料在开辟一条新路;

二是,多年的甲醇直接注入车载内燃机(发动机)技术,没有取得产业化的突破,长期处于徘徊之态,但是有了大量的技术沉淀和经验积累。

三、富氢动力总成研发,基本做法是,基于内燃机(发动机)的燃烧的基本特性,总结纯甲醇(纯氢)直接注入车载内燃机(发动机)技术路线的不足,同时保留其优点,在富氢的生产和富氢燃烧上下功夫,攻克其核心技术、掌握其关键技术,培育其支撑技术。

二、富氢动力总成研发的三大基本原理

1)甲醇制氢气原理:根据热力学甲醇裂解是一个吸热反应过程,甲醇(CH3OH)在催化剂和一定温度作用中(吸热过程反应)产生C-H和C-O键的催化活性及C-C键的偶联反应,实现甲醇裂解变成为氢气(H2)和一氧化碳(C0)(反应式:CH3OH→CO+2H2)。

说明:甲醇制气出来的不是纯氢气,是含一氧化碳(C0)以及伴生的甲烷(CH4)成分的富氢。这个富氢必须提纯至(99,99%)后,才能满足燃料电池模块发电的要求。即使有技术在车上能提纯氢气,但是一氧化碳(C0)以及伴生的甲烷(CH4)在车上如何处理?又是一个难题。富氢里的氢气(H2)、一氧化碳(C0)以及伴生的甲烷(CH4)的三个成分都是可以燃烧的气体燃料。按照这一原理的实践告诉人们:

①液态甲醇用工厂化生产技术,可以生产出纯氢(9999%),是很成熟的技术;

②内燃机是可以直接燃烧甲醇或氢气来做功的,但目前技术不成熟,还达不到汽车对动力的要求。

③燃料电池发电要求的是纯氢(99.99%),车载甲醇制气是富氢,一是车上如何提纯?即使提纯技术有突破,一氧化碳(C0)以及伴生的甲烷(CH4)在车上如何处理到位?

2)富氢比能量提升原理

众所周知,车载内燃机(发动机)所产生的热量的1/3在做功、1/3在制冷降温、1/3因燃烧不充分而通过废气排放到外部浪费。这个外排能量能不能用来提高甲醇热值?目前常规技术下,甲醇热值较低(是汽油的40%),其直接燃烧较汽油消耗量增加60%。这是甲醇汽车难以推广的关键点。一些地区大力推广甲醇直接燃烧汽车的经济性比传统汽车还要低,继续往下推进已经没有意义。

利用内燃机(发动机)这部分热废气能量来裂解甲醇生产出富氢,既利用了废气能量,又提高了其能比能量。运用这一原理研发富氢动力总成装车后,经权威检测机构的检测表明:

①甲醇热值较裂解后比不用热废气直接裂解提高了27%以上;

②燃烧富氢,其效果明显优于单一纯氢气或者单一甲醇直接燃料;

③间接地提高甲醇的比能量,接近汽油比能量,具有产业化推广的技术基础。

3)燃烧精准表征控制原理:

运用智能控制ECU技术富氢生产过程进行精准表征控制,优化富氢的掺烧比例,实现富氢稀薄燃烧,接近汽油机的燃烧水平,而且排放水平能满足国家对发动机排放要求。在确保内燃机动力性(不同工况点)的基础上,提升其经济性,同时降低了内燃机发动机排放等,确保传统内燃机发动机排放能达到或优于国Ⅴ标准以上。燃烧精准表征控制原理如下:

三、富氢动力总成实际装车后的性能指标

①甲醇热值较裂解前提高了27%以上。

②甲醇裂解气含H2、CO、CH4可燃混合气体,其产气率高达95%及以上。

④ 汽油掺烧甲醇裂解气发动机动力保持在95%以上;

④用100%甲醇替代汽油,满足节约汽油100%的要求。

四、富氢动力总成研发的三大技术

甲醇汽车是世界各国政府一致努力的方向和目标。世界各国(包括我国)政府和企业及民间几乎不约而同地将努力的目标和方向及其实现的技术路径紧紧锁盯在汽车应用方面,如氢气汽车(含液氢、压缩氢气、氢气包、氢燃料电池等)、纯甲醇汽车、醇油混合汽车、醇氢汽车、醇油氢(裂解气)汽车等,形成甲醇汽车研发和应用的“热点”。要成功开发出富氢动力总成,要求众多的技术,归纳起来是“核心技术、关键技术、支撑技术”三大类。

1)富氢动力总成微型化是 “核心技术”

①甲醇裂解制气(包括可燃氢气、一氧化碳、甲烷)装置,必须小型化(微型化)。

②随车制气要达到其汽车实用化标准。主要指标有制气率高、供气量充足,且低温裂解、需响应速度快等;

③富氢动力总成必须稳定、长期工作的能力,必须超越传统发动机的关键指标。

2)富氢动力总成是基于发动机动力系统研究的,这些是“支撑技术”

发动机机动力关键技术和ECU控制系统及发动机验和各项动力系统参数标等系统已经是开发富氢动力总成的支撑技术。没有动力系统研究技术的支撑,如果仅是利用已经被淘汰的化油器型进行过虹吸(负压)供给甲醇裂解气与真正的甲醇汽车或者甲醇随车制氢新能源汽车或醇氢汽车相差十万八千里,甲醇随车制气要得到推广应用,一定要对发动机动力系统技术需进做一步完善。

3)自动控制系统(ECU)是“关键技术”

汽车“甲醇随车制氢与供氢”控制系统、发动机动力系统控制及其与整车控制系统等有效匹配的综合自动控制系统(ECU)技术,是富氢动力总成的“关键技术”

四、富氢动力总成系统技术权威性介绍

本文介绍是的富氢动力总成是上面“核心介绍、支撑技术、关键技术”的集成者,具有很高的权威性,具体体现在其科学行、先进性、实用性上。

①它是华科大动力系蒋炎坤教授领队有30多位博导、博士、高级工程师组成的科研团队多年来的科研成果,取得了两大关键技术群的突破,即:含有九个单项和综合(专利)技术突破的“快速高效稳定燃料改性技术与装置”技术群、十几个单项和综合(专利)技术突破的 “醇氢混合燃料的动力驱动关键技术”技术群。

② 它是湖北省2016年10大科技事件,目前的人气指数是120万人投票。将作为前沿性的汽车先进制造和动力关键技术,已经成为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力,和实现“甲醇经济”创新发展新能源汽车产业及其广泛应用领域产业革命的最重要的方向。因此,在业界其被誉为“颠覆性”最新重大成果,成为新能源汽车发展及其相关应用领域产业走向工业化应用的转折点和兴奋点!

③天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室副主任谢辉(教授、博导)、同济大学汽车学院吴志军教授、博导、湖北省汽车工程学会董事长吴家贤(教授级高工、原湖北省机械厅总工程师)对这个重大科研项目予以高度评价,纷纷写推广推荐信,认为这是一项“颠覆性技术创新”成果,建议政府予以大力推广应用。

④新华社国际问题研究中心何君臣主任高度评价,这一技术应该是我国,乃至世界新能源汽车“颠覆性的创新和突破”!他大胆预言:中国新能源汽车的真正希望在武汉!

⑤新华社《内部参考》2017年第二期于2017年1月5发表了《我国首创醇氢汽车节能减排效果明显有待推广》一文,并专文直送中央领导。

五、富氢动力总成是新能源汽车增程器的最佳选择之一

由于动力电池比能量的瓶颈没有解决到位,目前纯电动汽车一次持续里程无法与传统汽车相比,要全面替代传统汽车,目前看到不可能性,即使在公交等特定行业的应用,其是成本也是居高不下,如果离开政府不贴,普及性推广应用可能性也不大;氢燃料电池汽车,目前还是刚刚开始启动示范,居多技术难题还没有解决,在此暂不讨论;插电式(增程式)混合动力汽车,目前基本上是直接采用小型汽(柴)内燃机做增程器的动力源,其内燃机自己的环保指标并没有达标,仅仅是相对汽车而言,采用了动力电池,通过外插充电,电能消耗增加,而降低整车油耗而已。

笔者研究的结论是,富氢动力总成是新能源汽车插电式(增程)混合动力汽车增程器的最佳选择,富氢动力总成与目前增程器相比,其优势如下:

①节油率可以实现100%,实现了插电式混合动力汽车也是零排放的目标,比目前政策上要求的指标40%,高出了60%。

②富氢动力总成是发电机的动力源,他可以保持在内燃机的最高效率区做功,与汽车工况变化无关。目前国家推广新能源汽车政策,有利于替换目前插电式混合动力汽车的增程器;

③富氢动力总成替代电式混合动力汽车的增程器,制造成本下降,车辆的运行费用降低,燃料部分成本降低80%。汽车生产厂家积极性提升,其插电式(增程式)电动汽车不仅能享受政府补贴红利,而且赢利空间增加。。

一句话,富氢增程器出现,对我国新能源汽车推广,尤其插电式(增程)混合电动汽车推广会大规模的发展是一个巨大推动力,到2020年新能源汽车总产销量500万目标会提前实现。富氢增程器的出现,我国新能源汽车的插电式(增程式)混合动力商业车,不仅是电动公交车、电动道路客运客车会会大规模的增长,而且大、中型电动货车也会面市,并会持续增长。

六、富氢动力总成研发成功有利清洁能源汽车加速推广

1)甲醇是清洁能源之一,被认为可再生循环的替代石油最可靠的宝贵资源。

①煤炭可以制造出甲醇(氢能),将有效促进煤炭产业转型换代。对陷入困境的我国煤矿煤炭产业带来重大战略发展机遇,创新走出煤矿煤炭产业的新思路、新出路、新效益,形成新的经济增长点。

②煤炭可以制造纯甲醇,可以有效代替汽油作为汽车等动力设备的清洁能源。可以减少对石油的依赖,减少了空气污染。

③富氢动力总成将醇成为可以再生循环的最清洁能源,”变废为宝”成为清洁能源提高最佳途径。工业生产中产生的甲烷、瓦斯、煤尘等大量废弃物成为甲醇制造的最为廉价和宝贵的生产原料。大气中的二氧化碳(CO2)可以制造合成甲醇,又成为取之不尽的廉价生产材料。

七、富氢动力总成产业化总目的及基本思路

1)总的目标:以新能源电动汽车应用富氢技术为产业化为发力点,以清洁能源汽车应用富氢技术为产业化为切入口,以改造传统发动机提提升为富氢发动机为己任,将武汉市打造成全国新能源汽车和清洁能源汽车研发和生产中心。

2)基本思路

①借国家提倡发展电动汽车的政策,将富氢动力总成用于替代目前插电式(增程式)混合动力汽车的增程器上,2017年实现5,000到10,000台套;

②借国家提倡清洁能源汽车的政策,将富氢动力总成用于对传统(汽油、菜油)发动机的改造提升,2017年开始市场推广,2019年实现5,000到10,000台套;

③借国家对新生产汽车油耗下降严格要求,积极地参与装配富氢动力总成的新能源和清洁能源汽车整车开发,积极地开拓市场,2017年开始品牌宣传,2018年市场推广,2019年实现3,000到5,000台套,2020年实现50,000到80,000台套;

④2025年实现不同规格的富氢动力产品系列化上市,国内商用车市场占1%以上。2030年以前,国内商用车市场占10%以上。

3)富氢动力总成推广的基本路线

第一步,,在10、12米新能源能源公交车上推广,这个车是很好的品牌推广载体,政府和老百晓都十分关注,没有政策(标准)门槛;

第二步,在10、12米清洁能源公交车,目前这个车天然气的存量大,公交公司有然气加气站(加油站)的基地,可以借用。对存量公交车进行技术升级和改造,地方主管部门批准即可。

第三,积极参与富氢动力总成的地方、行业、国家标准的编制,主导标准的科学行、先进性和适应宜性。

八、富氢动力总成应用于新(清洁)能源汽车的现实意义和历史意义

1)发展新(清洁)能汽车的基本目的

(1)节能减排:保护环境是全世界的共同责任和义务。发展新(清洁)能源汽车,最主要的是环境保护方面的收益。

(2)减少对石油对外的依赖:发展汽车工业是一个能源安全的问题,对石油的依赖是一个非常严重的问题,是国家稳定安全的问题。中国现在石油进口量已经超过了总用量的60%,而且,石油用量中又有55%-60%应用在了交通行业。所以说,发展新(清洁)汽车以减少国家对石油的依赖程度降低,有利于抑制世界石油价格上涨。如果中国的汽车数量继续发展,而新能源汽车的使用,能在一定程度上缓解甚至彻底解决这个问题。

(3)发展中国的汽车工业:中国因为汽车工业起步晚,实力、技术等等方面没有外国的实力,一直处于竞争劣势。发展能源汽车可以使中国汽车工业可以以另一种方式向世界一流发展。中国目前汽车千人拥有量不到200辆的,而相对欧美日等发达国家的汽车千人拥有量都在500辆以上,中国发展汽车的任务很重,不能长期依赖外国的核心技术。中国可以借用中国机会,第二次工业革命中成功的国家一样,实现快速现代化,为实现伟大目标迈进坚实的一步。

2)富氢动力总成是发展新(清洁)能源汽车的重要抓手

中国政府发展新能源汽车已经是国家战略,实现10万亿规模产值的目标己经确立新,能源汽车必须成为国家支柱性产业任务已经下达,中国发展新能源汽车的技术路线已经发布。

纯电动汽车、燃料电池汽车、插电式(增程)新能源汽车及以甲醇汽车为代表的清洁汽车是整车层面的概念。新能源汽车技术层面确立了以“纯电驱动”为核心的中国特色的发展模式,其核心是(动力电池+电机),中国特色的清洁能源汽车发展模式还在探索之中,目前有(甲醇+发动机)、(氢气+发动机)、(混合气+发动机)、(其他气+发动机)等多元化模式。笔者研究后认为:

①中国特色的清洁能源汽车发展模式,会是以(富氢+发动机)为核心动力总成模式。

②中国新能源汽车中在动力电池比能量没有真正突破以前,以”富氢动力总成”为核心增程器的插电式电动汽车,会成为中国新能源汽车的主力军。

③富氢动力总成不仅会成为中国新能源汽车发展的重要抓手,同是也会成为中国发展以甲醇汽车为代表的清洁能源的无人替代的重要推手。

3)富氢动力总成引领新(清洁)能源发展将产生“海量”经济效益

①富氢动力总成装车后,可以实现1升甲醇(气)可以替代1升汽油的实际效果。其粗甲醇(纯度75%左右)每升市场均价约0.8—1元;精甲醇(纯度99.99%)每升市场均价约2.1元,汽(柴)油5—6元,因此甲醇价格比汽油价格下降的61%—80%。不难得知,若仅仅对全国(不含国际)近2亿辆存量汽车应用本项目技术改造将会产生年数千万亿元的经济效益,对制造业年产千万辆增量汽车将会产生年数百万亿元的经济效益。

②富氢动力总成将中国汽车将提升为具有国际竞争力,走向世界。

以富氢动力总成为核心技术将引领世界新(清洁)能源汽车的新潮流,形成塑造国际竞争新优势,实现中国汽车产品向中国汽车品牌的转变,完成中国汽车产销大国成为汽车强国转变的战略任务;

3)富氢动力总成将诸多相关的新产业经济链的发展

①煤炭转型创新煤炭甲醇制造产业链;

②“变废为宝”创新“废弃物”甲醇制造产业链。如甲烷、煤灰、瓦斯、木材、农作物秸秆以及生活废弃物可以实现工业、农业、城市生活环保制造甲醇的系列产业链;

③大气二氧化碳制造甲醇产业链,还可实现降低大气“温室效应”。

④新增甲醇供给新物流(商贸)产业链。

⑤带动其他产业的发展。如轮船(包括舰艇)、坦克、装甲、战车、动力保障等军事方面、机械设备、内燃机组发电厂、钢铁、殡葬等许多领域。

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