賽場(chǎng)中不斷蛻變的液態(tài)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車 兩月內(nèi)進(jìn)化的5項(xiàng)成果

目錄

? 進(jìn)化1：克服難題提高增壓泵耐久性
? 進(jìn)化2：實(shí)現(xiàn)液態(tài)氫燃料系統(tǒng)的輕量化
? 進(jìn)化3：縮短加氫時(shí)間
? 進(jìn)化4：實(shí)現(xiàn)加氫操作的自動(dòng)化
? 進(jìn)化5：加氫接頭的輕量化
? 實(shí)現(xiàn)零碳社會(huì)的前提CO₂回收技術(shù)
? 一次次的進(jìn)化邁向商品化

7月30日，2023年ENEOS超級(jí)耐力賽第4站的決賽（5小時(shí)比賽），在日本大分縣日田市的AUTOPOLIS賽道舉行。

以液態(tài)氫為燃料的GR COROLLA（液態(tài)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)COROLLA），繼5月在位于日本靜岡縣小山町的富士國(guó)際賽車場(chǎng)，進(jìn)行過24小時(shí)耐力賽第2站比賽后，再度出場(chǎng)。令人遺憾的是，距離當(dāng)日比賽結(jié)束僅剩1小時(shí)左右時(shí)，汽車因發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泄露而不得不中途退賽。

雖然本場(chǎng)比賽液態(tài)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車未能跑完全賽程，但性能卻有所提升。去年，搭載氣態(tài)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車創(chuàng)下了1次加氫完跑14圈的續(xù)航里程記錄，而今年這一紀(jì)錄提高至19圈，延長(zhǎng)了約23公里，以實(shí)際數(shù)據(jù)證明了研發(fā)工作的穩(wěn)步推進(jìn)。

本期時(shí)報(bào)將為大家?guī)?lái)液態(tài)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)COROLLA在上一場(chǎng)比賽開始前完成的5項(xiàng)進(jìn)化。

進(jìn)化1：克服難題提高增壓泵耐久性

本次車輛的進(jìn)化成果大致分為兩項(xiàng)。一是“提高液態(tài)氫增壓泵的耐久性”，另一個(gè)是“實(shí)現(xiàn)了車輛減重40kg”。

在參加富士24小時(shí)耐力賽時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)要面臨的最大難題便是增壓泵耐久性的不足。

一般情況下，驅(qū)動(dòng)增壓泵運(yùn)行的齒輪等零件，需要使用潤(rùn)滑油來(lái)減少零件間的摩擦。但在使用液態(tài)氫燃料時(shí)情況會(huì)比較特殊，若使用潤(rùn)滑油就極有可能導(dǎo)致油混入儲(chǔ)氫罐中，增加-253℃的極低溫燃料被污染的風(fēng)險(xiǎn)，因此只能以無(wú)潤(rùn)滑的狀態(tài)使用增壓泵。

在富士站的比賽中，車隊(duì)不得已特意安排了2次汽車進(jìn)維修區(qū)更換磨損的增壓泵，大幅增加了維修作業(yè)時(shí)間。

而在這次比賽中，研發(fā)人員們?cè)邶X輪和軸承之間設(shè)置了一個(gè)能夠緩和摩擦與沖擊的結(jié)構(gòu)，有效減輕了增壓泵的負(fù)擔(dān)，耐久時(shí)間提升了30%。

GAZOO Racing company的高橋智也總裁，針對(duì)這一進(jìn)化如此說(shuō)道。

“在上一場(chǎng)24小時(shí)耐力賽中，我們的汽車能夠連續(xù)行駛6小時(shí)，因此有些人可能認(rèn)為，這次5小時(shí)比賽中沒有更換增壓泵也是理所當(dāng)然的事。但事實(shí)上我們不能只把目光鎖定在決賽這一場(chǎng)次，而是要放眼整個(gè)比賽周期^*。這期間我們更換增壓泵的次數(shù)是急劇減少的，從這點(diǎn)上來(lái)看可以說(shuō)改善有了成效?！?/p>

*比賽周期：指比賽活動(dòng)開始的首日至決賽日的整個(gè)期間，完整流程一般為一次試跑、二次試跑、預(yù)賽、正賽。

高橋總裁還表示，這項(xiàng)改善還減輕了為參加比賽而付出努力的工程師、機(jī)械師們的負(fù)擔(dān)。

進(jìn)化2：實(shí)現(xiàn)液態(tài)氫燃料系統(tǒng)的輕量化

增壓泵的進(jìn)化還助力了另一項(xiàng)改善，使汽車實(shí)現(xiàn)了40kg的減重。

若增壓泵劣化，摩擦阻力也會(huì)隨之增加。為了保證車輛擁有足夠強(qiáng)大的扭矩克服這種阻力，就不得不使用強(qiáng)電力電動(dòng)機(jī)，而這種電動(dòng)機(jī)必須搭配大容量電池與粗電線等供電零件。

而在增壓泵性能進(jìn)化后，更順暢的零件運(yùn)轉(zhuǎn)降低了摩擦阻力，因此，與電動(dòng)機(jī)相關(guān)的零件也可以變得更加小型化、輕量化。

此外，研發(fā)人員們?cè)诜治鰪臏y(cè)試跑和比賽中收集到的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)氫罐的閥門、氫燃料導(dǎo)管等零件，以保證安全為前提來(lái)考慮，也還有著一定優(yōu)化余地，因此他們對(duì)這些配件也逐一進(jìn)行了輕量化處理。

即便如此，COROLLA量級(jí)的參賽車輛仍有1910公斤，與1470公斤的GR COROLLA原始車重量相比仍然很重。

氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目總監(jiān)，隸屬于GR車輛研發(fā)部的伊東直昭主查表示：“液態(tài)氫燃料系統(tǒng)可以在低壓下運(yùn)行，所以我認(rèn)為該系統(tǒng)最終一定會(huì)比高壓氣態(tài)系統(tǒng)的重量要輕。我們的目標(biāo)是將車輛減重至比使用氣態(tài)系統(tǒng)時(shí)的約1700kg更輕，雖然現(xiàn)在還沒有實(shí)現(xiàn)，但我們正在努力改良中?！?/p>

進(jìn)化3：縮短加氫時(shí)間

在這兩個(gè)月中得到改善的不僅有車輛，為汽車填充燃料的移動(dòng)式液態(tài)加氫站也完成了3項(xiàng)進(jìn)化。

首先是縮短了加氫時(shí)間。本次比賽中儲(chǔ)氫罐的填充口采用了指導(dǎo)生產(chǎn)特殊精密閥門的富士金公司所研發(fā)的隔斷閥。

富士金指導(dǎo)生產(chǎn)的大流量隔斷閥。左側(cè)為改良前實(shí)物，右側(cè)為改良后。

想要提高加氫速度，就要增大閥門尺寸，但這樣一來(lái)兼顧閥門的密閉性又成了難以兩全的難題。

隨著具有高密閉性隔斷閥門的研發(fā)成功，上述看似矛盾的難題也迎刃而解。使加氫時(shí)間（=灌輸氫燃料的時(shí)間）從富士站的1分40秒，縮短至不到1分鐘。

進(jìn)化4：實(shí)現(xiàn)加氫操作的自動(dòng)化

上文中介紹的改善點(diǎn)，都關(guān)系到比賽時(shí)間和圈數(shù)的提升。

但還有一件事不容忽視，那便是這項(xiàng)挑戰(zhàn)的目標(biāo)是在未來(lái)實(shí)現(xiàn)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的市銷與建設(shè)氫能社會(huì)。

從這種角度出發(fā)來(lái)看，加氫操作就不能一直由只有賽場(chǎng)這種特殊環(huán)境中才存在的專業(yè)人員來(lái)負(fù)責(zé)。

為此，研發(fā)人員們認(rèn)為必須實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式加氫站的填充流程的自動(dòng)化。

在上一場(chǎng)富士站的比賽中，從加氫閥門的開閉，到加氫完成的所有操作，均由機(jī)械師手工完成。

而這次比賽，根據(jù)在測(cè)試跑、正式比賽中收集到的加氫接頭（連接部）狀態(tài)、溫度、壓力等傳感器數(shù)據(jù)，將14道工序中的9道都實(shí)現(xiàn)了電子控制。

現(xiàn)在只要插入加氫接頭、按下開關(guān)，便可開始輕松地為汽車加氫，加滿后還有提示燈通知機(jī)械師，直接拔下加氫接頭即可。

進(jìn)化5：加氫接頭的輕量化

此外，研發(fā)人員們還攜手日本巖谷產(chǎn)業(yè)，共同改善了加氫接頭與回轉(zhuǎn)接頭，實(shí)現(xiàn)了這一零件的輕量化。

一直以來(lái)，接頭的原材料用的都是抗氫脆化的不銹鋼。而這次，在反復(fù)確認(rèn)設(shè)計(jì)上的可信性及安全性的基礎(chǔ)上，將一部分接觸不到氫的結(jié)構(gòu)換成了鋁制材料。

此外，為了避免夾到作業(yè)人員的手指，還將原本處于安全性考慮而加裝的外殼及管件的設(shè)計(jì)，進(jìn)行改良，從根本上去除了有潛在危險(xiǎn)的零件結(jié)構(gòu)。

因此，加氫接頭便從8.4kg成功減重至6.0kg，回轉(zhuǎn)接頭從16.0kg減重至12.5kg。

現(xiàn)在，研發(fā)人員們還在針對(duì)反向傳輸接頭進(jìn)行著改良。因?yàn)槟壳按私宇^的重量是加氫接頭的1倍。最終目標(biāo)是降低至二者相同的重量。

實(shí)現(xiàn)零碳社會(huì)的前提CO₂回收技術(shù)

在停放著移動(dòng)式加氫站的維修區(qū)內(nèi)，還有針對(duì)川崎重工業(yè)所研發(fā)的CO₂回收技術(shù)，即直接空氣捕獲技術(shù)（DAC）的科普說(shuō)明。

在本期采訪中，伊東主查解釋了為何會(huì)在加氫一線設(shè)置介紹這項(xiàng)技術(shù)展區(qū)的理由。

“COROLLA使用的是氫能，86使用的是碳中和燃料。這兩種選項(xiàng)都是以具有CO₂回收技術(shù)為前提研發(fā)而來(lái)的，符合碳中和標(biāo)準(zhǔn)的燃料。所以我認(rèn)為，我們需要為該項(xiàng)技術(shù)研發(fā)做出大力地支持、攜手推動(dòng)研發(fā)工作。”

這次比賽中豐田車隊(duì)使用的是川崎重工在澳大利亞生產(chǎn)并運(yùn)輸?shù)饺毡镜暮置褐茪洹Ｋ麄冊(cè)谥茪鋾r(shí)會(huì)將制造過程中排放的CO₂進(jìn)行捕捉，然后封存入地下，以這種方式實(shí)現(xiàn)零碳排放。

該公司技術(shù)研究所能源系統(tǒng)研究部的田中一雄部長(zhǎng)，就DAC的關(guān)鍵——固體吸收劑進(jìn)行了說(shuō)明。

這種固體吸收劑外觀呈白色顆粒狀，且每顆都是像海綿的多孔結(jié)構(gòu)。據(jù)說(shuō)1g重的固體吸收劑表面積總和，幾乎等同于1座小學(xué)校的室內(nèi)體育場(chǎng)館面積。

向這種吸收劑中注入空氣，它便能夠捕獲其中的CO?，而遇到蒸汽時(shí)，它又能將CO₂排出。

在這項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域中，川崎重工的優(yōu)勢(shì)是可通過60℃低溫蒸汽回收CO₂，而低溫操作又能大幅降低作業(yè)成本，因此，與許多外國(guó)的廠商相比十分具有競(jìng)爭(zhēng)力。

而且，人類生活密集的地區(qū)CO₂濃度也會(huì)高出一位數(shù)，因此使用更少的能量捕獲更多的CO₂，顯然是可為之舉。

田中部長(zhǎng)展望道：“希望我們能到2030年前后，實(shí)現(xiàn)從空氣中大規(guī)模回收CO₂的計(jì)劃。”

一次次的進(jìn)化邁向商品化

短短兩個(gè)月的時(shí)間，取得了巨大進(jìn)化的液態(tài)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)COROLLA，還有著其他的改善點(diǎn)。譬如，較上一場(chǎng)富士站比賽，其發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率也提高了數(shù)個(gè)百分點(diǎn)。

過去，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)COROLLA一旦需要進(jìn)維修站加氫，再出發(fā)后排名便會(huì)降至最后一位，且這一排名會(huì)一直持續(xù)到比賽結(jié)束。

但隨著汽車?yán)m(xù)航里程的增加、加氫時(shí)間的變短，這次比賽中竟然還出現(xiàn)了令人驚訝的一幕，在汽車準(zhǔn)備進(jìn)入維修區(qū)前，排名竟然還上升了一位。由此可見，現(xiàn)在的液態(tài)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車已逐漸具備了正常參賽的汽車性能。

當(dāng)高橋總裁被問到“這一系列的進(jìn)化，是否會(huì)與市銷產(chǎn)生鏈接”時(shí)，他斬釘截鐵地回答道。

“答案是肯定的。我們現(xiàn)在的階段任務(wù)是收集數(shù)據(jù)、積累基礎(chǔ)技術(shù)。未來(lái)，我們現(xiàn)在所做的一切努力，都將會(huì)反哺于商品化的實(shí)現(xiàn)。”