賽場中不斷蛻變的液態(tài)氫燃料發(fā)動機汽車 兩月內進化的5項成果

目錄

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

7月30日，2023年ENEOS超級耐力賽第4站的決賽（5小時比賽），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)動機COROLLA），繼5月在位于日本靜岡縣小山町的富士國際賽車場，進行過24小時耐力賽第2站比賽后，再度出場。令人遺憾的是，距離當日比賽結束僅剩1小時左右時，汽車因發(fā)動機燃料泄露而不得不中途退賽。

雖然本場比賽液態(tài)氫燃料發(fā)動機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)動機的汽車創(chuàng)下了1次加氫完跑14圈的續(xù)航里程記錄，而今年這一紀錄提高至19圈，延長了約23公里，以實際數(shù)據(jù)證明了研發(fā)工作的穩(wěn)步推進。

本期時報將為大家?guī)硪簯B(tài)氫燃料發(fā)動機COROLLA在上一場比賽開始前完成的5項進化。

進化1：克服難題提高增壓泵耐久性

本次車輛的進化成果大致分為兩項。一是“提高液態(tài)氫增壓泵的耐久性”，另一個是“實現(xiàn)了車輛減重40kg”。

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

一般情況下，驅動增壓泵運行的齒輪等零件，需要使用潤滑油來減少零件間的摩擦。但在使用液態(tài)氫燃料時情況會比較特殊，若使用潤滑油就極有可能導致油混入儲氫罐中，增加-253℃的極低溫燃料被污染的風險，因此只能以無潤滑的狀態(tài)使用增壓泵。

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

而在這次比賽中，研發(fā)人員們在齒輪和軸承之間設置了一個能夠緩和摩擦與沖擊的結構，有效減輕了增壓泵的負擔，耐久時間提升了30%。

GAZOO Racing company的高橋智也總裁，針對這一進化如此說道。

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

*比賽周期：指比賽活動開始的首日至決賽日的整個期間，完整流程一般為一次試跑、二次試跑、預賽、正賽。

高橋總裁還表示，這項改善還減輕了為參加比賽而付出努力的工程師、機械師們的負擔。

進化2：實現(xiàn)液態(tài)氫燃料系統(tǒng)的輕量化

增壓泵的進化還助力了另一項改善，使汽車實現(xiàn)了40kg的減重。

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

而在增壓泵性能進化后，更順暢的零件運轉降低了摩擦阻力，因此，與電動機相關的零件也可以變得更加小型化、輕量化。

此外，研發(fā)人員們在分析從測試跑和比賽中收集到的數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，儲氫罐的閥門、氫燃料導管等零件，以保證安全為前提來考慮，也還有著一定優(yōu)化余地，因此他們對這些配件也逐一進行了輕量化處理。

即便如此，COROLLA量級的參賽車輛仍有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)動機項目總監(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)可以在低壓下運行，所以我認為該系統(tǒng)最終一定會比高壓氣態(tài)系統(tǒng)的重量要輕。我們的目標是將車輛減重至比使用氣態(tài)系統(tǒng)時的約1700kg更輕，雖然現(xiàn)在還沒有實現(xiàn)，但我們正在努力改良中?！?/p>

進化3：縮短加氫時間

在這兩個月中得到改善的不僅有車輛，為汽車填充燃料的移動式液態(tài)加氫站也完成了3項進化。

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

富士金指導生產的大流量隔斷閥。左側為改良前實物，右側為改良后。

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。使加氫時間（=灌輸氫燃料的時間）從富士站的1分40秒，縮短至不到1分鐘。

進化4：實現(xiàn)加氫操作的自動化

上文中介紹的改善點，都關系到比賽時間和圈數(shù)的提升。

但還有一件事不容忽視，那便是這項挑戰(zhàn)的目標是在未來實現(xiàn)氫燃料發(fā)動機汽車的市銷與建設氫能社會。

從這種角度出發(fā)來看，加氫操作就不能一直由只有賽場這種特殊環(huán)境中才存在的專業(yè)人員來負責。

為此，研發(fā)人員們認為必須實現(xiàn)移動式加氫站的填充流程的自動化。

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

而這次比賽，根據(jù)在測試跑、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道都實現(xiàn)了電子控制。

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

進化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業(yè)，共同改善了加氫接頭與回轉接頭，實現(xiàn)了這一零件的輕量化。

一直以來，接頭的原材料用的都是抗氫脆化的不銹鋼。而這次，在反復確認設計上的可信性及安全性的基礎上，將一部分接觸不到氫的結構換成了鋁制材料。

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計，進行改良，從根本上去除了有潛在危險的零件結構。

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

現(xiàn)在，研發(fā)人員們還在針對反向傳輸接頭進行著改良。因為目前此接頭的重量是加氫接頭的1倍。最終目標是降低至二者相同的重量。

實現(xiàn)零碳社會的前提CO₂回收技術

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

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

“COROLLA使用的是氫能，86使用的是碳中和燃料。這兩種選項都是以具有CO₂回收技術為前提研發(fā)而來的，符合碳中和標準的燃料。所以我認為，我們需要為該項技術研發(fā)做出大力地支持、攜手推動研發(fā)工作。”

這次比賽中豐田車隊使用的是川崎重工在澳大利亞生產并運輸?shù)饺毡镜暮置褐茪?。他們在制氫時會將制造過程中排放的CO₂進行捕捉，然后封存入地下，以這種方式實現(xiàn)零碳排放。

該公司技術研究所能源系統(tǒng)研究部的田中一雄部長，就DAC的關鍵——固體吸收劑進行了說明。

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構。據(jù)說1g重的固體吸收劑表面積總和，幾乎等同于1座小學校的室內體育場館面積。

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，它又能將CO₂排出。

在這項技術領域中，川崎重工的優(yōu)勢是可通過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，與許多外國的廠商相比十分具有競爭力。

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

田中部長展望道：“希望我們能到2030年前后，實現(xiàn)從空氣中大規(guī)模回收CO₂的計劃?！?/p>

一次次的進化邁向商品化

短短兩個月的時間，取得了巨大進化的液態(tài)氫燃料發(fā)動機COROLLA，還有著其他的改善點。譬如，較上一場富士站比賽，其發(fā)動機的輸出功率也提高了數(shù)個百分點。

過去，氫燃料發(fā)動機COROLLA一旦需要進維修站加氫，再出發(fā)后排名便會降至最后一位，且這一排名會一直持續(xù)到比賽結束。

但隨著汽車續(xù)航里程的增加、加氫時間的變短，這次比賽中竟然還出現(xiàn)了令人驚訝的一幕，在汽車準備進入維修區(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)動機汽車已逐漸具備了正常參賽的汽車性能。

當高橋總裁被問到“這一系列的進化，是否會與市銷產生鏈接”時，他斬釘截鐵地回答道。

“答案是肯定的。我們現(xiàn)在的階段任務是收集數(shù)據(jù)、積累基礎技術。未來，我們現(xiàn)在所做的一切努力，都將會反哺于商品化的實現(xiàn)?！?/p>