氫燃料汽車(chē)在未來(lái)課程教學(xué)改革中的應(yīng)用探討

甄旭東，耿杰

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院，天津 300222)

0 引言

隨著世界汽車(chē)產(chǎn)量和保有量的飛速發(fā)展，車(chē)用石化資源的短缺和汽車(chē)尾氣排放污染的問(wèn)題變得日益嚴(yán)重，人們對(duì)大氣環(huán)保的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，世界各國(guó)相繼出臺(tái)了嚴(yán)格的汽車(chē)尾氣排放法規(guī)，并且隨著時(shí)間的推移，排放法規(guī)要求會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。我國(guó)也已經(jīng)出臺(tái)了國(guó)六排放法規(guī)，并分為兩個(gè)階段實(shí)行，其給汽車(chē)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。為汽車(chē)尋找可以替代傳統(tǒng)石油的清潔能源是當(dāng)今汽車(chē)技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，汽車(chē)也到了必須變革的時(shí)代。隨著人們對(duì)氫能安全與利用的認(rèn)知和進(jìn)展，氫燃料汽車(chē)將逐漸成為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的重要方向，在新工科發(fā)展的背景下，以未來(lái)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向的相關(guān)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)成為當(dāng)務(wù)之急，高校相關(guān)院系需要深入思考如何更新現(xiàn)有的汽車(chē)專(zhuān)業(yè)課程體系，并在現(xiàn)有的汽車(chē)專(zhuān)業(yè)課程中增加氫燃料汽車(chē)的教學(xué)內(nèi)容。

1 氫能汽車(chē)介紹

氫的單位質(zhì)量熱值較高，層流火焰速度是汽油的7.2倍，點(diǎn)火能量很低，擴(kuò)散速度很快，可燃范圍比較廣，稀薄燃燒能力比較強(qiáng)，燃燒的有害排放物較低，一般只會(huì)產(chǎn)生氮氧化物污染物，后處理相對(duì)簡(jiǎn)單。由于其燃燒后的產(chǎn)物是水和很少量的氮氧化物，對(duì)大氣的污染很小，因此，氫是可以用來(lái)替代傳統(tǒng)石油的燃料之一。作為最清潔的車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料，氫能汽車(chē)在提高內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、降低發(fā)動(dòng)機(jī)煙度排放等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

氫能汽車(chē)就是以氫燃料作為動(dòng)力來(lái)源的汽車(chē)，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)一樣，將氫燃料反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來(lái)推動(dòng)車(chē)輛行駛。目前，氫能汽車(chē)主要分為兩大類(lèi)：(1)氫燃料電池汽車(chē)，其工作原理為：氫或含氫物質(zhì)與空氣中的氧在燃料電池中反應(yīng)產(chǎn)生電力推動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)來(lái)推動(dòng)車(chē)輛行駛；(2)氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，其工作原理為：以?xún)?nèi)燃機(jī)燃燒氫氣而產(chǎn)生動(dòng)力來(lái)源，從而推動(dòng)車(chē)輛行駛。未來(lái)氫能汽車(chē)畢竟是汽車(chē)發(fā)展的重要組成部分，針對(duì)氫能在汽車(chē)上的應(yīng)用推廣，國(guó)內(nèi)也相繼出臺(tái)了一系列的指導(dǎo)文件，這也標(biāo)志著氫能汽車(chē)在未來(lái)終將是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

2 氫燃料汽車(chē)課程知識(shí)概述

2.1 氫燃料電池汽車(chē)

燃料電池汽車(chē)可以豐富汽車(chē)燃料的多樣化，該車(chē)輛在行駛期間不會(huì)排放二氧化碳和其他有害物質(zhì)，本身具有零排放、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，可以認(rèn)為是促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的理想燃料之一，也是新能源汽車(chē)的未來(lái)技術(shù)路線之一。氫燃料電池汽車(chē)多采用高壓技術(shù)來(lái)進(jìn)行氫氣的儲(chǔ)存，并通過(guò)加氫站來(lái)為高壓儲(chǔ)氫罐加氫。燃料電池汽車(chē)具有質(zhì)量較輕、續(xù)航里程較長(zhǎng)、加氫時(shí)間較短等優(yōu)勢(shì)，對(duì)輕型、中型及重型車(chē)都較為適用，應(yīng)用范圍較廣。我國(guó)政府長(zhǎng)期以來(lái)也一直高度重視氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)展，氫燃料電池也是我國(guó)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)和新能源汽車(chē)戰(zhàn)略的重要方向之一。由于氫燃料電池汽車(chē)具備轉(zhuǎn)化效率高、能量密度高、加注時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)、無(wú)污染環(huán)境友好、制造和回收過(guò)程污染非常小等優(yōu)點(diǎn)，將成為汽車(chē)的未來(lái)動(dòng)力來(lái)源之一。因此，未來(lái)燃料電池汽車(chē)必將是汽車(chē)發(fā)展的重要組成部分，如何在現(xiàn)有的汽車(chē)專(zhuān)業(yè)課程中設(shè)計(jì)及開(kāi)展氫燃料電池汽車(chē)的教學(xué)內(nèi)容，是未來(lái)汽車(chē)人才培養(yǎng)方案的重要組成部分。

2.2 氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)

氫內(nèi)燃機(jī)的研究已經(jīng)相對(duì)比較成熟，國(guó)內(nèi)外都開(kāi)展了大量的研究工作。目前，氫能應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)主要還是與燃料進(jìn)行混合燃燒為主，用來(lái)替代部分傳統(tǒng)燃料 (目前研究結(jié)果看，替代比例還不是很高)，以達(dá)到節(jié)能減排的效果。未來(lái)汽車(chē)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)過(guò)程中應(yīng)將氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容加入進(jìn)來(lái)，讓學(xué)生很好地掌握氫能在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的替代技術(shù)及作用。目前，氫燃料可以與汽油、柴油、生物柴油、天然氣及醇類(lèi)等進(jìn)行混合燃燒使用。

2.2.1 氫-汽油燃料汽車(chē)

氫燃料可以和汽油進(jìn)行混燒，用來(lái)替代傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，以降低汽油燃料的使用及改善汽油機(jī)的排放性能。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，比如對(duì)其進(jìn)氣系統(tǒng)和電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以達(dá)到氫燃料與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)混燒的效果。通過(guò)試驗(yàn)和仿真研究可以發(fā)現(xiàn)：目前在現(xiàn)有的傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)施局部改造能夠較容易地實(shí)現(xiàn)氫-汽油混合燃燒，但是由于氫氣與汽油的物理性質(zhì)存在較大的差異，其替代比例會(huì)受到一定的限制。

2.2.2 氫-柴油燃料汽車(chē)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，在用途上有著不可替代的作用。而且，改善柴油機(jī)的排放是汽車(chē)排放的難點(diǎn)之一，因此，如何在柴油機(jī)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，有著重要的意義。目前，以傳統(tǒng)柴油機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的雙燃料燃燒工作，也是替代柴油機(jī)發(fā)展的重要方向之一，目前研究廣泛的就是柴油加氫雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)：氫燃料可以和柴油進(jìn)行混燒，用來(lái)替代傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，以降低柴油燃料的使用及改善柴油機(jī)的排放性能。

2.2.3 氫-生物柴油燃料汽車(chē)

生物柴油泛指以大豆、油菜籽、棉籽等上百種油料作物，油棕、麻瘋樹(shù)、黃連木等油料林木果實(shí)，工程微藻等水生植物以及動(dòng)物油脂、餐飲廢油等為原料制成的液體燃料。生物柴油一般自身含氧而有利于燃燒，無(wú)毒性，十六烷值、著火性能與柴油較接近，很適合用來(lái)替代傳統(tǒng)柴油。生物柴油作為一種可再生的清潔燃料，目前已得到眾多研究人員的廣泛關(guān)注與研究。氫燃料可以和生物柴油進(jìn)行混燒，用來(lái)替代傳統(tǒng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，以降低柴油燃料的使用及改善柴油機(jī)的排放性能。

2.2.4 氫-天然氣燃料汽車(chē)

天然氣以其良好的可獲得性、低污染性和經(jīng)濟(jì)性日益受到世界各國(guó)的重視，以天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)也因此成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)。然而天然氣也具備許多缺點(diǎn)，由于氫氣所具有的優(yōu)點(diǎn)能夠彌補(bǔ)天然氣所具備的不足，所以天然氣摻氫燃燒是理想的燃料組合方式。天然氣燃料中摻入氫氣可以改善天然氣燃燒特性，拓展天然氣的稀薄燃燒界限，發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用稀薄燃燒技術(shù)。氫燃料可以和天然氣進(jìn)行混燒，不但可以替代傳統(tǒng)汽油機(jī)，也可以替代傳統(tǒng)柴油機(jī)，以達(dá)到節(jié)能減排的效果。

2.2.5 氫-醇類(lèi)燃料汽車(chē)

隨著石油資源的日益枯竭和大氣環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，世界各國(guó)都在根據(jù)本國(guó)的技術(shù)基礎(chǔ)和資源狀況，探索著適合本國(guó)國(guó)情的汽車(chē)發(fā)展道路，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)為發(fā)展醇類(lèi)燃料提供了發(fā)展契機(jī)。目前，在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料上研究比較多的醇類(lèi)包括：甲醇、乙醇、丁醇等。氫燃料可以和醇類(lèi)進(jìn)行混燒，根據(jù)替代燃料的不同，既可以用來(lái)替代傳統(tǒng)汽油機(jī)，也可以用來(lái)替代傳統(tǒng)柴油機(jī)，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

3 氫能汽車(chē)的教學(xué)內(nèi)容討論

綜上所述，氫能汽車(chē)的總體教學(xué)內(nèi)容主要包括兩大部分知識(shí)，即氫燃料電池汽車(chē)和氫-內(nèi)燃機(jī)車(chē) (氫-汽油燃料汽車(chē)、氫-柴油燃料汽車(chē)、氫-生物柴油燃料汽車(chē)、氫-天然氣汽車(chē)和氫-醇類(lèi)汽車(chē)等)。培養(yǎng)方案中可以單獨(dú)羅列一門(mén)課程進(jìn)行學(xué)習(xí)。作為人才培養(yǎng)基地的高等學(xué)校，針對(duì)未來(lái)汽車(chē)人才的培養(yǎng)要有著發(fā)展的眼光，對(duì)未來(lái)汽車(chē)人才的需要而未雨綢繆，要提前有所準(zhǔn)備，要適應(yīng)汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。因此，如何在現(xiàn)有的汽車(chē)專(zhuān)業(yè)課程中設(shè)計(jì)及開(kāi)展氫能汽車(chē)的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，是未來(lái)汽車(chē)人才培養(yǎng)方案的重要組成部分。要總結(jié)氫能汽車(chē)的技術(shù)及應(yīng)用，每年可對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新，將新的技術(shù)與應(yīng)用加入到教學(xué)內(nèi)容中來(lái)，逐年更新教學(xué)培養(yǎng)方案和教學(xué)大綱，使教學(xué)內(nèi)容要跟上汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展。

4 氫能汽車(chē)的教學(xué)方法討論

氫能汽車(chē)的教學(xué)模式應(yīng)區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，在教學(xué)方法上要與時(shí)俱進(jìn)，充分利用現(xiàn)有的工具，比如：隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，要充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，另外，目前應(yīng)用于汽車(chē)相關(guān)研究的很多專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件已經(jīng)相對(duì)比較成熟，世界各大汽車(chē)公司、高等學(xué)校及研究所等都在應(yīng)用，應(yīng)用范圍很廣。在教學(xué)過(guò)程中可將計(jì)算機(jī)仿真 (搭建氫能發(fā)動(dòng)機(jī)的一維整機(jī)模型或三維燃燒模型等) 技術(shù)引入進(jìn)來(lái)，從而將計(jì)算機(jī)仿真的技術(shù)與理論課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合起來(lái)。這樣在很多試驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展的情況下，采用計(jì)算機(jī)仿真模擬是一種非常好的選擇方式。

在氫燃料電池以及氫內(nèi)燃機(jī)的教學(xué)過(guò)程中可采用計(jì)算機(jī)仿真的方法。例如：氫燃料電池可以搭建氫質(zhì)子交換模型，方便學(xué)生對(duì)氫質(zhì)子交換原理的理解。針對(duì)傳統(tǒng)混合燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)，可通過(guò)汽車(chē)專(zhuān)用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)進(jìn)行分析講解，比如：針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能講解(示功圖、溫熵圖、工作過(guò)程、發(fā)動(dòng)機(jī)特性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性以及增壓等內(nèi)容知識(shí)講解)可分別搭建氫-汽油、氫-柴油、氫-天然氣、氫-生物柴油、氫-醇 (甲醇、乙醇和丁醇等) 等雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的一維整機(jī)仿真模型，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講授，這樣也有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，以達(dá)到教學(xué)效果。

另外，開(kāi)設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室及試驗(yàn)等相結(jié)合的教學(xué)模式，同時(shí)也可以充分利用手機(jī)APP等優(yōu)勢(shì)，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)氫能汽車(chē)的相關(guān)課程。這樣也更有利于學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握，達(dá)到很好的教學(xué)效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

在新工科背景下，培養(yǎng)汽車(chē)人才要以未來(lái)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向。氫能汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，因此，氫能汽車(chē)的教學(xué)內(nèi)容也需要逐步重視起來(lái)。加強(qiáng)氫能汽車(chē)在教學(xué)過(guò)程中的學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計(jì)氫能汽車(chē)的教學(xué)培養(yǎng)規(guī)劃，設(shè)計(jì)氫能汽車(chē)相關(guān)知識(shí)的專(zhuān)業(yè)課程，完善氫能汽車(chē)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的教學(xué)方法，儲(chǔ)備好相關(guān)專(zhuān)業(yè)教師隊(duì)伍，為學(xué)生提供好專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，開(kāi)發(fā)氫能汽車(chē)仿真虛擬平臺(tái)及實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，是培養(yǎng)未來(lái)汽車(chē)人才的必要組成部分。