氢燃料汽车在未来课程教学改革中的应用探讨

甄旭东，耿杰

(天津职业技术师范大学汽车与交通学院，天津 300222)

0 引言

随着世界汽车产量和保有量的飞速发展，车用石化资源的短缺和汽车尾气排放污染的问题变得日益严重，人们对大气环保的意识越来越强，世界各国相继出台了严格的汽车尾气排放法规，并且随着时间的推移，排放法规要求会越来越严格。我国也已经出台了国六排放法规，并分为两个阶段实行，其给汽车工业的进一步发展带来了严重的挑战。为汽车寻找可以替代传统石油的清洁能源是当今汽车技术的重要发展方向之一，汽车也到了必须变革的时代。随着人们对氢能安全与利用的认知和进展，氢燃料汽车将逐渐成为未来汽车发展的重要方向，在新工科发展的背景下，以未来市场需求为导向的相关专业的人才培养成为当务之急，高校相关院系需要深入思考如何更新现有的汽车专业课程体系，并在现有的汽车专业课程中增加氢燃料汽车的教学内容。

1 氢能汽车介绍

氢的单位质量热值较高，层流火焰速度是汽油的7.2倍，点火能量很低，扩散速度很快，可燃范围比较广，稀薄燃烧能力比较强，燃烧的有害排放物较低，一般只会产生氮氧化物污染物，后处理相对简单。由于其燃烧后的产物是水和很少量的氮氧化物，对大气的污染很小，因此，氢是可以用来替代传统石油的燃料之一。作为最清洁的车用发动机替代燃料，氢能汽车在提高内燃机的经济性、降低发动机烟度排放等方面有着独特的优势。

氢能汽车就是以氢燃料作为动力来源的汽车，与传统内燃机一样，将氢燃料反应所产生的化学能转换为机械能来推动车辆行驶。目前，氢能汽车主要分为两大类：(1)氢燃料电池汽车，其工作原理为：氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应产生电力推动电动机，由电动机来推动车辆行驶；(2)氢内燃机汽车，其工作原理为：以内燃机燃烧氢气而产生动力来源，从而推动车辆行驶。未来氢能汽车毕竟是汽车发展的重要组成部分，针对氢能在汽车上的应用推广，国内也相继出台了一系列的指导文件，这也标志着氢能汽车在未来终将是汽车产业的重要组成部分。

2 氢燃料汽车课程知识概述

2.1 氢燃料电池汽车

燃料电池汽车可以丰富汽车燃料的多样化，该车辆在行驶期间不会排放二氧化碳和其他有害物质，本身具有零排放、能量转换效率高等特点，可以认为是促进社会可持续发展的理想燃料之一，也是新能源汽车的未来技术路线之一。氢燃料电池汽车多采用高压技术来进行氢气的储存，并通过加氢站来为高压储氢罐加氢。燃料电池汽车具有质量较轻、续航里程较长、加氢时间较短等优势，对轻型、中型及重型车都较为适用，应用范围较广。我国政府长期以来也一直高度重视氢燃料电池汽车的发展，氢燃料电池也是我国汽车动力系统转型升级和新能源汽车战略的重要方向之一。由于氢燃料电池汽车具备转化效率高、能量密度高、加注时间短、续航里程长、无污染环境友好、制造和回收过程污染非常小等优点，将成为汽车的未来动力来源之一。因此，未来燃料电池汽车必将是汽车发展的重要组成部分，如何在现有的汽车专业课程中设计及开展氢燃料电池汽车的教学内容，是未来汽车人才培养方案的重要组成部分。

2.2 氢内燃机汽车

氢内燃机的研究已经相对比较成熟，国内外都开展了大量的研究工作。目前，氢能应用于内燃机主要还是与燃料进行混合燃烧为主，用来替代部分传统燃料 (目前研究结果看，替代比例还不是很高)，以达到节能减排的效果。未来汽车专业的教学过程中应将氢内燃机汽车的相关知识内容加入进来，让学生很好地掌握氢能在传统内燃机上的替代技术及作用。目前，氢燃料可以与汽油、柴油、生物柴油、天然气及醇类等进行混合燃烧使用。

2.2.1 氢-汽油燃料汽车

氢燃料可以和汽油进行混烧，用来替代传统汽油发动机，以降低汽油燃料的使用及改善汽油机的排放性能。通过对传统的汽油发动机进行改造，比如对其进气系统和电控系统进行改造，可以达到氢燃料与汽油发动机混烧的效果。通过试验和仿真研究可以发现：目前在现有的传统汽油发动机上实施局部改造能够较容易地实现氢-汽油混合燃烧，但是由于氢气与汽油的物理性质存在较大的差异，其替代比例会受到一定的限制。

2.2.2 氢-柴油燃料汽车

柴油发动机被广泛应用于国民经济各个领域，在用途上有着不可替代的作用。而且，改善柴油机的排放是汽车排放的难点之一，因此，如何在柴油机上实现节能减排，有着重要的意义。目前，以传统柴油机为基础进行改造，实现发动机的双燃料燃烧工作，也是替代柴油机发展的重要方向之一，目前研究广泛的就是柴油加氢双燃料发动机。通过研究可以发现：氢燃料可以和柴油进行混烧，用来替代传统柴油发动机，以降低柴油燃料的使用及改善柴油机的排放性能。

2.2.3 氢-生物柴油燃料汽车

生物柴油泛指以大豆、油菜籽、棉籽等上百种油料作物，油棕、麻疯树、黄连木等油料林木果实，工程微藻等水生植物以及动物油脂、餐饮废油等为原料制成的液体燃料。生物柴油一般自身含氧而有利于燃烧，无毒性，十六烷值、着火性能与柴油较接近，很适合用来替代传统柴油。生物柴油作为一种可再生的清洁燃料，目前已得到众多研究人员的广泛关注与研究。氢燃料可以和生物柴油进行混烧，用来替代传统柴油发动机，以降低柴油燃料的使用及改善柴油机的排放性能。

2.2.4 氢-天然气燃料汽车

天然气以其良好的可获得性、低污染性和经济性日益受到世界各国的重视，以天然气为燃料的发动机也因此成为各国的研究热点。然而天然气也具备许多缺点，由于氢气所具有的优点能够弥补天然气所具备的不足，所以天然气掺氢燃烧是理想的燃料组合方式。天然气燃料中掺入氢气可以改善天然气燃烧特性，拓展天然气的稀薄燃烧界限，发动机可以采用稀薄燃烧技术。氢燃料可以和天然气进行混烧，不但可以替代传统汽油机，也可以替代传统柴油机，以达到节能减排的效果。

2.2.5 氢-醇类燃料汽车

随着石油资源的日益枯竭和大气环境问题的日益严峻，世界各国都在根据本国的技术基础和资源状况，探索着适合本国国情的汽车发展道路，我国的能源结构为发展醇类燃料提供了发展契机。目前，在车用发动机的燃料上研究比较多的醇类包括：甲醇、乙醇、丁醇等。氢燃料可以和醇类进行混烧，根据替代燃料的不同，既可以用来替代传统汽油机，也可以用来替代传统柴油机，以达到节能减排的目的。

3 氢能汽车的教学内容讨论

综上所述，氢能汽车的总体教学内容主要包括两大部分知识，即氢燃料电池汽车和氢-内燃机车 (氢-汽油燃料汽车、氢-柴油燃料汽车、氢-生物柴油燃料汽车、氢-天然气汽车和氢-醇类汽车等)。培养方案中可以单独罗列一门课程进行学习。作为人才培养基地的高等学校，针对未来汽车人才的培养要有着发展的眼光，对未来汽车人才的需要而未雨绸缪，要提前有所准备，要适应汽车的未来发展趋势。因此，如何在现有的汽车专业课程中设计及开展氢能汽车的相关教学内容，是未来汽车人才培养方案的重要组成部分。要总结氢能汽车的技术及应用，每年可对教学内容进行更新，将新的技术与应用加入到教学内容中来，逐年更新教学培养方案和教学大纲，使教学内容要跟上汽车技术的发展。

4 氢能汽车的教学方法讨论

氢能汽车的教学模式应区别于传统的教学模式，在教学方法上要与时俱进，充分利用现有的工具，比如：随着计算机硬件、软件以及网络的发展，要充分运用计算机及网络在教学中的优势，另外，目前应用于汽车相关研究的很多专业计算软件已经相对比较成熟，世界各大汽车公司、高等学校及研究所等都在应用，应用范围很广。在教学过程中可将计算机仿真 (搭建氢能发动机的一维整机模型或三维燃烧模型等) 技术引入进来，从而将计算机仿真的技术与理论课程教学和实验教学相结合起来。这样在很多试验无法开展的情况下，采用计算机仿真模拟是一种非常好的选择方式。

在氢燃料电池以及氢内燃机的教学过程中可采用计算机仿真的方法。例如：氢燃料电池可以搭建氢质子交换模型，方便学生对氢质子交换原理的理解。针对传统混合燃烧发动机，可通过汽车专用计算机软件来进行分析讲解，比如：针对发动机的性能讲解(示功图、温熵图、工作过程、发动机特性、动力性、经济性、排放性以及增压等内容知识讲解)可分别搭建氢-汽油、氢-柴油、氢-天然气、氢-生物柴油、氢-醇 (甲醇、乙醇和丁醇等) 等双燃料发动机的一维整机仿真模型，通过对发动机的整体性能进行仿真分析，结合试验结果，对学生进行现场讲授，这样也有利于学生对知识点的理解，以达到教学效果。

另外，开设虚拟仿真实验室及试验等相结合的教学模式，同时也可以充分利用手机APP等优势，有针对性地开发氢能汽车的相关课程。这样也更有利于学生对教学内容的理解与掌握，达到很好的教学效果。

5 结束语

在新工科背景下，培养汽车人才要以未来市场需求为导向。氢能汽车是未来汽车行业发展的趋势，因此，氢能汽车的教学内容也需要逐步重视起来。加强氢能汽车在教学过程中的学习内容，设计氢能汽车的教学培养规划，设计氢能汽车相关知识的专业课程，完善氢能汽车专业知识的教学方法，储备好相关专业教师队伍，为学生提供好专业实习机会，开发氢能汽车仿真虚拟平台及实训实验台，是培养未来汽车人才的必要组成部分。