甄旭東，耿杰

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

0 引言

隨著世界汽車產(chǎn)量和保有量的飛速發(fā)展，車用石化資源的短缺和汽車尾氣排放污染的問題變得日益嚴(yán)重，人們對大氣環(huán)保的意識越來越強，世界各國相繼出臺了嚴(yán)格的汽車尾氣排放法規(guī)，并且隨著時間的推移，排放法規(guī)要求會越來越嚴(yán)格。我國也已經(jīng)出臺了國六排放法規(guī)，并分為兩個階段實行，其給汽車工業(yè)的進一步發(fā)展帶來了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。為汽車尋找可以替代傳統(tǒng)石油的清潔能源是當(dāng)今汽車技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，汽車也到了必須變革的時代。隨著人們對氫能安全與利用的認(rèn)知和進展，氫燃料汽車將逐漸成為未來汽車發(fā)展的重要方向，在新工科發(fā)展的背景下，以未來市場需求為導(dǎo)向的相關(guān)專業(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)有的汽車專業(yè)課程體系，并在現(xiàn)有的汽車專業(yè)課程中增加氫燃料汽車的教學(xué)內(nèi)容。

1 氫能汽車介紹

氫的單位質(zhì)量熱值較高，層流火焰速度是汽油的7.2倍，點火能量很低，擴散速度很快，可燃范圍比較廣，稀薄燃燒能力比較強，燃燒的有害排放物較低，一般只會產(chǎn)生氮氧化物污染物，后處理相對簡單。由于其燃燒后的產(chǎn)物是水和很少量的氮氧化物，對大氣的污染很小，因此，氫是可以用來替代傳統(tǒng)石油的燃料之一。作為最清潔的車用發(fā)動機替代燃料，氫能汽車在提高內(nèi)燃機的經(jīng)濟性、降低發(fā)動機煙度排放等方面有著獨特的優(yōu)勢。

氫能汽車就是以氫燃料作為動力來源的汽車，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機一樣，將氫燃料反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機械能來推動車輛行駛。目前，氫能汽車主要分為兩大類：(1)氫燃料電池汽車，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)生電力推動電動機，由電動機來推動車輛行駛；(2)氫內(nèi)燃機汽車，其工作原理為：以內(nèi)燃機燃燒氫氣而產(chǎn)生動力來源，從而推動車輛行駛。未來氫能汽車畢竟是汽車發(fā)展的重要組成部分，針對氫能在汽車上的應(yīng)用推廣，國內(nèi)也相繼出臺了一系列的指導(dǎo)文件，這也標(biāo)志著氫能汽車在未來終將是汽車產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

2 氫燃料汽車課程知識概述

2.1 氫燃料電池汽車

燃料電池汽車可以豐富汽車燃料的多樣化，該車輛在行駛期間不會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，可以認(rèn)為是促進社會可持續(xù)發(fā)展的理想燃料之一，也是新能源汽車的未來技術(shù)路線之一。氫燃料電池汽車多采用高壓技術(shù)來進行氫氣的儲存，并通過加氫站來為高壓儲氫罐加氫。燃料電池汽車具有質(zhì)量較輕、續(xù)航里程較長、加氫時間較短等優(yōu)勢，對輕型、中型及重型車都較為適用，應(yīng)用范圍較廣。我國政府長期以來也一直高度重視氫燃料電池汽車的發(fā)展，氫燃料電池也是我國汽車動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級和新能源汽車戰(zhàn)略的重要方向之一。由于氫燃料電池汽車具備轉(zhuǎn)化效率高、能量密度高、加注時間短、續(xù)航里程長、無污染環(huán)境友好、制造和回收過程污染非常小等優(yōu)點，將成為汽車的未來動力來源之一。因此，未來燃料電池汽車必將是汽車發(fā)展的重要組成部分，如何在現(xiàn)有的汽車專業(yè)課程中設(shè)計及開展氫燃料電池汽車的教學(xué)內(nèi)容，是未來汽車人才培養(yǎng)方案的重要組成部分。

2.2 氫內(nèi)燃機汽車

氫內(nèi)燃機的研究已經(jīng)相對比較成熟，國內(nèi)外都開展了大量的研究工作。目前，氫能應(yīng)用于內(nèi)燃機主要還是與燃料進行混合燃燒為主，用來替代部分傳統(tǒng)燃料 (目前研究結(jié)果看，替代比例還不是很高)，以達到節(jié)能減排的效果。未來汽車專業(yè)的教學(xué)過程中應(yīng)將氫內(nèi)燃機汽車的相關(guān)知識內(nèi)容加入進來，讓學(xué)生很好地掌握氫能在傳統(tǒng)內(nèi)燃機上的替代技術(shù)及作用。目前，氫燃料可以與汽油、柴油、生物柴油、天然氣及醇類等進行混合燃燒使用。

2.2.1 氫-汽油燃料汽車

氫燃料可以和汽油進行混燒，用來替代傳統(tǒng)汽油發(fā)動機，以降低汽油燃料的使用及改善汽油機的排放性能。通過對傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機進行改造，比如對其進氣系統(tǒng)和電控系統(tǒng)進行改造，可以達到氫燃料與汽油發(fā)動機混燒的效果。通過試驗和仿真研究可以發(fā)現(xiàn)：目前在現(xiàn)有的傳統(tǒng)汽油發(fā)動機上實施局部改造能夠較容易地實現(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，其替代比例會受到一定的限制。

2.2.2 氫-柴油燃料汽車

柴油發(fā)動機被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，在用途上有著不可替代的作用。而且，改善柴油機的排放是汽車排放的難點之一，因此，如何在柴油機上實現(xiàn)節(jié)能減排，有著重要的意義。目前，以傳統(tǒng)柴油機為基礎(chǔ)進行改造，實現(xiàn)發(fā)動機的雙燃料燃燒工作，也是替代柴油機發(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)動機。通過研究可以發(fā)現(xiàn)：氫燃料可以和柴油進行混燒，用來替代傳統(tǒng)柴油發(fā)動機，以降低柴油燃料的使用及改善柴油機的排放性能。

2.2.3 氫-生物柴油燃料汽車

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、黃連木等油料林木果實，工程微藻等水生植物以及動物油脂、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，無毒性，十六烷值、著火性能與柴油較接近，很適合用來替代傳統(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行混燒，用來替代傳統(tǒng)柴油發(fā)動機，以降低柴油燃料的使用及改善柴油機的排放性能。

2.2.4 氫-天然氣燃料汽車

天然氣以其良好的可獲得性、低污染性和經(jīng)濟性日益受到世界各國的重視，以天然氣為燃料的發(fā)動機也因此成為各國的研究熱點。然而天然氣也具備許多缺點，由于氫氣所具有的優(yōu)點能夠彌補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)動機可以采用稀薄燃燒技術(shù)。氫燃料可以和天然氣進行混燒，不但可以替代傳統(tǒng)汽油機，也可以替代傳統(tǒng)柴油機，以達到節(jié)能減排的效果。

2.2.5 氫-醇類燃料汽車

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

3 氫能汽車的教學(xué)內(nèi)容討論

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

4 氫能汽車的教學(xué)方法討論

氫能汽車的教學(xué)模式應(yīng)區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，在教學(xué)方法上要與時俱進，充分利用現(xiàn)有的工具，比如：隨著計算機硬件、軟件以及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，要充分運用計算機及網(wǎng)絡(luò)在教學(xué)中的優(yōu)勢，另外，目前應(yīng)用于汽車相關(guān)研究的很多專業(yè)計算軟件已經(jīng)相對比較成熟，世界各大汽車公司、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)過程中可將計算機仿真 (搭建氫能發(fā)動機的一維整機模型或三維燃燒模型等) 技術(shù)引入進來，從而將計算機仿真的技術(shù)與理論課程教學(xué)和實驗教學(xué)相結(jié)合起來。這樣在很多試驗無法開展的情況下，采用計算機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)燃機的教學(xué)過程中可采用計算機仿真的方法。例如：氫燃料電池可以搭建氫質(zhì)子交換模型，方便學(xué)生對氫質(zhì)子交換原理的理解。針對傳統(tǒng)混合燃燒發(fā)動機，可通過汽車專用計算機軟件來進行分析講解，比如：針對發(fā)動機的性能講解(示功圖、溫熵圖、工作過程、發(fā)動機特性、動力性、經(jīng)濟性、排放性以及增壓等內(nèi)容知識講解)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)動機的一維整機仿真模型，通過對發(fā)動機的整體性能進行仿真分析，結(jié)合試驗結(jié)果，對學(xué)生進行現(xiàn)場講授，這樣也有利于學(xué)生對知識點的理解，以達到教學(xué)效果。

另外，開設(shè)虛擬仿真實驗室及試驗等相結(jié)合的教學(xué)模式，同時也可以充分利用手機APP等優(yōu)勢，有針對性地開發(fā)氫能汽車的相關(guān)課程。這樣也更有利于學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解與掌握，達到很好的教學(xué)效果。

5 結(jié)束語

在新工科背景下，培養(yǎng)汽車人才要以未來市場需求為導(dǎo)向。氫能汽車是未來汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢，因此，氫能汽車的教學(xué)內(nèi)容也需要逐步重視起來。加強氫能汽車在教學(xué)過程中的學(xué)習(xí)內(nèi)容，設(shè)計氫能汽車的教學(xué)培養(yǎng)規(guī)劃，設(shè)計氫能汽車相關(guān)知識的專業(yè)課程，完善氫能汽車專業(yè)知識的教學(xué)方法，儲備好相關(guān)專業(yè)教師隊伍，為學(xué)生提供好專業(yè)實習(xí)機會，開發(fā)氫能汽車仿真虛擬平臺及實訓(xùn)實驗臺，是培養(yǎng)未來汽車人才的必要組成部分。