“雙碳目標”下，內燃機工業或將浴“氫”重生、綻放新的光彩

本刊記者 馮 銳 文

傳統內燃機遭受挑戰

2009年3月，國務院發布的《汽車產業調整與振興規劃》首次提出“實施新能源汽車戰略”：“以新能源汽車為突破口，加強自主創新，培育自主品牌，形成新的競爭優勢，促進汽車產業持續、健康、穩定發展”的目標。同年，多個部委啟動了“十城千輛”新能源汽車示范項目。從那時開始，以傳統能源(包括石油、天然氣、煤等化石燃料)為主要燃料的內燃機在汽車領域的地位開始受到了新的挑戰。

2020年9月，中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。2019年的統計數據顯示，我國碳排放主要集中在電力、工業和地面運輸3個領域；能否實現“碳達峰、碳中和”的目標，很大程度上取決于這3大領域。而在工業和地面運輸廣泛應用的內燃機一直是石油等含碳燃料的消耗大戶。據《內燃機產業高質量發展規劃(2021-2035）》統計，內燃機每年消耗我國石油的 60%以上，排出的 CO占全國總量 9.8%。在動力系統電動化、工業生產智能化，經濟發展低碳化的大趨勢下，傳統內燃機的產業面臨著前所未有的挑戰。

康明斯15 L氫內燃機

各種減碳方案，各有長短

商用車是國家經濟支柱產業，亦是碳排放大戶。作為道路運輸的主力，主要搭載柴油內燃機的重卡，其單車運營里程長、運營頻次高、柴油消耗總量高，是氮氧化物、一氧化碳和顆粒物等污染物的主要排放來源。因此，在國家政策引導下，重卡行業節能減碳成為大勢所趨。目前，除了非化石能源領域，在中重型商用車的降碳方案中，已經形成一定產業與市場規模或具有一定產業基礎的有：充電式純電驅動、換電式純電驅動、氫燃料電池、氫內燃機等。這幾種各有長短。

第一種，充電式純電驅動。充電式電驅動重卡，其面臨最大的挑戰在于動力電池的容量、質量、成本、使用壽命，以及充電換電是否便捷高效。據介紹，當前的鋰電池能量密度已經沒有了大幅度提升的空間，新型的固態電池、鈉電池技術還不成熟，如果想要長續航，就需要增加電池模組的數量，這樣一來車體的重量必定會大幅增加。

第二種，換電純電驅動。換電重卡在一定程度上解決了“里程焦慮”，但其主要應用場景為港口運輸、鋼鐵企業內部運輸、礦山運輸、支線倒短、城市市政工程建設領域等短途運輸場景。在這些對運營效率要成本占比相對較高，限制了商業化發展，而電堆成本在整個燃料電池系統中占比高達60%，主要是由于反應所用的鉑催化劑昂貴，若隨著技術發展，減少鉑的含量或者采用其他催化劑代替鉑，或將極大地降低整車成本。綜上，現階段，動力電池成本高、續航短、整車自重大、充電“老大難”的問題依然突出；氫燃料電池的成本、耐久性以及燃料儲運短板也嚴重制約其大規模應用。純電、燃料電池尚無法滿足中重卡、船機、工程機械等高載荷和高功率密度、長距離運行的要求。

濰柴氫氣內燃機

第四，氫內燃機動力。當前，國內在積極推動燃料電池技術發展的同時，同樣沒有放棄對氫內燃機的關注和研究。自1876年，德國人奧拓發明并制成世界第一臺實用的內燃機以來，內燃機的發展已經經歷了145年的歷程。內燃機作為第2次工業革命的標志性科技成就，或將持續在人類生產生活中發揮著不可替代的作用。而在近年的節能減碳大目標下，內燃機工業也不甘落后，正在發生著深刻的革命：近年氫內燃機的出現，或將為中重型商用車減碳目標的實現，提供新型、經濟的了綠色動力。

據國內專家介紹：歐洲目前正在大力發展氫能動力產業，除了氫燃料電池外，目前歐洲幾乎所有的主流商用車主機廠都在關注或者已經開始了氫氣發動機(氫氣內燃機)的可行性研究，并成立了包括主機廠、關鍵零部件等22家企業的氫氣發動機聯盟。”該建議還說：“氫氣發動機燃燒氫氣不排放CO，也是零求極高的固定路線短途運輸場景，換電重卡所產生的經濟效益也漸受市場認可；但在長途干線物流運輸場景，換電重卡仍面臨電池自重大、現有電池續航里程短、低溫環境下電池續航里程更短的不適用性。

第三，氫燃料電池方案。氫燃料電池是通過電化學反應而不是燃燒獲取能量，反應產物只有水，無有害氧化物產生。同時，氫燃料電池重卡是在電堆內部發生電化學反應，直接輸出電能驅動電機，過程運行平穩，不發生振動，噪聲低。不過，氫燃料電池系統碳排放，是滿足CO排放法規快速可靠的技術方案；它可以利用現有的內燃機技術，以及配套供應鏈；同時它對氫氣燃料純度的要求不高，甚至可以直接使用鋼鐵及化工產業的工業副產氫，不需要進一步的提純。

部分商用車企業的氫內燃機研發成果

近期以來，在“雙碳目標”下，我國商用車行業已經有不少企業正在進行和加快氫內燃機的研發，部分企業在氫內燃機研發方面取得階段性成果，簡單梳理如下：

(1)2021年12月21日，廣西玉柴機器股份有限公司在北京理工大學正式發布玉柴首臺商用車氫內燃機YCK05。玉柴YCK05燃氫發動機采用了高壓多點進氣道噴射技術、高效低慣量渦輪增壓技術、高效稀薄燃燒技術等多項先進的專項技術，并對整機結構、燃燒和配氣等子系統進行了全面優化升級，攻克了燃氫發動機易回火、易爆震等技術難題。據悉，玉柴在輕型、中型、重型燃氫發動機均開展了技術研究和儲備。

(2)2022年5月9日，在加利福尼亞舉辦的ACT Expo展會上，康明斯展示了其最新的15 L氫內燃機。該發動機基于康明斯最新的適用于多種燃料的發動機平臺，該平臺的發動機氣缸墊下方的大部分零部件結構相似，而氣缸墊上方則根據不同燃料的類型，采用不同的零部件組合。據悉，2021年7月，康明斯就已開始氫內燃機測試；2022年6月，康明斯宣布加入氫能發動機聯盟，該聯盟匯集了領先的行業代表，致力于推動氫內燃機技術研發。

(3)2022年6月8日，由一汽解放自主設計研發的國內首款重型商用車缸內直噴氫氣發動機成功點火并穩定運行。該款氫氣發動機屬13 L重型發動機，運轉功率超500 PS，指示熱效率突破55%，該機型所基于的零碳氫基內燃動力孵化平臺，具備氫氣單燃料缸內直噴、氫氣單燃料缸內和氣道混合噴射、氨氣和氫氣雙燃料噴射能力，可靈活轉化成氫氣、氨氣等凈零碳燃料產品。

(4)2022年6月15日，中國重汽、濰柴動力聯合發布全國首臺商業化氫內燃機重卡。該款車型為中國重汽全新一代黃河品牌高端重卡，搭載濰柴動力自主開發的13 L氫內燃機。該機采用精準氫氣噴射控制技術，實現氫燃料靈活準確供給，可充分滿足發動機工況需求；采用高效增壓、稀薄燃燒技術，解決了氫氣異常燃燒難題，確保發動機平穩高效運行；采用濰柴自主ECU系統，智能控制、自主可控，確保控制策略定制化開發；基于已有的氣體機產品平臺進行技術再延伸，可快速推動商業化落地。

(5) 2022年3月28日，東風商用車和清華大學聯合開發的車用重型氨柴發動機(與氫燃料相同，氨—氫能利用的載體也被認為是面向碳中和的理想的內燃機燃料)在清華大學成功點火。該機型依托東風13 L龍擎動力總成平臺，采用預混引燃技術實現穩定高效燃燒，采用液氨后處理技術實現更低排放控制，是東風在碳中和解決方案上的積極探索和實踐。據悉，清華大學系統地開展了氨氫、氨柴燃燒數值模擬和光學診斷基礎研究，并于2021年將射流燃燒技術應用于氨發動機，實現了在單缸機上成功點火。

玉柴K05氫內燃機點火并穩定運行

氫內燃機是對傳統內燃機的有效繼承和發展，內燃機或將繼續綻放新的光彩

據專業人士介紹，在結構繼承與生產成本方面，氫內燃機的基礎結構和燃油(氣)內燃機基本一致，其基礎零部件和生產制造系統基本可以通用；而且氫內燃機不用攜帶燃油(氣)內燃機必須攜帶的昂貴的排放處理系統。因此，傳統內燃機生產企業可以很容易拓展生產該機型。此外，氫內燃機可與現用的變速器相聯接，這樣一來，傳統內燃機企業生產氫內燃機車的產線改造成本不大。

另據時任全國人大代表，漢馬科技集團股份有限公司黨委書記、總經理劉漢如在2021年全國兩會期間提出的建議之一《鼓勵發展零碳排放氫氣發動機(內燃機)》介紹：“氫氣發動機(內燃機)的供氫系統與燃料電池相同，氫氣發動機(內燃機)本體與天然氣發動機(內燃機)接近，增加了氫氣噴射系統，其后處理主要處理NOx，甚至比柴油機還要簡單。其總體技術可靠性高、成本低。而且……氫氣發動機(內燃機)更適用于重載、非道路、建筑和專用商用車。”該建議還說：“我國目前也在大力發展氫能產業，現有工業副產氫制氫潛力在450萬t以上，可直接用于氫氣發動機，運營的加氫站也超過100座，發展潛力巨大。”

另據介紹，當前氫內燃機與氫燃料電池相近，也面臨著制備儲運成本高、配套設施短缺、能量密度較化石燃料低以及NOx排放等問題。但過去20年來在氫燃料電池、內燃機以及混合動力總成的技術進步，使得氫燃料內燃機可以充分利用現有產業基礎，促進其在車用動力中的應用。

從2020年開始，我國要在2030、2060年分別實現碳達峰、碳中和的目標，挑戰是巨大的。筆者認為，在實現“雙碳”目標的過程中，以新能源為重點的可再生能源(非化石能源)推廣的核心問題在于成本和應用便利程度。而氫內燃機在某些應用場景下，具備獨特的便利和成本優勢。因此，內燃機或將在碳達峰、碳中和的背景下繼續綻放新的光彩。