氫內燃機能否延續柴油機的輝煌

李 霖 黃 磊

(東風商用車技術中心，湖北武漢，430056)

為達成運輸板塊碳中和，重卡行業內已基本達成共識：未來，純電動卡車和氫燃料電池卡車將全面取代柴油卡車。但在此之前的數十年，由可持續生物燃料和氫氣等替代燃料提供動力的內燃機將占據相當一部分市場份額。一方面，目前的純電動和燃料電池技術尚未準備好滿足許多重型車輛在惡劣條件下(尤其是非鋪裝道路)所需的高功率要求，例如采礦卡車，而氫內燃機(H-ICE)恰恰適用于這些應用場景。另一方面，如何繼續利用現有的內燃機技術和生產設施也是當前面臨的嚴峻課題，已經有一些重卡主機廠和發動機供應商將開發的目標瞄準了氫內燃機，期待著此舉能夠延長內燃機的壽命。

氫內燃機可以采用零碳燃料，且與現有車輛相兼容。因其對車輛改動很少，初始應用成本較低、車輛續駛里程長、加氫時間短、動力總成安裝通用性強以及最終用戶熟悉程度高等優勢，氫內燃機在車輛上的應用有望進一步加速。

1 氫內燃機的優劣勢

氫氣和可以在與當前柴油發動機基本相同的內燃機中燃燒。雖然氫內燃機仍會排放氮氧化物(NO)，需要進行類似于柴油發動機的后處理。但一些氫內燃機生產商認為，氫內燃機的運行條件可實現比柴油發動機低得多的NO生成，因此可以認為是零影響。事實上，由于廢氣處理要求較低，它們可能比柴油發動機更便宜(盡管需要進一步研發該技術)。

(1)氫內燃機的優勢包括：

· 使用綠氫時可實現CO零排放；

· 使用藍氫時有一定的CO排放；

· 采用SCR后處理時可控制NO排放水平；

· 原理及結構類似柴油機(但需要儲氫罐)；

· 與傳統柴油機尺寸相當；

· 較低的有效載荷損失和空間要求；

· 加氫時間15~30 min (取決于儲氫量)；

· 較低的成本；

· 較高的熱和振動耐受性。

(2)氫內燃機的劣勢包括：

· 有NO排放；

· 發動機需要適當更改；

· 增加了儲氫罐；

· 需要氫配送和加注基礎設施支持。

目前已知的零排放技術路線主要為：純電動汽車(BEV)、氫燃料電池電動汽車(FCEV)、氫內燃機(H-ICE)和生物燃料或合成燃料內燃機(如果使用可持續碳源)，這4種零排放技術各自具有不同的優點和缺點，導致不同車型的適用性水平不同。下表從CO強度、空氣質量、油井-車輪效率、動力總成資本支出、限制條件等方面對這4種技術路線進行了對比：

表1 4種零排放技術路線對比

氫內燃機可以利用現有的柴油機產品及技術，但仍需要做出一些適應性變更，通常包括下列部件：

· 活塞、壓縮比、氣門、座圈；

· 點火系統；

· 帶H噴射器的進氣系統、H燃料供給；

· EGR系統、渦輪增壓器；

· 催化轉化器(H-SCR)；

· 控制系統。

氫內燃機可以在多種應用中發揮作用，為FCEV和BEV提供補充解決方案。尤其是重型卡車和其他高負荷應用，如采礦、海運和鐵路。氫內燃機的優勢包括：較低的有效載荷損失和空間要求，比BEV卡車更快的補能時間，較低的成本，以及較高的熱和振動耐受性。

各種車輛細分市場可以從這些優勢中受益，包括：

· 輕型車輛，如掛車；

· 中型車輛，如中型運輸車和消防車；

· 重型車輛，如混凝土卡車；

· 采礦和施工車輛，如履帶式推土機、挖掘機和自卸卡車；

· 農業車輛，如收割機械和拖拉機。

2 氫內燃機開發動向

包括主機廠、發動機供應商、工程服務公司和氫內燃機初創公司在內的一些公司已經開始研究氫內燃機，作為其公路和非公路零排放解決方案的一部分。

此外，還有一些參與者正在積極開發氫內燃機、燃料電池和電池的混合解決方案，以最大限度地提高可變負載模式的效率。

2.1 達夫

達夫開發的“H創新卡車(HInnovation Truck)”是迄今為止唯一一款依靠氫內燃機運行的卡車，這款XF氫內燃機卡車被評為了2022年的年度創新卡車。達夫正在緊鑼密鼓地對車輛進行開發、測試和完善，力圖早日將其推向市場。

圖1 DAF的H2創新卡車

圖2 改造后的PACCAR MX-13發動機

目前正在測試中的達夫XF氫內燃機卡車采用了一臺改造過的PACCAR MX-13發動機，車橋和變速箱采用新一代達夫XF卡車的標配。對內燃機的更改包括用發動機火花塞替換噴油單元、更換活塞以實現更好的燃燒、安裝電動渦輪增壓器以及用氫氣噴射系統替換進氣口。與燃料電池氫解決方案相比，內燃機具有瞬態能力(無需大型儲能系統)。其他優點包括所需的冷卻能力較低和對氫氣純度的敏感性較低。

這種做法比重新開發一臺氫內燃機來說成本更低，也能讓保有量巨大的柴油發動機看到未來的曙光。據達夫的描述，氫內燃機版本的MX-13動力表現依舊出色。除了發動機的聲音相比柴油發動機更小之外，差別基本不大。同時，得益于車輛的采埃孚TraXon變速箱，平順性方面十分不錯。

圖3 H2創新卡車的底盤布置

在底盤左側，原用于安裝柴油油箱的位置都隨著柴油箱的消失而被讓出，取而代之的是4個尺寸巨大的液氫罐，可容納 90 L/10 kg的氫氣，以 350 bar的壓力加注。車輛采用了復合碳纖維儲氫罐。在目前，全球能生產這種罐體的廠家不多，而且制造價格十分高昂，這也是需要面對的問題。

底盤的右側仍然是空的，將來，可以在那里安裝后處理系統，使動力總成滿足歐VII 甚至更高的排放標準。目前，H概念卡車的續航里程可以達到 120 km，但達夫認為它可以達到更實用的600 km。

在路上行駛的感覺很像柴油發動機卡車，駕駛體驗的差異也不大。

達夫估計，H概念卡車準備上市還需要5~7年的時間。到那時，如果定價合適，沒有理由認為它不會成功——但它將面臨來自“傳統”氫卡車甚至電動卡車的強大阻力。然而，這一發展最重要的意義并不是這輛卡車的銷售潛力。相反，這可能意味著內燃機仍然為運輸業提供了巨大的潛力，尤其是在重型長途運輸領域。

2.2 康明斯

康明斯認為，電動動力和燃料電池動力總成應用前景可期，與此同時，借助可靠的內燃機技術，以綠氫為燃料的氫內燃機將成為未來零排放解決方案的重要補充。

2021年7月，康明斯宣布開始測試氫燃料內燃機。概念驗證測試是建立在康明斯現有的氣體燃料應用技術和動力系統基礎之上，目標是創造一個新的動力解決方案。在概念驗證測試之后，該公司計劃在各種公路和非公路應用中對發動機進行評估。

圖4 康明斯X15H氫內燃機

2021年9月，康明斯公司宣布其H-ICE氫燃料內燃機計劃，開始開發中型6.7 L和重型15 L氫燃料發動機。新的15 L平臺將為車輛總重高達44 t的長途卡車和其他重型應用卡車提供氫燃料發動機。6.7 L氫發動機的開發將集中于中型卡車、公共汽車和建筑應用，如挖掘機和輪式裝載機。

2022年5月 9日，在加州舉辦的ACT Expo 展會上，康明斯展示了其最新的15 L氫內燃機X15H。X15H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。

2021年 7月開始的氫內燃機測試已實現了設定的功率和扭矩目標，其中型發動機扭矩超 810 ftlbs，馬力超290 hp(編者注：hp，英制馬力，1 hp約為746 W)。此外，更先進的原型機測試也將很快開展。依托康明斯全球強大的生產基地布局，可快速實現規模化生產，預計將于2027年全面投產。

2.3 西港

2022年5月3日，西港燃料系統公司(Westport Fuel Systems)推出了一種新型氫HPDI燃料系統，可以在重型卡車發動機中燃燒氫氣，幾乎沒有碳排放，且動力性能還優于柴油發動機。

西港在一輛演示卡車上展示了其氫內燃機用HHPDI燃料系統，通過改善原有的LNG HPDI系統，在經過改造的內燃機中燃燒氫氣，幾乎沒有碳排放，性能優于基礎柴油發動機機型。展示的動力系統包括一臺OEM基礎發動機、HPDI 2.0噴油器和相關軟件，以及一臺低溫高壓泵，儲氫罐可能安裝在駕駛室后部。

新的 HHPDI 燃料系統基于西港公司的HPDI(高壓噴射)燃料系統技術，之前西港已經做到在重卡上使用生物甲烷和天然氣等替代燃料運行，并且其功率、扭矩、效率和性能絲毫不遜于柴油發動機。現在西港公司將原有HPDI燃料系統進行優化調整，實現支持燃燒氫氣運行，不僅能滿足更嚴苛的排放法規，而且動力表現更為突出。

類似于柴油發動機，西港的HHPDI燃料系統也采用壓燃式燃燒，但不能直接燃燒氫氣進行做功，它需要借助其他燃料引燃氫氣。

西港在HHPDI燃料系統中設計了一種雙同心針噴油器，一個噴油嘴上有內外兩圈噴孔，內側噴孔可以噴出少量柴油，外側噴孔可以噴射大量氫氣，這套噴油器是西港的專利產品，也是其HHPDI燃料系統的核心技術之一。

氫內燃機的做功過程大致可以分為兩步：首先，在壓縮行程上止點前往氣缸中噴入少量柴油，柴油被壓燃作為先導點火；然后將大量氫氣高壓噴射到柴油火焰中，氫氣作為主燃料燃燒做功。

HHPDI燃燒保留了基礎發動機的高壓縮比，氫氣燃燒做功不會超過發動機機械極限，卻可以產生比柴油發動機更高的峰值扭矩和功率。另外，由于柴油先導點火，在壓縮行程結束前才噴射氫氣，氫氣持續燃燒的時間比較長，不容易造成發動機爆震，這也解決了氫氣燃料的一個重大缺陷。

圖5 配備H2 HPDI燃料系統的演示卡車

引燃燃料目前采用柴油，不過Westport表示正在努力消除未來對柴油引燃的需求。由于使用柴油作為引燃燃料，所以排放總量減少了98%，而不是100%，而且仍需要一個小型的柴油箱和后處理系統。

Westport HHPDI的亮點：

· 功率和扭矩：比基礎柴油發動機的功率和扭矩高20%；

· 效率：比基礎柴油發動機的熱效率高5%~10%；

· 渦輪增壓13 L直列六缸發動機；

· 燃料：氫氣，采用引燃點火燃料(柴油)；

· 四循環，壓縮點火，直接噴射。

2.4 Keyou

2022年4月，Keyou，一家致 力于開發創新的氫能技術的德國公司展示了兩輛配備氫發動機的商用車輛——一輛18 t的卡車和一輛12 m城市公交車，這兩款車都基于現有的柴油發動機平臺開發。核心是KEYOU獲得專利的KEYOU-inside系統，未來將主要用于改造現有車輛。

自 2015 年以來，KEYOU一直在開發可用于將傳統內燃機轉變為無排放物氫發動機的氫氣相關技術、組件和燃燒過程。在此過程中，KEYOU已成功地從柴油發動機平臺開發出迄今為止世界上最高效的氫氣發動機。展示的兩款原型車均基于KEYOU開發的7.8 L氫發動機。18 t卡車基于戴姆勒 Actros 底盤。

集成工作于 2022年 1 月開始，由來自歐洲特種車輛制造市場領導者Vilshofen的 Paul Nutzfahrzeuge GmbH負責。繼成功地將發動機集 成到車輛中之后，計劃在慕尼黑附近進行首次試駕。預計最早將于2022年夏天完成對示范車的批準，以使這輛 18 t卡車在公共道路上行駛以進行示范運行。

12 m長的城市公交車以及18 t重的卡車將在2022年9月的IAA交通運輸展上首次亮相。

為了與柴油車輛相提并論，配備氫發動機的車輛必須滿足對標柴油機的眾多參數。除了價格，重點是續駛里程、魯棒性和日常使用的適用性。這是車隊運營商在不必放棄其商業模式的情況下走向“綠色”的唯一途徑。

KEYOU開發氫發動機和改造車輛的方式縮小了“零排放”和成本效益之間的差距。例如：這兩種車型的續航里程都超過 500 km。發動機的輸出功率為 210 kW，不僅提供了足夠的動力，而且在苛刻的 WHTC 參考循環中仍低于歐盟定義的零排放 CO限值。此外，這些產品無需昂貴的廢氣后處理裝置，即可很容易地滿足歐VI排放標準，而這在以前被認為是絕對必要的。下一步是在試驗車道和公共道路上證明這些值。

為了實現商用車板塊的氣候保護目標，針對現有車輛的解決方案也必不可少。KEYOU所開發技術的一大優點在于它可以應用到現有市場。這是因為該技術不僅耐用、可靠且不依賴于稀土，而且還為最終客戶提供了與柴油相當的成本結構——尤其是總體成本。只需要對底層基礎發動機進行少量更改，并且現有的內燃機基礎設施可以用于發動機和車輛的生產。

與其他制造商不同，KEYOU 并不打算生產自己的車輛和發動機。相反，這家總部位于慕尼黑的氫能專家正專注于新車和現有車輛的進一步開發和改造。未來 10 到 15 年，全球仍將生產數百萬輛柴油車，尤其是商用車板塊。

2022年的整車試驗結束后，KEYOU計劃在2023年底與先鋒客戶一起進行密集的用戶試驗。試驗期間將針對各種應用場景，在真實條件下進行技術和車輛測試。到 2024 年，將再增加2個發動機平臺，然后將用于更多地應對現有市場上的需求。

圖6 配備氫發動機的18 t卡車

圖7 配備氫發動機的12 m城市公交車

2.5 國內廠家

除國外廠家外，國內的一些主機廠也啟動了對氫內燃機的研究。

2021年12月，玉柴研發出燃氫發動機YCK05N并成功點火運行，面向重卡領域的YCK15N燃氫發動機也會在2022年上半年實現點火。YCK05燃氫發動機的有效熱效率媲美氫燃料電池動力，采用了超稀薄清潔燃燒的技術路線、氫氣專用SCR后處理、進氣道高壓多點噴射、小慣量高效渦輪增壓器，解決了燃氫發動機易早燃易回火的情況，熱效率達到42%，且真正實現零污染排放。

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。氫氣發動機排量為13 L，運轉功率超500馬力，同級排量動力最強，指示熱效率突破55%。這款氫氣直噴發動機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。

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，可商業化應用到港口、城市、電廠、鋼廠、工業園區等特殊運輸工作場景。濰柴動力自2018年起開始布局氫內燃機技術，這款氫內燃機實現了有效熱效率41.8%。

3 結語

從技術角度來看，將普通內燃機改造為氫內燃機相對容易。同時，還可以充分利用成熟的內燃機設計、制造技術及現有的生產設施。綠氫的供應主要有2種方式：通過可再生能源電解制氫再進行配送，或者采用現場制氫的方式。現階段氫內燃機應用的最大阻力在于氫加注基礎設施投入巨大以及氫內燃機卡車的TCO成本顯著高于柴油卡車。

依賴于氫燃料電池技術的發展，可能會推動解決這一障礙。盡管這兩種技術在某些應用中可能存在競爭，但更有可能的是，這兩種技術都有助于增加氫氣在未來動力系統組合中的份額，并推動彼此的成功。氫內燃機和氫燃料電池兩種動力系統需要(很大程度上)相同的基礎設施。因此，每輛H-ICE車輛將有助于降低氫燃料電池的成本，反之亦然。類似地，兩種動力系統共享相同的儲氫罐技術——占動力系統總成本的很大一部分。允許主機廠和儲罐供應商將研發和資本支出分攤到更多的車輛上，將有助于降低所有氫燃料車輛的成本曲線，并支持這兩種解決方案的競爭力。

商用車板塊減排的最大特點在于其應用場景的多元化，必須通過不同的技術路線和細分產品才能滿足相應的需求。在過渡期內，氫內燃機仍是一種可行的技術路線。但長遠來看，氫內燃機較低的能源轉化效率決定了它最終會被其他兩種路線(純電動和氫燃料電池)代替。

6月初，美國能源部(DOE)發布了一份意向通知，計劃提供80億美元資金，以在美國各地發展區域清潔氫樞紐(HHubs)，加速氫作為清潔能源載體的使用。早在2021年，美國能源部就推出了Hydrogen Shot計劃，以在10年內將清潔氫氣的成本降至每公斤1美元(“1 1 1”)。政府對氫內燃機卡車以及氫加注基礎設施建設給予補貼，大大降低氫內燃機卡車的TCO成本，無疑將加速其推廣應用。