氫能在重卡動力總成應用現狀與展望

史玉梅，安 寧，鄭碧瑩，辛 英，徐勤學，劉 鑫

（1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261061）

隨著碳中和目標的提出，“低碳、清潔、安全、高效”的能源成為了發展新格局，而汽車工業發展帶來的環境污染、能源消耗已經成為重點研究治理對象，因此，有必要在汽車工業發展清潔低碳能源。據統計，汽車尾氣帶來的碳排放占我國碳總排放量的10.4%，其中重卡的碳排放量占整個汽車碳排放量高達 85%以上，是汽車工業降低碳排放量的重中之重[1]。隨著重卡銷量的逐年提高[2]，有必要在重卡行業開展新能源的推廣應用，實現降低碳排放量，這是實現碳中和目標的重要手段之一。

氫能是零碳能源的主要代表，具有綠色環保、資源豐富的優勢，因此，被逐步發展應用到汽車行業特別是重卡行業。當前，氫能在重卡行業的應用主要有三種形式：氫發動機、摻氫燃燒內燃機以及氫燃料電池。其中，氫發動機是指采用氫氣作為燃料在缸內燃燒產生動力，尾氣中幾乎不含任何污染性氣體或者很容易通過后處理處理掉的發動機；摻氫燃燒發動機指的是在內燃機當前燃料（柴油、汽油、液化天然氣等）中摻入氫氣以改變原來燃料燃燒特性、改善發動機性能；氫燃料電池是通過電化學反應將氫氣和氧氣反應生成的化學能轉化為電能后通過電機驅動車輛行駛。

為了促進氫能在重卡行業的發展，本文將研究分析氫內燃機、摻氫燃燒內燃機以及氫燃料電池等各技術適用性、當前研究應用狀態及氫能在重卡行業的發展，為氫能重卡動力總成規劃提供一定的參考。

1 氫內燃機

氫內燃機在傳統柴油機基礎上通過更改氫氣供給系統、增加點火系統、優化燃燒室等進行開發，當前主要是在乘用車上進行開發，而在重卡應用處于試驗室開發階段。

1.1 氫內燃機特性

由于氫氣的燃燒具有低位熱值較高、空氣中可燃極限較寬等優勢，是當前內燃機的理想低碳燃料。氫氣的辛烷值在130以上、自燃點在551 ℃左右，因此，氫內燃機可以承受更高的壓縮比；氫氣的燃燒速度大概是汽油燃燒速度的6倍以上，使氫發動機更接近理想奧拓循環，具有較高的熱效率[3]。由于氫氣中不含任何碳成分，所以發動機尾氣排放不含任何碳成分，僅有水分和氮氧化合物。所以氫發動機被認為是高效環保的一種內燃機。

1.2 氫內燃機分類

根據氫內燃機的進氣方式可以分為預混合噴射和缸內直噴兩種方式。其中，預混合噴射是氫氣和新鮮空氣在進氣道混合然后通過電子節氣門控制進氣量進入發動機缸內進行燃燒；缸內直噴是氫氣在高壓下直接被噴入到發動機缸內與空氣混合然后燃燒做功[3-4]。缸內直噴又可根據噴射壓力分為高壓噴射和低壓噴射；低壓噴射壓力通常在10 MPa以下，一般設置在1.5～6 MPa，而高壓噴射壓力通常在10 MPa以上[4]。預混合氫發動機采用的噴射壓力在 0.5～3.0 MPa，由于氣門重疊角的存在及氫氣密度較低，極容易發生缸內混合氣回流，導致混合氣異常燃燒發生回火問題；氫氣與新鮮空氣混合不均勻程度較高，發動機缸內燃燒循環變動增加，引起發動機功率扭矩變動較大[3-4]。與預混合氫內燃機相比，缸內直噴氫內燃機一般是在發動機壓縮終點進氣門關閉時將氫氣噴入到缸內進行燃燒，可以有效地避免發動機發生回火燃燒。同時，缸內直噴氫發動機的過量空氣系數可以更寬，發動機熱效率更高，提高發動機經濟性。但是氫發動機采用缸內直噴后，發動機缸內混合氣燃燒速度更快，導致發動機的熱負荷更高，對氣門、缸蓋等各關鍵零部件的要求更高；氫氣單獨進入發動機缸內需要較高的噴射壓力，因此，對噴嘴的耐久可靠性帶來新的挑戰；發動機可以在氫氣超稀薄狀態下燃燒，極容易形成高溫富氧狀態引起氮氧化合物的超高問題。

1.3 氫內燃機應用研究

氫內燃機無論是采用何種進氣方式，均容易發生早燃、爆震問題，是當前氫內燃機面臨的技術瓶頸。當前解決這些問題通常采用進氣噴水、廢氣再循環閥（Exhaust Gas Recirculation, EGR）技術、改變噴射相位角、噴射壓力等技術。WIMMER A研究發現，隨著噴射相位推遲，發動機燃燒放熱率下降同時缸壓出現下降趨勢[5]。ROTTENGRUBER H研究發現在發動機轉速和平均指示壓力一定時，隨著噴射壓力的降低發動機熱效率也降低[6]。YE等研究發現，隨著氫氣噴射時刻的推遲，缸內燃燒爆震呈現出較強趨勢[7]。KAWAMURA A研究認為氫氣噴射時刻推遲，可以有效降低NOx排放，但導致發動機燃燒的循環變動增加、發動機容易發生異常燃燒[8]。BLEECHMORE C對采用當量燃燒技術的氫內燃機分別使用冷熱態EGR后，NOx排放均呈現出下降趨勢[9]，這和ANTONELLI M研究結果相一致[10]。但是氫內燃機在使用EGR技術后，燃燒放熱率下降，其性能會受到影響[11]。2021年，康明斯已經宣布6.7 L中型氫燃料發動機和15.0 L重型氫燃料發動機進行研發生產，這將進一步促進氫內燃機的發展，實現氫內燃機在實際應用[12]。

與傳統內燃機相比，氫內燃機在排放上有明顯的優勢，可以認為是當前比較理想的低碳內燃機。雖然，當前氫內燃機在實際開發時還存在上述常見問題，但是隨著氫能相關技術的發展，上述問題是可以解決的，因此，氫內燃機具有廣闊的應用前景。

2 摻氫燃燒內燃機

內燃機無論是柴油、汽油等傳統燃料還是天然氣、氨等新型燃料均可進行摻氫燃燒，達到改善內燃機性能和排放的目的，如果在柴油或者汽油等液體燃料中摻氫燃燒，需要對發動機進行重新設計且增加單獨的氫氣供給系統。天然氣特別是壓縮天然氣燃料本身就以氣態運行，無需額外增加氫氣供給系統和天然氣共用；天然氣發動機本身就是點燃運行，所以可以直接利用天然氣發動機進行摻氫開發。當前天然氣輸送管路建設已經很完善，但氫氣在制備、輸送等的發展動力不足且價格昂貴，因此，在天然氣摻氫（HCNG）是當下比較理想的選擇[13]。

基于我國 GDP 變化趨勢和天然氣汽車保有量變化趨勢進行回歸分析，預計我國 2030年和2060年天然氣汽車保有量分別為2 000萬輛和7 000萬輛[13]。假設認為我國重卡年正常行駛里程15×104km，平均氣耗為5.7 kgNG/100 km，考慮摻氫比為20%，那么2030年和2060年，我國在天然氣車輛可消耗氫分別達47.67×108m3和166.85×108m3，這對于減少碳排放具有深遠的意義[13]。

BYSVEEN M通過在相同過量空氣系數下比較天然氣發動機和摻氫天然氣發動機（體積分數為 29%）的排放，可知摻氫天然氣發動機的排放明顯降低[14]。ORHAN通過對天然氣的燃燒特性分析可知，天然氣摻入少量氫氣后發動機的抗爆性能改變不大但是發動機的燃燒氣耗明顯下降且排放得到顯著改善[15]。MASAHIRO研究發現天然氣發動機摻氫燃燒后發動機燃燒極限拓寬，可適應較高的壓縮比以及更高的熱效率[16]。王金華等研究了 0～18%的摻氫比對天然氣發動機的排放影響，結果表明，在缸內直噴火花點火發動機上開展天然氣摻混比可以有效地降低碳氫化合物（HydroCarbon, HC）排放，但是對碳排放影響不大[17]。馬凡華等對不同摻氫比的天然氣發動機進行了研究，摻氫后可以有效地拓寬天然氣發動機的稀燃極限。點火時刻推遲對NOx的排放影響不大，但是 HC的排放隨著摻氫比的增加而持續降低[18]。劉亦夫等研究發現，使用EGR后的天然氣發動機NOx排放會隨摻氫比的增加而上升[19]。

中國已經發布了《車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣》（GB/T 34537—2017）確定了天然氣摻氫比不超過 20%[20]，同時《天然氣摻氫混氣站技術規程》（征求意見稿）的發布將促進加氣站的發展。天然氣摻氫比在 20%可以確保發動機正常工作同時無需重新設計相關零部件只需對發動機的控制數據進行標定即可[21]。

3 氫燃料電池

無論氫內燃機或者是摻氫燃燒發動機均屬于內燃機范疇，而另一種氫能利用方式則為氫燃料電池。《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》指出需經過 15年將燃料電池汽車進行商業化應用[22]。與氫內燃機相比，氫燃料電池具有噪音低、能量密度高、排放無污染的優勢，但是氫燃料電池對氫氣純度要求較高；與純電動相比，氫燃料電池具有續航里程長、加注時間短的優勢，同時對于有行駛路程規定的重卡來講，輸氫管路布置相對容易，有利于促進燃料電池在重卡的應用發展[23]。

3.1 氫燃料電池應用研究

當前氫燃料電池應用主要面向公交車輛，在重卡應用還處于探索階段[24]。在國內主要的重卡主機廠中，重汽和陜汽分別裝氫燃料重卡進行試運行取得了一定的效果；2021年 11月上汽紅巖30臺搭載氫燃料電池的重卡在鄂爾多斯煤礦啟動試運營儀式。在國外，早在2015年美國能源部就要求實現氫燃料電池市場化；2020年戴姆勒開始關注氫燃料電池重卡技術，并與沃爾沃合資生產重卡用燃料電池；日野計劃在2025年開發出燃料電池重卡車，韓國現代與歐洲國家進行合作，計劃推出續航里程達400 km氫燃料電池重卡汽車[25]。

3.2 氫燃料電池技術發展方向

我國氫燃料電池技術已經穩步前進，但是相對歐美日韓等國家存在著一定差距。我國燃料電池的功率等級范圍在80～120 kW，這與傳統能源重卡需求功率300 kW以上相差較大。另外，傳統能源重卡一般要求續航里程在500 km以上，壽命超過8年或者70萬公里以上；美國等國家的先進燃料電池壽命在10 000 h以上，這些對燃料電池在商用車大規模應用有一定的阻礙，因此，氫燃料電池在商用車上應用推廣需要解決以下相關問題。

1）氫燃料電池關鍵核心技術問題。隨著國家政府大力支持氫能的發展，在氫燃料電池技術已經取得了十足的進步，已經逐漸開始在商用車上使用。但是在關鍵核心上，與先進國家差距較大，如：催化劑、質子交換膜、空壓機、氫循環泵等關鍵零部件在國內生產能力不足、技術水平低，主要是依靠進口滿足當下市場需要。電池極板在商用車還未采用高功率密度金屬雙極板，主要采用石墨板或者復合板等[26]。針對氫燃料電池技術發展，需要各部門系統攻關，發揮集體攻關優勢，促進氫燃料電池的技術發展。

2）降低氫燃料電池成本。在重卡市場，購車成本和運營成本是重卡車輛的成本的主要源頭，持續降低相關成本可以進一步提升氫燃料電池的競爭力。氫燃料電池關鍵核心零部件的發展及國產化能力的提升將進一步降低車輛運行費用；在運營成本需要充分利用國家相關政策，推動氫燃料相關產業發展，降低氫燃料的成本[27]。

3）在國外氫燃料電池已經在乘用車應用，而在重卡等商用車應用我國已經率先初步實現市場化，因此，有必要借助氫燃料電池在重卡應用這一優勢提升氫燃料電池的技術發展，帶動氫能相關產業的發展[28]。

4 氫內燃機和氫燃料電池發展展望

隨著碳達峰和碳中和的提出，氫能在重卡應用越來越被提及。氫內燃機和氫燃料電池均是將氫氣的化學能轉化為機械能，不同的是氫內燃機在傳統內燃機上進行更改，但并未改變內燃機的實質結構，因此，氫能可以認為是重卡傳統內燃機理想的替代燃料。氫燃料電池工作效率在 60%以上，遠超過內燃機效率，被認為是新能源理想動力總成[29]。兩者可以進行有機結合，進一步推動重卡商用車低碳化甚至無碳化進程發展。

4.1 氫能重卡應用分析

當前氫燃料電池主要用于城市環境，考慮到我國重卡市場基數龐大并且重卡是高能耗和高污染大戶，因此，在重卡應用氫能可有效的進行節能減排。對于氫能在重卡的使用，除了技術發展限制外還需考慮車輛的使用環境。重卡的行駛路線通常是長途干線或者有相對固定路線且工作時間長，因此，對于加氫站的選址建設也相對簡單[30]。

4.2 氫能重卡發展展望

當前我國無論是氫內燃機還是氫燃料電池整體水平偏低，而氫能研究很火但是并未形成產業優勢，特別是氫內燃機處于研究起步階段或者試驗研究狀態，并未得到推廣應用。而電解水氫能的來源仍舊是以煤制氫為主，而未形成可再生能源制氫模式，這都限制了氫能在重卡的應用。因此，氫能重卡的發展需要制定科學的發展戰略，促進重卡在節能低碳的方向發展。

1）隨著國家政策的支持、“雙碳”目標戰略、2022年北京冬奧會和成都大運會的舉辦，作為低碳可再生能源的氫能，將會推動氫能的基建日益完善，制氫、運氫、儲氫等相關技術的發展必將打通氫能中上游產業發展，形成完整的氫能產業鏈[31-33]，因此，氫能基建、技術等決定著氫能重卡的應用推廣程度。

2）氫內燃機和氫燃料電池的開發正在各國家如火如荼開展，當氫能相關技術產業得到發展后，兩種動力總成也將得到充分發展。無論是純氫發動機還是摻氫發動機對氫的純度要求都較低，而氫燃料電池對氫純度要求較高，這一特性決定了氫燃料電池的成本和技術要求高于氫內燃機。氫燃料電池得到政府補貼支持且已經在城市車輛進行應用，氫內燃機擁有成熟的開發經驗、價格低廉等優勢，氫內燃機也擁有較強的競爭力[34]。因此，氫內燃機和氫燃料電池在日后一定時間段內均會成為重卡的理想動力總成[34-35]。考慮到氫內燃機的技術、排放的特殊性可認為是低碳無污染的過渡動力總成方案之一，擁有廣闊的應用前景。而摻氫內燃機的排放中的依舊存在著碳排放，只能是減碳的技術之一，在未來大規模應用需要評估摻氫產業的發展等。

5 結束語

隨著低碳節能的需求和重卡的發展，氫能作為低碳環保的能源日益受到關注。而氫能在重卡的應用主要是氫內燃機和氫燃料電池兩種動力方式。隨著技術的發展和低碳需求，氫燃料電池將是最終理想動力總成的方式。而氫內燃機特別是純氫發動機將是在重卡應用的動力總成補充之一，擁有光明的應用前景。隨著氫能示范城市的推廣，氫能相關上游技術的發展和產業化建設等也得到了發展，對降低氫能供給成本、促進氫內燃機和氫燃料電池技術發展帶來有利的幫助。結合國家政策及對低碳節能減排的需求、重卡龐大的市場，氫能將在重卡得到充分應用并逐步代替傳統柴油機，形成氫內燃機和氫燃料電池相互補充共同進步的兩種無碳排放動力總成。