雙碳背景下全球氫內(nèi)燃機發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

陳 雷，Zurnstein Christian，唐榮彬，李 志

（1.道依茨（北京）發(fā)動機有限公司，北京 100004；2.道依茨（上海）國際貿(mào)易有限公司，上海 200333；3.大陸汽車電子（長春）有限公司，長春 130000）

氣候變化是全人類面臨的共同挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)在21世紀末將全球溫升控制在不超過工業(yè)化前1.5 ℃的目標，全球需要大幅減少CO2排放。2020年，我國能源系統(tǒng)CO2排放約為113 億t（含工業(yè)過程排放），約占全球碳排放量的1/3[1]。隨著碳達峰碳中和（簡稱雙碳）目標的提出，2050年以前，我國在碳減排領(lǐng)域?qū)⒚媾R前所未有的挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我國大力發(fā)展太陽能、風能等綠色能源，但其具有隨機性及波動性，在時間和空間上無法與社會用能需求匹配。氫氣有極高的能量密度，而且具備可再生、清潔無污染的特質(zhì)，不僅可以替代化石能源，還可作為長期儲能介質(zhì)，彌補太陽能、風能等綠色能源的劣勢，被視為未來重要的能量載體。氫內(nèi)燃機（HICE）作為重要的氫能應(yīng)用設(shè)備，不僅繼承燃油內(nèi)燃機的優(yōu)點，還有助于解決CO2及污染物排放問題，具備產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化推廣條件。

1 氫內(nèi)燃機的優(yōu)勢

氫氣具有熱值高、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁U散系數(shù)高、燃燒范圍廣等優(yōu)點，非常適合作為內(nèi)燃機的燃料。作為內(nèi)燃機燃料，氫氣具有多個優(yōu)點：燃燒濃度范圍大，容易實現(xiàn)稀薄燃燒，減少氮氧化物（NOx）排放，提高熱效率；火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤墒谷紵愃贫ㄈ葸^程，燃燒效率高；自燃溫度和辛烷值較高，可使HICE 實現(xiàn)較高的壓縮比來提高熱效率；點火能量低，使HICE 具備良好的啟動性能；在空氣中的擴散速度快，更容易形成均質(zhì)混合氣；有害排放物少，若不考慮滑油燃燒，尾氣不含CO2、CO、顆粒物等污染物，NOx排放水平較低。

HICE 與氫燃料電池作為重要的氫能動力設(shè)備，得到各國相關(guān)領(lǐng)域關(guān)注。氫燃料電池以其效率高、零排放、零噪聲等優(yōu)點被認為是未來理想的動力設(shè)備，但成本高、壽命低、響應(yīng)速度慢等缺點使其難以在短期內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。與氫燃料電池相比，HICE 也可實現(xiàn)零碳排放，還具有多個優(yōu)勢：一是制造成本更低，僅比燃油內(nèi)燃機高15%左右[2]；二是壽命更長，與燃油內(nèi)燃機相當；三是具有完整的零部件供應(yīng)、產(chǎn)品組裝與售后服務(wù)體系，不影響基于燃油內(nèi)燃機的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；四是可燃燒粗氫，降低氫氣制備端成本；五是功率范圍廣，可覆蓋1～10 000 kW 使用需求。

2 氫內(nèi)燃機企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)進展

HICE 的研發(fā)已有幾十年歷史。早在20世紀70年代，美國福特、德國奔馳、德國寶馬等企業(yè)先后展開HICE 的研發(fā)，隨后日本馬自達、中國長安等也先后投入研發(fā)。隨著研究的深入，回火、早燃、爆燃、動力不足等問題相繼出現(xiàn)，而且當時車載儲氫技術(shù)、氫氣基礎(chǔ)設(shè)施不完善，德國寶馬等公司先后暫停研發(fā)工作。近年來，隨著材料、化工、機械加工等領(lǐng)域的技術(shù)進步及氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善，全球內(nèi)燃機企業(yè)及科研機構(gòu)紛紛重啟相關(guān)研發(fā)，并加大投入，密集發(fā)布基于燃油內(nèi)燃機平臺的HICE。全球HICE 相關(guān)研發(fā)及產(chǎn)品情況如表1所示。

表1 全球內(nèi)燃機企業(yè)HICE 研發(fā)進展

3 氫內(nèi)燃機技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 從進氣道噴射到缸內(nèi)直噴

HICE 屬于點燃式發(fā)動機，可分為兩種類型，即進氣道噴射和缸內(nèi)直噴。進氣道噴射是將氫氣噴射到每個進氣口的進氣歧管中，噴射時刻在排氣沖程末段或進氣沖程初段，噴射壓力為0.5～3.0 MPa，容易形成均勻混合氣，技術(shù)成熟，成本低，噴嘴工作環(huán)境較好，但有一定回火風險，升功率較低。缸內(nèi)直噴是在進氣閥關(guān)閉后氫氣通過高壓噴嘴直接噴入缸內(nèi)，無回火現(xiàn)象，而且可提升混合氣能量密度，提高熱效率，但具有較高的噴射壓力[3]，對噴嘴的耐磨性和密封性要求高，降低車載儲氫效率。現(xiàn)階段，由于缸內(nèi)直噴噴嘴處于研發(fā)階段，多數(shù)內(nèi)燃機廠商采用進氣道多點噴射方式加快產(chǎn)品示范應(yīng)用，積極參與缸內(nèi)低壓直噴的研發(fā)，逐步提高HICE 的升功率及熱效率。

3.2 廢氣再循環(huán)+稀薄燃燒降低NOx 原始排放

氫氣燃燒范圍廣，因此更容易實現(xiàn)稀薄燃燒，有效減少NOx排放。從圖1 可以看出，當空燃比介于1.5～2.0 時，燃燒過程最高溫度隨空燃比增大而降低，從而使NOx排放大幅度下降，同時可減小壁面損失，提高燃燒效率；高過量空氣系數(shù)使混合氣中氮氣和氧氣占比較高，也可有效降低混合氣的爆燃敏感度。

圖1 氫內(nèi)燃機運行時混合氣的NOx 和O2 濃度及燃燒溫度

然而，僅采用稀薄燃燒技術(shù)無法滿足NOx排放限值要求，且較大的過量空氣系數(shù)給增壓器選擇帶來困難，采用廢氣再循環(huán)（EGR）技術(shù)是一種有效的方法。EGR 技術(shù)可降低燃燒溫度和速度，使最大爆發(fā)壓力出現(xiàn)的相位角和放熱反應(yīng)始點后移，減少原始NOx排放，降低爆燃敏感性。研究顯示[4]，廢氣再循環(huán)率為15%時，NOx排放可大幅降低，并且不會對發(fā)動機的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。采用EGR 技術(shù)，也可有效降低發(fā)動機的過量空氣系數(shù)，其他條件不變時，廢氣再循環(huán)率增加5%，空燃比降低0.15～0.20，當廢氣再循環(huán)率為15%時，空燃比比不使用EGR 技術(shù)時低0.5[5]。

3.3 更高效的廢氣渦輪增壓策略

氫氣火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤僧a(chǎn)生較為理想的等容過程，提高整機熱效率，減小廢氣中的能量。研究顯示，由于氫氣在缸內(nèi)的快速燃燒，廢氣中的能量會降低25%，若混合氣進一步稀釋，在空燃比為1.6 的情況下能量會降低40%。較低的排氣能量和較大的進氣需求給增壓過程帶來挑戰(zhàn)。HICE 有多種燃燒增壓方式，如電動增壓、雙渦輪增壓、調(diào)節(jié)式增壓和變渦輪截面（VTG）增壓等，經(jīng)對比，VTG 增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可實現(xiàn)升功率段的有效提高，而且HICE 廢氣溫度較低，廢氣排放量少，可顯著提升VTG 增壓器的穩(wěn)定性和壽命。

4 氫內(nèi)燃機大規(guī)模應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)

目前，我國化石能源制氫成本為6～16 元/kg，電解水制氫（采用谷電）成本為18～20 元/kg，氫能在經(jīng)濟上仍無法與化石能源競爭。此外，氫氣容易導致存儲材料氫脆，密度小導致儲運效率低，易燃易爆導致儲運過程受限，諸多問題也是制約HICE 快速發(fā)展的重要因素。氫氣的特殊性質(zhì)要求部分HICE 零部件具備更高的性能。例如，氫氣噴嘴需要更高的體積流量，同時耐磨性、耐腐蝕性、密封性需要特殊考慮；渦輪增壓器需要應(yīng)對更低的廢氣熱量和更高的進氣需求帶來的挑戰(zhàn)；后處理系統(tǒng)需要考慮未燃氫及后處理過程二次生成的NH3排放等。

5 結(jié)論

產(chǎn)品研發(fā)測試結(jié)果顯示，采用稀薄燃燒、廢氣再循環(huán)、VTG 增壓、進氣道多點噴射等先進技術(shù)的HICE 熱效率與燃油內(nèi)燃機相當，同時原始排放可得到有效降低。目前，部分HICE 產(chǎn)品已完成初步開發(fā)，實現(xiàn)量產(chǎn)。后續(xù)開發(fā)目標是將HICE 集成到發(fā)電機組、工程機械及車輛上進行進一步驗證。與此同時，氫氣價格高，儲運困難，缸內(nèi)直噴噴嘴性能及耐久性差，法規(guī)與標準不完善等問題還需要進一步解決，以加速HICE 在商用車、工程機械、農(nóng)用機械、軌道交通、發(fā)電等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化與規(guī)模化推廣。