淺談氫內燃機在重卡上的應用

隨著全球對碳中和目標的追求，氫能作為清潔能源的代表，正在成為未來能源轉型的重要一環。在交通運輸領域的重型商用車板塊，氫燃料內燃機技術成為一項備受矚目的創新，特別是在美國、歐洲、日本和中國等主要經濟體，多個廠商和研究機構正在積極開發和推廣這一技術。本文概述了近年來全球在重型商用車用氫燃料內燃機開發方面的最新動態。

政策法規成為氫內燃機推廣的重要驅動力

伴隨各國政府對汽車排放節能及碳排放法規日益嚴苛，氫內燃機作為清潔低碳的重要技術路線，各國在推動氫燃料內燃機的發展方面出臺了多項政策、標準和法規。這些政策不僅為企業提供了經濟和技術支持，也通過法規標準確保了氫燃料內燃機的安全性和環保性。隨著政策的不斷完善和標準的逐步落實，氫燃料內燃機有望在未來的重型商用車市場中占據重要地位，助力全球的能源轉型和碳中和目標的實現。

中國政府在《“十四五”氫能產業發展規劃》中明確提出了對氫燃料內燃機技術開發與應用的支持，并制定了相關的國家標準。國家和地方政府通財政補貼、稅收優惠、研發資金支持等多種措施，積極推動氫燃料內燃機在商用車領域的廣泛應用。在地方層面，河北、山東、廣東等省份已出臺了各自的氫能產業發展規劃，為氫燃料內燃機車輛的購置提供補貼，并對加氫站建設給予財政支持。在標準法規建設方面，中國已發布了多項與氫燃料內燃機相關的國家標準，如《氫燃料內燃機技術規范》和《氫氣燃料質量標準》等。這些國家標準為氫燃料內燃機的研發與應用提供了技術支撐，確保其滿足安全性和環保性的嚴格要求。

美國政府通過《基礎設施投資與就業法案》提供資金支持氫燃料內燃機的研發，并制定了相關排放標準。該法案為包括氫燃料內燃機在內的清潔能源技術提供了巨額的財政扶持。具體措施涵蓋了對氫燃料基礎設施建設的資助、稅收抵免政策，以及對研發和示范項目的資金支持。美國能源部（DOE） 設立了多個專項計劃，如氫能地平線計劃（Hydrogen Shot），旨在降低氫能的成本，并加速氫燃料內燃機技術的發展。DOE提供研發資金，全力支持企業和研究機構在氫燃料內燃機技術上的突破與應用推廣。2023 年，美國發布了國家氫能戰略，明確了氫能在交通、工業等領域的應用目標，并制定了相關技術標準和發展路線圖，以推動氫燃料內燃機技術的規范化與快速發展。

歐盟委員會發布了《氫能戰略》，為氫燃料內燃機的研發和市場推廣提供資金支持，并在歐Ⅶ法規及下階段重型車碳排放法規中賦予氫內燃機車零碳排放的待遇。歐盟還設立了“歐洲清潔氫能聯盟”，提供大量資金支持氫燃料內燃機的研發和示范項目。此外，通過《歐洲綠色協議》，歐盟為氫能技術的發展提供了更為全面的政策和資金支持，旨在促進包括氫燃料內燃機在內的低碳技術的廣泛應用。德國、法國、荷蘭等歐洲國家也積極響應，制定了各自的氫能發展計劃，通過稅收優惠、補貼和低息貸款等激勵措施，鼓勵企業開發和使用氫燃料內燃機。

日本政府在《氫能基本戰略》中明確將氫燃料內燃機列為重點支持的技術領域，并為此提供了稅收優惠和研發補貼。該戰略自2017 年制定以來，在2023 年得到了更新，再次強調了氫燃料內燃機的重要性。日本政府通過研發補助、稅收優惠、融資支持等一系列措施，積極推動氫燃料內燃機技術的開發和商業化進程。在地方層面，如福島、神奈川等氫能示范區的地方政府，也推出了地方性補貼和優惠政策，鼓勵企業在當地開展氫燃料內燃機的測試和應用。此外，日本經濟產業省（METI） 制定了氫燃料內燃機的相關技術標準和安全規范，以確保其在實際應用中的安全性和環境友好性。同時，日本對《能源法》進行了修訂，新增了對氫能基礎設施的建設要求，包括氫燃料內燃機的應用標準，以及氫能在交通領域中的推廣措施。

氫內燃機在重卡上應用的優勢

重卡由于需要運輸大量貨物，因此對動力和轉矩的要求極高。氫燃料內燃機能夠在保持高功率輸出的同時，提供與傳統柴油機相似的轉矩曲線。這意味著在重載和復雜路況下，氫內燃機能夠提供足夠的牽引力，充分滿足重卡的實際需求。

加氫程迅速，有效縮短停車時間。與純電動卡車相比，氫燃料內燃機的加氫操作非常快捷，通常僅需幾分鐘即可完成。這一特點極大地減少了車輛的停機時間，對于長途貨運而言，這種快速補充燃料的能力無疑是一個關鍵優勢，有助于提高運營效率。

長續航能力和零排放特性突出。氫燃料以其高能量密度著稱，這使得配備氫燃料內燃機的重型卡車可以擁有較長的續航里程。這在長途運輸中尤為重要，減少了因頻繁加氫或充電所需的停靠次數，提高了運輸效率。此外，氫燃料內燃機在燃燒氫氣時，主要排放的是水蒸氣，幾乎不排放二氧化碳。這使得它在環境法規日益嚴格的今天，成為了一種理想的清潔替代方案，有助于重型運輸行業實現碳減排目標，順應全球向低碳經濟轉型的大趨勢。

基礎設施相對成熟且易于利用。與氫燃料電池車相比，氫燃料內燃機技術的一個顯著優勢在于它可以在現有的內燃機制造基礎上進行開發和改進。這意味著現有的制造設施和供應鏈可以被有效利用，從而降低了大規模生產和應用的技術與經濟門檻。

技術轉型過程平滑且風險較低。對于眾多傳統內燃機制造商和用戶而言，氫燃料內燃機提供了一種相對平滑且風險可控的技術過渡途徑。這是因為氫內燃機的基本工作原理與傳統內燃機高度相似，因此現有的技術體系、維修技能和供應鏈資源在很大程度上可以得到延續和利用，從而有效減少了轉型程中的技術和經濟風險。

適應性強且應用場景廣泛。氫燃料內燃機還具備出色的適應性，它可以與混合動力系統結合使用，以在不同的駕駛條件下實現燃料效率和性能的優化。這種靈活性使得氫燃料內燃機能夠勝任多種應用場景，無論是市區內的短途運輸還是長途重載運輸，都能展現出其獨特的優勢。

綜上所述，氫燃料內燃機在重卡上的應用具有顯著的優勢，包括高功率輸出、快速加氫、長續航、零碳排放以及較為成熟的技術基礎。這些優勢使其成為重型運輸領域中一種有前景的清潔能源解決方案，能夠在滿足運輸需求的同時，推動行業向低碳方向發展。

國內外氫內燃機開發最新動態

美國康明斯是氫燃料內燃機開發的主要推動者。2023 年，康明斯推出了其15 L 氫燃料內燃機，這款發動機主要面向重型卡車市場。此外，康明斯還與美國能源部（DOE） 合作，參與了多個氫燃料內燃機示范項目，旨在測試氫燃料的可行性和經濟性。

康明斯宣布，在2021 年7 月，其測試的氫內燃機達到了B6.7H 的開發目標，接近X15H 的目標示范車。同時，康明斯還與過度TATA 公司簽署了諒解備忘錄和早期采用意向書（ 涵蓋公路和農業領域）?？得魉孤暶鳎浼夹g有望在10 年內實現大規模生產，初始成本可控，且無須更換現有基礎設施，維護和供應鏈與燃料電池發展相輔相成。這一成熟的技術為脫碳提供了多種選擇。盡管部署技術的研發成本高昂，但康明斯對市場容量充滿信心，并認為這足以維持投資。但是，也需要注意到地區性內燃機禁令可能帶來的風險。

斯卡尼亞和西港噴射系統于2022年推出H2 HPDI 系統樣機。該系統可將功率提高 20%，轉矩提高15%，熱效率提高5%～10%。該噴射系統是從液化天然氣系統發展而來的，已有數以千計的裝置可隨時投入使用。使用西港HPDI系統改裝的斯堪尼亞13 L 6 缸發動機，在發動機改裝方面實現了最小化，同時兼容歐Ⅶ標準和EPA 2027 標準。開發的樣機采用HPDI 系統，在運行時獲得了更高的效率。

曼恩卡車在2021 年進行了首次氫燃料內燃機原型發動機測試，并計劃在2024 年將測試車輛移交給首批客戶。該公司預計到2030 年，氫內燃機的耐用性將與當前柴油機相似，并計劃在2025年實現批量生產。由于進氣道噴射需要增加發動機排量以減少功率損失，因此該樣機的排量為16.8 L，而不是原來的15.2 L，但盡管如此，它仍然保持了80% 零部件的通用性。

KEYOU 公司是一家專注于改裝轉換柴油機的企業，于2017 年推出了首批發動機改裝套件。目前的技術是基于7.8 L道依茨6 缸發動機進行改裝，可以達到44.5% 的峰值制動效率（BTE），并輸出210 kW 的功率。幾輛采用該技術的示范車已經上路，并達到了歐Ⅵ排放標準，且無需后處理技術。

在歐洲，曼恩和沃爾沃是氫燃料內燃機開發的主要企業。2023 年，曼恩宣布成功開發了適用于重型卡車的氫燃料內燃機，并計劃在未來幾年內進行大規模商業化。此外，沃爾沃也在積極探索氫燃料內燃機的可能性，并參與了一些歐盟資助的項目。

在日本，豐田和五十鈴在氫燃料內燃機領域取得了顯著進展。豐田在2023 年發布了其氫燃料內燃機概念，并計劃在未來將其應用于卡車和公共交通工具。五十鈴則與本田合作，共同研究氫燃料內燃機在卡車中的應用。

在中國，一汽解放、濰柴動力、玉柴是氫燃料內燃機開發的主要推動者。近年來，這些企業也相繼發布了氫燃料內燃機，標志著中國在這一領域的重大突破。他們計劃在未來幾年內推出相關車型，進一步推動氫燃料內燃機在中國市場的應用和發展。

氫內燃機重卡使用場景及示范應用

在長途貨運場景中，康明斯于2023 年在北美加州的加利福尼亞州進行了試運行?？得魉雇瞥隽艘豢?5 L 的氫燃料內燃機，并將其安裝在長途貨運車輛上進行了實際測試。這些車輛主要在州際公路上進行長途運輸，測試了氫燃料內燃機在實際貨運條件下的性能和續航能力。同樣，在港口和機場物流車輛方面，天津港的示范項目中配備了氫燃料內燃機的集裝箱卡車，用于港口內的短途運輸和貨物裝卸。這些卡車在高頻次運行的情況下，充分展示了氫燃料內燃機的穩定性和低排放優勢。

在礦山運輸場景中，氫燃料內燃機被安裝在重型自卸卡車上，并在礦區內的復雜地形和高負荷條件下進行了長時間的試運行。這次試運行旨在評估氫燃料內燃機在惡劣環境下的可靠性和續航能力。此外，市政環衛車輛也采用了氫燃料內燃機，用于市區的垃圾收集和運輸。在一些試點項目中，氫燃料內燃機在城市環境中的排放、燃料效率和運行成本得到了實際測試。