“双碳目标”下，内燃机工业或将浴“氢”重生、绽放新的光彩

本刊记者 冯 锐 文

传统内燃机遭受挑战

2009年3月，国务院发布的《汽车产业调整与振兴规划》首次提出“实施新能源汽车战略”：“以新能源汽车为突破口，加强自主创新，培育自主品牌，形成新的竞争优势，促进汽车产业持续、健康、稳定发展”的目标。同年，多个部委启动了“十城千辆”新能源汽车示范项目。从那时开始，以传统能源(包括石油、天然气、煤等化石燃料)为主要燃料的内燃机在汽车领域的地位开始受到了新的挑战。

2020年9月，中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。2019年的统计数据显示，我国碳排放主要集中在电力、工业和地面运输3个领域；能否实现“碳达峰、碳中和”的目标，很大程度上取决于这3大领域。而在工业和地面运输广泛应用的内燃机一直是石油等含碳燃料的消耗大户。据《内燃机产业高质量发展规划(2021-2035）》统计，内燃机每年消耗我国石油的 60%以上，排出的 CO占全国总量 9.8%。在动力系统电动化、工业生产智能化，经济发展低碳化的大趋势下，传统内燃机的产业面临着前所未有的挑战。

康明斯15 L氢内燃机

各种减碳方案，各有长短

商用车是国家经济支柱产业，亦是碳排放大户。作为道路运输的主力，主要搭载柴油内燃机的重卡，其单车运营里程长、运营频次高、柴油消耗总量高，是氮氧化物、一氧化碳和颗粒物等污染物的主要排放来源。因此，在国家政策引导下，重卡行业节能减碳成为大势所趋。目前，除了非化石能源领域，在中重型商用车的降碳方案中，已经形成一定产业与市场规模或具有一定产业基础的有：充电式纯电驱动、换电式纯电驱动、氢燃料电池、氢内燃机等。这几种各有长短。

第一种，充电式纯电驱动。充电式电驱动重卡，其面临最大的挑战在于动力电池的容量、质量、成本、使用寿命，以及充电换电是否便捷高效。据介绍，当前的锂电池能量密度已经没有了大幅度提升的空间，新型的固态电池、钠电池技术还不成熟，如果想要长续航，就需要增加电池模组的数量，这样一来车体的重量必定会大幅增加。

第二种，换电纯电驱动。换电重卡在一定程度上解决了“里程焦虑”，但其主要应用场景为港口运输、钢铁企业内部运输、矿山运输、支线倒短、城市市政工程建设领域等短途运输场景。在这些对运营效率要成本占比相对较高，限制了商业化发展，而电堆成本在整个燃料电池系统中占比高达60%，主要是由于反应所用的铂催化剂昂贵，若随着技术发展，减少铂的含量或者采用其他催化剂代替铂，或将极大地降低整车成本。综上，现阶段，动力电池成本高、续航短、整车自重大、充电“老大难”的问题依然突出；氢燃料电池的成本、耐久性以及燃料储运短板也严重制约其大规模应用。纯电、燃料电池尚无法满足中重卡、船机、工程机械等高载荷和高功率密度、长距离运行的要求。

潍柴氢气内燃机

第四，氢内燃机动力。当前，国内在积极推动燃料电池技术发展的同时，同样没有放弃对氢内燃机的关注和研究。自1876年，德国人奥拓发明并制成世界第一台实用的内燃机以来，内燃机的发展已经经历了145年的历程。内燃机作为第2次工业革命的标志性科技成就，或将持续在人类生产生活中发挥着不可替代的作用。而在近年的节能减碳大目标下，内燃机工业也不甘落后，正在发生着深刻的革命：近年氢内燃机的出现，或将为中重型商用车减碳目标的实现，提供新型、经济的了绿色动力。

据国内专家介绍：欧洲目前正在大力发展氢能动力产业，除了氢燃料电池外，目前欧洲几乎所有的主流商用车主机厂都在关注或者已经开始了氢气发动机(氢气内燃机)的可行性研究，并成立了包括主机厂、关键零部件等22家企业的氢气发动机联盟。”该建议还说：“氢气发动机燃烧氢气不排放CO，也是零求极高的固定路线短途运输场景，换电重卡所产生的经济效益也渐受市场认可；但在长途干线物流运输场景，换电重卡仍面临电池自重大、现有电池续航里程短、低温环境下电池续航里程更短的不适用性。

第三，氢燃料电池方案。氢燃料电池是通过电化学反应而不是燃烧获取能量，反应产物只有水，无有害氧化物产生。同时，氢燃料电池重卡是在电堆内部发生电化学反应，直接输出电能驱动电机，过程运行平稳，不发生振动，噪声低。不过，氢燃料电池系统碳排放，是满足CO排放法规快速可靠的技术方案；它可以利用现有的内燃机技术，以及配套供应链；同时它对氢气燃料纯度的要求不高，甚至可以直接使用钢铁及化工产业的工业副产氢，不需要进一步的提纯。

部分商用车企业的氢内燃机研发成果

近期以来，在“双碳目标”下，我国商用车行业已经有不少企业正在进行和加快氢内燃机的研发，部分企业在氢内燃机研发方面取得阶段性成果，简单梳理如下：

(1)2021年12月21日，广西玉柴机器股份有限公司在北京理工大学正式发布玉柴首台商用车氢内燃机YCK05。玉柴YCK05燃氢发动机采用了高压多点进气道喷射技术、高效低惯量涡轮增压技术、高效稀薄燃烧技术等多项先进的专项技术，并对整机结构、燃烧和配气等子系统进行了全面优化升级，攻克了燃氢发动机易回火、易爆震等技术难题。据悉，玉柴在轻型、中型、重型燃氢发动机均开展了技术研究和储备。

(2)2022年5月9日，在加利福尼亚举办的ACT Expo展会上，康明斯展示了其最新的15 L氢内燃机。该发动机基于康明斯最新的适用于多种燃料的发动机平台，该平台的发动机气缸垫下方的大部分零部件结构相似，而气缸垫上方则根据不同燃料的类型，采用不同的零部件组合。据悉，2021年7月，康明斯就已开始氢内燃机测试；2022年6月，康明斯宣布加入氢能发动机联盟，该联盟汇集了领先的行业代表，致力于推动氢内燃机技术研发。

(3)2022年6月8日，由一汽解放自主设计研发的国内首款重型商用车缸内直喷氢气发动机成功点火并稳定运行。该款氢气发动机属13 L重型发动机，运转功率超500 PS，指示热效率突破55%，该机型所基于的零碳氢基内燃动力孵化平台，具备氢气单燃料缸内直喷、氢气单燃料缸内和气道混合喷射、氨气和氢气双燃料喷射能力，可灵活转化成氢气、氨气等净零碳燃料产品。

(4)2022年6月15日，中国重汽、潍柴动力联合发布全国首台商业化氢内燃机重卡。该款车型为中国重汽全新一代黄河品牌高端重卡，搭载潍柴动力自主开发的13 L氢内燃机。该机采用精准氢气喷射控制技术，实现氢燃料灵活准确供给，可充分满足发动机工况需求；采用高效增压、稀薄燃烧技术，解决了氢气异常燃烧难题，确保发动机平稳高效运行；采用潍柴自主ECU系统，智能控制、自主可控，确保控制策略定制化开发；基于已有的气体机产品平台进行技术再延伸，可快速推动商业化落地。

(5) 2022年3月28日，东风商用车和清华大学联合开发的车用重型氨柴发动机(与氢燃料相同，氨—氢能利用的载体也被认为是面向碳中和的理想的内燃机燃料)在清华大学成功点火。该机型依托东风13 L龙擎动力总成平台，采用预混引燃技术实现稳定高效燃烧，采用液氨后处理技术实现更低排放控制，是东风在碳中和解决方案上的积极探索和实践。据悉，清华大学系统地开展了氨氢、氨柴燃烧数值模拟和光学诊断基础研究，并于2021年将射流燃烧技术应用于氨发动机，实现了在单缸机上成功点火。

玉柴K05氢内燃机点火并稳定运行

氢内燃机是对传统内燃机的有效继承和发展，内燃机或将继续绽放新的光彩

据专业人士介绍，在结构继承与生产成本方面，氢内燃机的基础结构和燃油(气)内燃机基本一致，其基础零部件和生产制造系统基本可以通用；而且氢内燃机不用携带燃油(气)内燃机必须携带的昂贵的排放处理系统。因此，传统内燃机生产企业可以很容易拓展生产该机型。此外，氢内燃机可与现用的变速器相联接，这样一来，传统内燃机企业生产氢内燃机车的产线改造成本不大。

另据时任全国人大代表，汉马科技集团股份有限公司党委书记、总经理刘汉如在2021年全国两会期间提出的建议之一《鼓励发展零碳排放氢气发动机(内燃机)》介绍：“氢气发动机(内燃机)的供氢系统与燃料电池相同，氢气发动机(内燃机)本体与天然气发动机(内燃机)接近，增加了氢气喷射系统，其后处理主要处理NOx，甚至比柴油机还要简单。其总体技术可靠性高、成本低。而且……氢气发动机(内燃机)更适用于重载、非道路、建筑和专用商用车。”该建议还说：“我国目前也在大力发展氢能产业，现有工业副产氢制氢潜力在450万t以上，可直接用于氢气发动机，运营的加氢站也超过100座，发展潜力巨大。”

另据介绍，当前氢内燃机与氢燃料电池相近，也面临着制备储运成本高、配套设施短缺、能量密度较化石燃料低以及NOx排放等问题。但过去20年来在氢燃料电池、内燃机以及混合动力总成的技术进步，使得氢燃料内燃机可以充分利用现有产业基础，促进其在车用动力中的应用。

从2020年开始，我国要在2030、2060年分别实现碳达峰、碳中和的目标，挑战是巨大的。笔者认为，在实现“双碳”目标的过程中，以新能源为重点的可再生能源(非化石能源)推广的核心问题在于成本和应用便利程度。而氢内燃机在某些应用场景下，具备独特的便利和成本优势。因此，内燃机或将在碳达峰、碳中和的背景下继续绽放新的光彩。