氢能在重卡动力总成应用现状与展望

史玉梅，安 宁，郑碧莹，辛 英，徐勤学，刘 鑫

（1.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力空气净化科技有限公司，山东 潍坊 261061）

随着碳中和目标的提出，“低碳、清洁、安全、高效”的能源成为了发展新格局，而汽车工业发展带来的环境污染、能源消耗已经成为重点研究治理对象，因此，有必要在汽车工业发展清洁低碳能源。据统计，汽车尾气带来的碳排放占我国碳总排放量的10.4%，其中重卡的碳排放量占整个汽车碳排放量高达 85%以上，是汽车工业降低碳排放量的重中之重[1]。随着重卡销量的逐年提高[2]，有必要在重卡行业开展新能源的推广应用，实现降低碳排放量，这是实现碳中和目标的重要手段之一。

氢能是零碳能源的主要代表，具有绿色环保、资源丰富的优势，因此，被逐步发展应用到汽车行业特别是重卡行业。当前，氢能在重卡行业的应用主要有三种形式：氢发动机、掺氢燃烧内燃机以及氢燃料电池。其中，氢发动机是指采用氢气作为燃料在缸内燃烧产生动力，尾气中几乎不含任何污染性气体或者很容易通过后处理处理掉的发动机；掺氢燃烧发动机指的是在内燃机当前燃料（柴油、汽油、液化天然气等）中掺入氢气以改变原来燃料燃烧特性、改善发动机性能；氢燃料电池是通过电化学反应将氢气和氧气反应生成的化学能转化为电能后通过电机驱动车辆行驶。

为了促进氢能在重卡行业的发展，本文将研究分析氢内燃机、掺氢燃烧内燃机以及氢燃料电池等各技术适用性、当前研究应用状态及氢能在重卡行业的发展，为氢能重卡动力总成规划提供一定的参考。

1 氢内燃机

氢内燃机在传统柴油机基础上通过更改氢气供给系统、增加点火系统、优化燃烧室等进行开发，当前主要是在乘用车上进行开发，而在重卡应用处于试验室开发阶段。

1.1 氢内燃机特性

由于氢气的燃烧具有低位热值较高、空气中可燃极限较宽等优势，是当前内燃机的理想低碳燃料。氢气的辛烷值在130以上、自燃点在551 ℃左右，因此，氢内燃机可以承受更高的压缩比；氢气的燃烧速度大概是汽油燃烧速度的6倍以上，使氢发动机更接近理想奥拓循环，具有较高的热效率[3]。由于氢气中不含任何碳成分，所以发动机尾气排放不含任何碳成分，仅有水分和氮氧化合物。所以氢发动机被认为是高效环保的一种内燃机。

1.2 氢内燃机分类

根据氢内燃机的进气方式可以分为预混合喷射和缸内直喷两种方式。其中，预混合喷射是氢气和新鲜空气在进气道混合然后通过电子节气门控制进气量进入发动机缸内进行燃烧；缸内直喷是氢气在高压下直接被喷入到发动机缸内与空气混合然后燃烧做功[3-4]。缸内直喷又可根据喷射压力分为高压喷射和低压喷射；低压喷射压力通常在10 MPa以下，一般设置在1.5～6 MPa，而高压喷射压力通常在10 MPa以上[4]。预混合氢发动机采用的喷射压力在 0.5～3.0 MPa，由于气门重叠角的存在及氢气密度较低，极容易发生缸内混合气回流，导致混合气异常燃烧发生回火问题；氢气与新鲜空气混合不均匀程度较高，发动机缸内燃烧循环变动增加，引起发动机功率扭矩变动较大[3-4]。与预混合氢内燃机相比，缸内直喷氢内燃机一般是在发动机压缩终点进气门关闭时将氢气喷入到缸内进行燃烧，可以有效地避免发动机发生回火燃烧。同时，缸内直喷氢发动机的过量空气系数可以更宽，发动机热效率更高，提高发动机经济性。但是氢发动机采用缸内直喷后，发动机缸内混合气燃烧速度更快，导致发动机的热负荷更高，对气门、缸盖等各关键零部件的要求更高；氢气单独进入发动机缸内需要较高的喷射压力，因此，对喷嘴的耐久可靠性带来新的挑战；发动机可以在氢气超稀薄状态下燃烧，极容易形成高温富氧状态引起氮氧化合物的超高问题。

1.3 氢内燃机应用研究

氢内燃机无论是采用何种进气方式，均容易发生早燃、爆震问题，是当前氢内燃机面临的技术瓶颈。当前解决这些问题通常采用进气喷水、废气再循环阀（Exhaust Gas Recirculation, EGR）技术、改变喷射相位角、喷射压力等技术。WIMMER A研究发现，随着喷射相位推迟，发动机燃烧放热率下降同时缸压出现下降趋势[5]。ROTTENGRUBER H研究发现在发动机转速和平均指示压力一定时，随着喷射压力的降低发动机热效率也降低[6]。YE等研究发现，随着氢气喷射时刻的推迟，缸内燃烧爆震呈现出较强趋势[7]。KAWAMURA A研究认为氢气喷射时刻推迟，可以有效降低NOx排放，但导致发动机燃烧的循环变动增加、发动机容易发生异常燃烧[8]。BLEECHMORE C对采用当量燃烧技术的氢内燃机分别使用冷热态EGR后，NOx排放均呈现出下降趋势[9]，这和ANTONELLI M研究结果相一致[10]。但是氢内燃机在使用EGR技术后，燃烧放热率下降，其性能会受到影响[11]。2021年，康明斯已经宣布6.7 L中型氢燃料发动机和15.0 L重型氢燃料发动机进行研发生产，这将进一步促进氢内燃机的发展，实现氢内燃机在实际应用[12]。

与传统内燃机相比，氢内燃机在排放上有明显的优势，可以认为是当前比较理想的低碳内燃机。虽然，当前氢内燃机在实际开发时还存在上述常见问题，但是随着氢能相关技术的发展，上述问题是可以解决的，因此，氢内燃机具有广阔的应用前景。

2 掺氢燃烧内燃机

内燃机无论是柴油、汽油等传统燃料还是天然气、氨等新型燃料均可进行掺氢燃烧，达到改善内燃机性能和排放的目的，如果在柴油或者汽油等液体燃料中掺氢燃烧，需要对发动机进行重新设计且增加单独的氢气供给系统。天然气特别是压缩天然气燃料本身就以气态运行，无需额外增加氢气供给系统和天然气共用；天然气发动机本身就是点燃运行，所以可以直接利用天然气发动机进行掺氢开发。当前天然气输送管路建设已经很完善，但氢气在制备、输送等的发展动力不足且价格昂贵，因此，在天然气掺氢（HCNG）是当下比较理想的选择[13]。

基于我国 GDP 变化趋势和天然气汽车保有量变化趋势进行回归分析，预计我国 2030年和2060年天然气汽车保有量分别为2 000万辆和7 000万辆[13]。假设认为我国重卡年正常行驶里程15×104km，平均气耗为5.7 kgNG/100 km，考虑掺氢比为20%，那么2030年和2060年，我国在天然气车辆可消耗氢分别达47.67×108m3和166.85×108m3，这对于减少碳排放具有深远的意义[13]。

BYSVEEN M通过在相同过量空气系数下比较天然气发动机和掺氢天然气发动机（体积分数为 29%）的排放，可知掺氢天然气发动机的排放明显降低[14]。ORHAN通过对天然气的燃烧特性分析可知，天然气掺入少量氢气后发动机的抗爆性能改变不大但是发动机的燃烧气耗明显下降且排放得到显著改善[15]。MASAHIRO研究发现天然气发动机掺氢燃烧后发动机燃烧极限拓宽，可适应较高的压缩比以及更高的热效率[16]。王金华等研究了 0～18%的掺氢比对天然气发动机的排放影响，结果表明，在缸内直喷火花点火发动机上开展天然气掺混比可以有效地降低碳氢化合物（HydroCarbon, HC）排放，但是对碳排放影响不大[17]。马凡华等对不同掺氢比的天然气发动机进行了研究，掺氢后可以有效地拓宽天然气发动机的稀燃极限。点火时刻推迟对NOx的排放影响不大，但是 HC的排放随着掺氢比的增加而持续降低[18]。刘亦夫等研究发现，使用EGR后的天然气发动机NOx排放会随掺氢比的增加而上升[19]。

中国已经发布了《车用压缩氢气天然气混合燃气》（GB/T 34537—2017）确定了天然气掺氢比不超过 20%[20]，同时《天然气掺氢混气站技术规程》（征求意见稿）的发布将促进加气站的发展。天然气掺氢比在 20%可以确保发动机正常工作同时无需重新设计相关零部件只需对发动机的控制数据进行标定即可[21]。

3 氢燃料电池

无论氢内燃机或者是掺氢燃烧发动机均属于内燃机范畴，而另一种氢能利用方式则为氢燃料电池。《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》指出需经过 15年将燃料电池汽车进行商业化应用[22]。与氢内燃机相比，氢燃料电池具有噪音低、能量密度高、排放无污染的优势，但是氢燃料电池对氢气纯度要求较高；与纯电动相比，氢燃料电池具有续航里程长、加注时间短的优势，同时对于有行驶路程规定的重卡来讲，输氢管路布置相对容易，有利于促进燃料电池在重卡的应用发展[23]。

3.1 氢燃料电池应用研究

当前氢燃料电池应用主要面向公交车辆，在重卡应用还处于探索阶段[24]。在国内主要的重卡主机厂中，重汽和陕汽分别装氢燃料重卡进行试运行取得了一定的效果；2021年 11月上汽红岩30台搭载氢燃料电池的重卡在鄂尔多斯煤矿启动试运营仪式。在国外，早在2015年美国能源部就要求实现氢燃料电池市场化；2020年戴姆勒开始关注氢燃料电池重卡技术，并与沃尔沃合资生产重卡用燃料电池；日野计划在2025年开发出燃料电池重卡车，韩国现代与欧洲国家进行合作，计划推出续航里程达400 km氢燃料电池重卡汽车[25]。

3.2 氢燃料电池技术发展方向

我国氢燃料电池技术已经稳步前进，但是相对欧美日韩等国家存在着一定差距。我国燃料电池的功率等级范围在80～120 kW，这与传统能源重卡需求功率300 kW以上相差较大。另外，传统能源重卡一般要求续航里程在500 km以上，寿命超过8年或者70万公里以上；美国等国家的先进燃料电池寿命在10 000 h以上，这些对燃料电池在商用车大规模应用有一定的阻碍，因此，氢燃料电池在商用车上应用推广需要解决以下相关问题。

1）氢燃料电池关键核心技术问题。随着国家政府大力支持氢能的发展，在氢燃料电池技术已经取得了十足的进步，已经逐渐开始在商用车上使用。但是在关键核心上，与先进国家差距较大，如：催化剂、质子交换膜、空压机、氢循环泵等关键零部件在国内生产能力不足、技术水平低，主要是依靠进口满足当下市场需要。电池极板在商用车还未采用高功率密度金属双极板，主要采用石墨板或者复合板等[26]。针对氢燃料电池技术发展，需要各部门系统攻关，发挥集体攻关优势，促进氢燃料电池的技术发展。

2）降低氢燃料电池成本。在重卡市场，购车成本和运营成本是重卡车辆的成本的主要源头，持续降低相关成本可以进一步提升氢燃料电池的竞争力。氢燃料电池关键核心零部件的发展及国产化能力的提升将进一步降低车辆运行费用；在运营成本需要充分利用国家相关政策，推动氢燃料相关产业发展，降低氢燃料的成本[27]。

3）在国外氢燃料电池已经在乘用车应用，而在重卡等商用车应用我国已经率先初步实现市场化，因此，有必要借助氢燃料电池在重卡应用这一优势提升氢燃料电池的技术发展，带动氢能相关产业的发展[28]。

4 氢内燃机和氢燃料电池发展展望

随着碳达峰和碳中和的提出，氢能在重卡应用越来越被提及。氢内燃机和氢燃料电池均是将氢气的化学能转化为机械能，不同的是氢内燃机在传统内燃机上进行更改，但并未改变内燃机的实质结构，因此，氢能可以认为是重卡传统内燃机理想的替代燃料。氢燃料电池工作效率在 60%以上，远超过内燃机效率，被认为是新能源理想动力总成[29]。两者可以进行有机结合，进一步推动重卡商用车低碳化甚至无碳化进程发展。

4.1 氢能重卡应用分析

当前氢燃料电池主要用于城市环境，考虑到我国重卡市场基数庞大并且重卡是高能耗和高污染大户，因此，在重卡应用氢能可有效的进行节能减排。对于氢能在重卡的使用，除了技术发展限制外还需考虑车辆的使用环境。重卡的行驶路线通常是长途干线或者有相对固定路线且工作时间长，因此，对于加氢站的选址建设也相对简单[30]。

4.2 氢能重卡发展展望

当前我国无论是氢内燃机还是氢燃料电池整体水平偏低，而氢能研究很火但是并未形成产业优势，特别是氢内燃机处于研究起步阶段或者试验研究状态，并未得到推广应用。而电解水氢能的来源仍旧是以煤制氢为主，而未形成可再生能源制氢模式，这都限制了氢能在重卡的应用。因此，氢能重卡的发展需要制定科学的发展战略，促进重卡在节能低碳的方向发展。

1）随着国家政策的支持、“双碳”目标战略、2022年北京冬奥会和成都大运会的举办，作为低碳可再生能源的氢能，将会推动氢能的基建日益完善，制氢、运氢、储氢等相关技术的发展必将打通氢能中上游产业发展，形成完整的氢能产业链[31-33]，因此，氢能基建、技术等决定着氢能重卡的应用推广程度。

2）氢内燃机和氢燃料电池的开发正在各国家如火如荼开展，当氢能相关技术产业得到发展后，两种动力总成也将得到充分发展。无论是纯氢发动机还是掺氢发动机对氢的纯度要求都较低，而氢燃料电池对氢纯度要求较高，这一特性决定了氢燃料电池的成本和技术要求高于氢内燃机。氢燃料电池得到政府补贴支持且已经在城市车辆进行应用，氢内燃机拥有成熟的开发经验、价格低廉等优势，氢内燃机也拥有较强的竞争力[34]。因此，氢内燃机和氢燃料电池在日后一定时间段内均会成为重卡的理想动力总成[34-35]。考虑到氢内燃机的技术、排放的特殊性可认为是低碳无污染的过渡动力总成方案之一，拥有广阔的应用前景。而掺氢内燃机的排放中的依旧存在着碳排放，只能是减碳的技术之一，在未来大规模应用需要评估掺氢产业的发展等。

5 结束语

随着低碳节能的需求和重卡的发展，氢能作为低碳环保的能源日益受到关注。而氢能在重卡的应用主要是氢内燃机和氢燃料电池两种动力方式。随着技术的发展和低碳需求，氢燃料电池将是最终理想动力总成的方式。而氢内燃机特别是纯氢发动机将是在重卡应用的动力总成补充之一，拥有光明的应用前景。随着氢能示范城市的推广，氢能相关上游技术的发展和产业化建设等也得到了发展，对降低氢能供给成本、促进氢内燃机和氢燃料电池技术发展带来有利的帮助。结合国家政策及对低碳节能减排的需求、重卡庞大的市场，氢能将在重卡得到充分应用并逐步代替传统柴油机，形成氢内燃机和氢燃料电池相互补充共同进步的两种无碳排放动力总成。