双碳视域下汽车氢气内燃机发展现状及应用前景研究

摘要：氢气具有燃烧热效率高、清洁无污染等多种优点，被视为化石能源的最优替代品。氢内燃机作为氢能应用的一种重要设备，相较于传统的燃油内燃机，不仅可以规避二氧化碳过量排放和空气污染问题，同时也具有传统燃油内燃机的优点，因此对其进行大规模开发应用，对于实现双碳目标具有重要意义。基于此，首先针对双碳视域下汽车氢气内燃机发展现状进行了研究，然后对其应用前景进行了分析，以期能够为汽车氢气内燃机的发展应用提供一定参考。

关键词：双碳；氢气内燃机；发展现状；应用前景

中图分类号：U463 收稿日期：2024-05-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.09.010

1 前言

在21世纪，气候变暖和温室效应成为了全人类所面临的共同挑战，而要想实现对全球温升控制的目标，就需要大量减少二氧化碳的排放量。据相关数据显示，2023全年，我国二氧化碳排放量为126亿t，约占全球碳排放量的30%，从现在至2050年，我国在碳减排领域的发展将会面临着前所未有的挑战，在这一发展背景下，我国提出了碳达峰和碳中和的双碳发展目标。内燃机是现代工业与交通领域不可或缺的传统动力源，长期以来在推动社会进步的同时，其能源消耗与排放问题也日益成为制约可持续发展的关键因素。随着环保法规的日益严格和公众环保意识的不断提升，内燃机的节能减排技术革新迫在眉睫。而氢气内燃机凭借其所拥有的燃烧热效率高、清洁无污染等诸多优点，成为内燃机低碳化转型发展的重要方向。

2 氢气内燃机特征分析

氢气是一种具有热值高、燃烧速度快等诸多优点的清洁能源，相较于传统汽油机，氢内燃机有着更高的燃烧热效率和更高的压缩比。氢气的辛烷值为130，燃料抗爆性好，因此氢内燃机可以采用比汽油机更高的压缩比来提高热效率。但从另一方面来看，氢气的密度较小，在用作内燃机燃料时需要对其进行高压存储，也存在着燃料存储条件要求高的缺陷。

氢内燃机指的是将传统内燃机中的汽油、柴油、天然气、甲醇等燃料更换成为氢气，氢气在气缸内燃烧推动活塞做功从而产生动能，原理与普通天然气发动机类似，增加了氢气喷射系统，按照吸气—压缩—做功—排气4个冲程来完成化学能向机械能的转化[1]。与氢燃料电池相比，氢内燃机对氢的纯度要求不高，具有点火能量低、火焰传播速度快、单位热值高、燃烧不含碳合物等特性，适合高负荷运行，因此适用于重卡、客车等。氢内燃机工作循环如图1所示。

氢内燃机是实现汽车低碳化发展的重要技术路径之一，过去20年来在燃料电池、内燃机以及混合动力总成的技术进步，使得氢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。与其他内燃机相比，氢燃料内燃机具备的成本优势，有助于提高氢气的使用需求，推动氢基础设施的建设。相较于传统内燃机和氢电池，氢内燃机具有以下几点优势：

a.氢内燃机可沿用现有内燃机工业体系进行开发，大部分零部件与现有汽油发动机、天然气发动机等成熟内燃机产品通用，保留了传统内燃机的主要架构和系统，不需要重新构建产业链，可极大缩短开发周期，降低技术难度和成本投入，对产业化转化更为有利。

b.氢内燃机在后处理等系统取消或简化的情况下，能够满足严苛排放法规，产品成本优势显著，此外，氢内燃机具有加氢快、无里程焦虑等优点，在商用车有更高的全领域应用潜能。

c.氢内燃机采用传统燃烧做功模式，对氢气燃料纯度要求较低，在承担货物的中重卡高负荷类车型有更高的综合效率，是经济且更高效的选择。此外，氢内燃机具有多种燃料适应性，可以使用纯氢为燃料，也可以和甲醇掺烧，有效降低对石油依赖，是落实“双碳”目标的重要手段之一。

3 氢内燃机的发展现状

3.1 氢内燃机研究发展史

氢内燃机被誉为是打开氢能源应用的一把钥匙。人类对于氢内燃机的研发历史可以追溯至1807年，当时瑞士人伊萨克·代·李瓦茨研发了第一款单缸氢气内燃机。1968年，前苏联科学院用汽车发动机进行了分别燃用汽油和氢的试验，改用液氢的结构方案，发动机热效率提高，热负荷减轻。1972年洛斯阿拉莫斯实验室把一辆别克牌轿车改成液氢汽车，发动机是一台增压的六缸四冲程内燃机，充装一次液氢后行驶274 km。20世纪70年代后，苏联、德国、日本、美国、中国都有氢内燃机的技术投入，主要是实验室产品和概念车。福特汽车在1997年启动氢内燃机的开发工作，搭载其2.0 L氢气发动机的轿车车型在2001年发布；马自达在2003年发布了双燃料的Mazda RX-8 Hydrogen RE；宝马在2005年量产了基于宝马7系（E65）的12缸6 L氢气/汽油双燃料发动机。

国内针对氢内燃机的研究开始于20世纪80年代，主要为国内的一些科研单位和高校。例如，浙江大学曾与日本高校联合对叶氢发动机进行了开发，该款氢内燃机采用缸内直喷技术，并引入了神经网络系统对其进行控制，实验结果表明，该款氢内燃机喷氢系统、点火正时等对氢内燃机性能有着很大影响。2006年由北京工业大学牵头，联合北京益麦斯公司等单位，对一辆现代轿车的内燃机进行了改造，使其成为了一辆可使用汽油和氢气混合燃料的家用轿车。实验结果显示，该车在启动、怠速和小负荷运行过程中可以使用氢气驱动，接近零排放；在中等负荷采用汽油混氢燃烧，排放和油耗进一步降低；在大负荷采用纯汽油模式，确保了车辆在高负荷的动力性[2]。在2008年的北京国际车展上，长安汽车发布了中国首款氢动力概念跑车“氢程”。“氢程”搭载的是增压中冷氢内燃机，直接以压缩氢气为燃料，其性能不仅可以达到汽油机的水平，效率上还比同排量的汽油机高30%以上，HC、CO、CO2排放几乎为零，完全可实现超低排放并具有良好的低温启动性，在一次性加足燃料的情况下巡航距离可达230 km以上。

3.2 DETUZ TCG 7.8 H2氢气内燃机

TCG 7.8 H2氢气内燃机是由德国道依茨公司研发的一款全新的氢燃料引擎。这款氢气发动机已通过初步测试，并计划于2024年全面投产。它符合欧盟为零二氧化碳排放发动机设定的所有资格标准。TCG 7.8 H2氢气内燃机的主要特点如下：

a.高效能。输出功率可达220 kW（约300马力），能够提供较高的输出功率。基于现有的发动机设计进行改造，通过高效燃烧过程，将燃料燃烧产生的热能充分转化为机械能，提高了整机热效率。

b.零排放。该发动机符合欧盟关于“零排放”二氧化碳的限制，运行时实现碳中和。

c.性能表现。通过专门设计的组件实现氢气的优化利用，在客户应用中实现功率和使用灵活性的最大化。

d.技术基础。该款发动机采用了高废气再循环（EGR）稀薄燃烧过程，有助于降低NOx排放并提高燃烧效率，压缩比被调整为12，与传统汽油机相近，以优化燃烧性能。同时还配备了专门的增压系统，以适应氢燃料的快速燃烧特性。

以该款氢内燃机为原动机的发电机组目前已问世，后续将开发其在商用车、工程机械、农业机械、轨道交通等领域的应用。该款氢内燃机的优势在于能够在一定程度上保留传统内燃机的特性，且无需对动力链做出太大改变。未来道依茨公司还将针对该产品的热效率持续突破，将来就可以看到这款发动机正式应用在市场中。TCG 7.8 H2氢气内燃机如图2所示。

4 氢内燃机应用前景

氢能作为一种清洁能源，具有补能时间短、能量效率高、无污染寿命长等优势，是实现碳达峰、逐步达到碳中和的最佳选择之一。然而，氢内燃机的发展仍面临一些挑战。

a.与氢燃料电池汽车相比，氢内燃机的能量转化效率仍较低，氢内燃机的能量转化过程相对复杂且效率较低，许多现有氢内燃机的能效水平尚未突破40%的关卡，导致在将氢气的化学能转化为机械能的过程中，有相当一部分能量以热能等形式散失，未能得到高效利用。这种效率上的不足，直接影响了氢内燃机在市场上的竞争力及其作为未来清洁能源动力选项的吸引力。

b.从技术稳定性的角度来看，氢内燃机在运行过程中容易出现早燃和回火等问题，早燃指的是在火花塞点火之前，混合气在气缸内异常提前燃烧，而回火则是火焰从排气口逆向传播至进气管的现象。这些问题的存在不仅会增加发动机的磨损，降低其使用寿命，还会对车辆的安全性和乘坐舒适性构成威胁，进而影响消费者的信心和接受度。因此，提高氢内燃机的可靠性和稳定性，减少这些技术问题的发生，成为氢内燃机进一步发展的关键所在[3]。

c.氢能作为一种新兴的清洁能源，其大规模推广和应用还依赖于完善的基础设施建设。目前，建设氢气供应站等基础设施的投资成本高昂，且分布不均，这在一定程度上限制了氢能路线的普及速度。在以电动汽车为主导的新能源市场中，氢燃料电池技术的发展速度更快，已经能够达到60%以上的转化效率，正在逐渐占据市场份额。因此，氢内燃机需要在技术突破和市场推广方面迎接新的挑战。

在当前阶段，内燃机的应用领域主要包括重卡和船舶。在船舶应用领域，由于甲醇重整制氢、用氢发电路线已用于船舶产业化，并逐渐进入量产阶段。在重卡应用领域，对于长途运输场景，通过核算并对比分析，纯氢内燃机机和燃料电池技术路线最具竞争力，纯氢内燃机成本回收周期2025年左右和柴油车“打平”，燃料电池2030年之后较柴油车具有经济优势。纯电动、插电混技术在一定时间与柴油车相对有竞争力，但是越往后发展，较氢内燃机及燃料电池技术路线的竞争力越弱。因此，相关人士预测，从长期发展路径来看，长途运输场景未来技术路线在2030年以前是以柴油和天然气为主、氢内燃机技术为辅，在2030—2040年是多技术路线并存发展的阶段，2040年后将以燃料电池及氢内燃机为主、天然气及柴油少量并存。

5 结语

氢气内燃机作为一种清洁、高效的能源转化方式，在双碳战略背景下具有广阔的发展前景。从本文分析中可以看出，受限于技术、资金投入以及认知等因素，氢内燃机的研发与推广并非是一帆风顺的，而将面临着诸多的挑战。但从长远角度来看，未来氢内燃机替代传统内燃机和电池仍将是一种不可阻挡的趋势。尤其是随着未来氢内燃机技术的逐渐成熟，氢内燃机有望通过技术革新和市场推广，成为下一个新能源汽车的风口。

参考文献：

[1]李劲松，吴涛阳，吴春玲，等.氢燃料内燃机试验室安全风险分析及防治措施研究[J].内燃机，2024，40（3）：13-18.

[2]奕青，王伟，裴有志，等.氢内燃机应用与推广的探索[J].工程机械，2024，55（6）：20-23+7-8.

[3]楼狄明，赵克秦，石秀勇，等.氢能技术及其在车用领域应用现状综述[J].内燃机与配件，2024（7）：140-143.