概述

2020年10月27號發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》指出，低碳化是未來全球汽車技術(shù)的重要發(fā)展趨勢和升級方向，并提出我國汽車產(chǎn)業(yè)碳排放總量先于國家碳排放承諾，于2028 年左右提前達到峰值。這是汽車行業(yè)主動提出的一個重大的汽車低碳化目標(biāo)。

在未來的車輛動力系統(tǒng)中，氫氣被認為是可能的燃料并有望實現(xiàn)從油井到車輪的零碳排放。中國、韓國、日本、歐洲等主要市場已制定了在全國范圍內(nèi)建設(shè)制氫和加氫站的長期計劃，基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)也在不斷擴大中，且隨著氫燃料價格的下降，其使用成本有望達到甚至低于液體燃料的水平。但與傳統(tǒng)燃料相比，當(dāng)前的氫燃料在使用便利性方面仍缺乏競爭力。其中，應(yīng)用場景端的需求不足是制約其發(fā)展的重要因素。在車用動力領(lǐng)域，燃料電池是氫燃料的主要使用場景，并在過去幾十年內(nèi)獲得了很大的技術(shù)進步。最近幾年，氫燃料內(nèi)燃機重新引起人們的重視，被認為是實現(xiàn)零排放社會的可選技術(shù)之一。氫燃料內(nèi)燃機可以充分利用現(xiàn)有內(nèi)燃機的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，加入到車用動力中，將有助于提高氫氣的使用需求，從而推動氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。


圖1 碳排放并非來自內(nèi)燃機本身，而是燃料

本系列文章主要針對氫燃料內(nèi)燃機的技術(shù)現(xiàn)狀和臺架測試結(jié)果、整車零排放和續(xù)航評估兩個方面展開討論。本文是系列文章之一，重點討論氫燃料內(nèi)燃機的開發(fā)歷史和當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀。

氫燃料內(nèi)燃機的開發(fā)歷史及當(dāng)時的技術(shù)局限

氫燃料內(nèi)燃機最早的研究可以追溯到20世紀30年代末，自20世紀70年代以來，氫內(nèi)燃機逐步在汽車工業(yè)中得到重視。包括寶馬、大眾、馬自達、曼等在內(nèi)的汽車公司將氫燃料內(nèi)燃機應(yīng)用于車用領(lǐng)域，其中寶馬更是開發(fā)了示范車隊。但是，由于種種原因最終在21世紀初逐步放棄了氫內(nèi)燃機的開發(fā)。

首先 ，當(dāng)時寶馬采用液態(tài)儲氫技術(shù)來解決氫燃料內(nèi)燃機的供氫問題。但液態(tài)儲氫技術(shù)不僅帶來氫氣液化的高成本，而且還存在液態(tài)氫蒸發(fā)的問題難以解決。該技術(shù)路線目前尚未在車用儲氫技術(shù)中得到應(yīng)用。

第二 ，氫內(nèi)燃機的系統(tǒng)熱效率低于汽油機和燃料電池。較低的系統(tǒng)熱效率主要是由于較窄的稀薄燃燒區(qū)域和較低的幾何壓縮比。為了實現(xiàn)更高的系統(tǒng)熱效率，需要在更高的負荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)稀薄燃燒，這對于自然吸氣發(fā)動機來說是很難實現(xiàn)的。同時還需要專門設(shè)計的氫氣噴油器來提供足夠的氫氣質(zhì)量流量。此外，為了抑制爆震和表面點火等非正常燃燒，較低的幾何壓縮比（9.5左右）進一步限制了熱效率的提升。上述兩個缺點使得氫氣內(nèi)燃機的熱效率潛力沒有得到充分挖掘。

第三 ，由于液態(tài)儲氫的使用和系統(tǒng)效率低導(dǎo)致氫燃料內(nèi)燃機車輛的續(xù)駛里程遠低于汽油車輛，NEDC下純氫驅(qū)動的續(xù)駛里程僅200 km。

第四 ，早期開發(fā)的氫燃料內(nèi)燃機功率扭矩較低，無法與汽油發(fā)動機相提并論。由于采用自然吸氣的氫氣進氣道噴射，因此缸內(nèi)混合熱值較低，最大功率和扭矩受到限制，如寶馬的氫燃料內(nèi)燃機升功率僅32kw/L。

第五 ，由于實現(xiàn)均勻混合氣稀薄燃燒的工況范圍較窄，因此，原始NOx排放較高。即使使用了NOx后處理裝置，整車的NOx排放仍然是美國超低排放(SULEV)的3.9%，沒有實現(xiàn)零排放。

第六 ，氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏對于氫內(nèi)燃機的應(yīng)用起到了非常重要的限制作用，特別是用于液態(tài)儲氫的加氫站更少。

綜合上述六個原因，早期氫內(nèi)燃機的技術(shù)不成熟和基礎(chǔ)設(shè)施缺乏導(dǎo)致大多數(shù)汽車公司放棄了開發(fā)計劃，未能實現(xiàn)量產(chǎn)。

相比20年前，氫燃料內(nèi)燃機的技術(shù)進步和可行性

近20年來，燃料電池和內(nèi)燃機均取得了很大的技術(shù)進步。這些技術(shù)進步將有助于解決上述氫燃料內(nèi)燃機面臨的六個關(guān)鍵問題。

首先 ，氫燃料內(nèi)燃機可以使用已經(jīng)在燃料電池中獲得應(yīng)用的高壓儲氫技術(shù)。高壓儲氫是當(dāng)前車用儲氫的主流技術(shù)，有效避免了液態(tài)儲氫的問題。在乘用車上，700bar高壓儲氫技術(shù)已經(jīng)在燃料電池中得到了應(yīng)用。

第二 ，系統(tǒng)熱效率可以大幅提高，短期內(nèi)有望達到45%的有效熱效率。熱效率的提高，一方面是由于增壓技術(shù)在液體燃料內(nèi)燃機中的進步，可以幫助氫燃料內(nèi)燃機在更大工況范圍下實現(xiàn)Lambda>2.5的稀薄燃燒。另一方面，通過單缸雙氫氣噴嘴氣道噴射或者缸內(nèi)直噴氫氣解決了大負荷區(qū)域供氫量的問題。此外，當(dāng)前應(yīng)用在高壓縮比（12）增壓汽油機中的技術(shù)也可以應(yīng)用在氫燃料內(nèi)燃機中，如米勒循環(huán)、活塞冷卻、水套和活塞優(yōu)化設(shè)計等，從而提高氫燃料內(nèi)燃機的幾何壓縮比。

第三 ，動力總成電氣化技術(shù)結(jié)合上述的高壓儲氫和高熱效率氫燃料內(nèi)燃機，將有效提高整車的續(xù)駛里程。使用已在汽油機乘用車中獲得應(yīng)用的串并聯(lián)混合動力技術(shù)，氫燃料內(nèi)燃機的整車NEDC續(xù)航有望超過700km。

第四 ，由于缸內(nèi)直噴氫氣噴射技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)的進步，氫燃料內(nèi)燃機升功率和升扭矩均獲得了很大提升，2.0L排量即可以滿足乘用車和輕型商用車的使用需求。如圖2所示，相比BMW在2006年發(fā)布的世界第一款批產(chǎn)氫燃料內(nèi)燃機，當(dāng)前的增壓直噴氫燃料內(nèi)燃機的升功率和升扭矩均大幅增加。


圖2 缸內(nèi)直噴和增壓技術(shù)使得氫燃料內(nèi)燃機的升功率和升扭矩大幅提高

第五 ，如圖3所示，原始HC和CO排放值達到了汽車工業(yè)用排放測試設(shè)備的最小測試極限。同時，由于實現(xiàn)了Lambda>2.5的均勻混合氣稀薄燃燒，原始NOx排放在接近一半的工況下達到了小于10ppm的水平，如圖4所示。如果采用混合動力技術(shù)（如串并聯(lián)混動），則可以將發(fā)動機工況點控制在NOx小于10ppm的區(qū)域。而為了實現(xiàn)整車近零排放，可以沿用在柴油機領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟SCR后處理技術(shù)。


圖3 2.0L缸內(nèi)直噴、渦輪增壓氫燃料內(nèi)燃機的原始HC和CO排放


圖4 2.0L缸內(nèi)直噴、渦輪增壓氫燃料內(nèi)燃機的原始NOx排放及混合動力總成下發(fā)動機運行工況點(WLTC)

第六 ，當(dāng)前適合高壓儲氫的加氫站建設(shè)速度明顯加快。今年1月到7月，中國即新增了20座加氫站。

總結(jié)

氫燃料內(nèi)燃機的零碳排放特性使其成為實現(xiàn)汽車低碳化發(fā)展的重要技術(shù)路徑之一。過去20年來在燃料電池、內(nèi)燃機以及混合動力總成的技術(shù)進步，使得氫燃料內(nèi)燃機可以充分利用現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，促進其在車用動力中的應(yīng)用。同時，氫燃料內(nèi)燃機具備的成本優(yōu)勢，將有助于提高氫氣的使用需求，從而推動氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。