概述

2020年10月27號(hào)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(shì)和升級(jí)方向，并提出我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)碳排放總量先于國(guó)家碳排放承諾，于2028 年左右提前達(dá)到峰值。這是汽車行業(yè)主動(dòng)提出的一個(gè)重大的汽車低碳化目標(biāo)。

在未來的車輛動(dòng)力系統(tǒng)中，氫氣被認(rèn)為是可能的燃料并有望實(shí)現(xiàn)從油井到車輪的零碳排放。中國(guó)、韓國(guó)、日本、歐洲等主要市場(chǎng)已制定了在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)制氫和加氫站的長(zhǎng)期計(jì)劃，基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)也在不斷擴(kuò)大中，且隨著氫燃料價(jià)格的下降，其使用成本有望達(dá)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(jìng)爭(zhēng)力。其中，應(yīng)用場(chǎng)景端的需求不足是制約其發(fā)展的重要因素。在車用動(dòng)力領(lǐng)域，燃料電池是氫燃料的主要使用場(chǎng)景，并在過去幾十年內(nèi)獲得了很大的技術(shù)進(jìn)步。最近幾年，氫燃料內(nèi)燃機(jī)重新引起人們的重視，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)零排放社會(huì)的可選技術(shù)之一。氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以充分利用現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，加入到車用動(dòng)力中，將有助于提高氫氣的使用需求，從而推動(dòng)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(jī)本身，而是燃料

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

氫燃料內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)歷史及當(dāng)時(shí)的技術(shù)局限

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

首先 ，當(dāng)時(shí)寶馬采用液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)來解決氫燃料內(nèi)燃機(jī)的供氫問題。但液態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)氫技術(shù)中得到應(yīng)用。

第二 ，氫內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)熱效率低于汽油機(jī)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(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)熱效率，需要在更高的負(fù)荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)稀薄燃燒，這對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)來說是很難實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)還需要專門設(shè)計(jì)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(diǎn)火等非正常燃燒，較低的幾何壓縮比（9.5左右）進(jìn)一步限制了熱效率的提升。上述兩個(gè)缺點(diǎn)使得氫氣內(nèi)燃機(jī)的熱效率潛力沒有得到充分挖掘。

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

第四 ，早期開發(fā)的氫燃料內(nèi)燃機(jī)功率扭矩較低，無法與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相提并論。由于采用自然吸氣的氫氣進(jìn)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(jī)升功率僅32kw/L。

第五 ，由于實(shí)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(guó)超低排放(SULEV)的3.9%，沒有實(shí)現(xiàn)零排放。

第六 ，氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏對(duì)于氫內(nèi)燃機(jī)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(chǔ)氫的加氫站更少。

綜合上述六個(gè)原因，早期氫內(nèi)燃機(jī)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(jì)劃，未能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

相比20年前，氫燃料內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和可行性

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

首先 ，氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以使用已經(jīng)在燃料電池中獲得應(yīng)用的高壓儲(chǔ)氫技術(shù)。高壓儲(chǔ)氫是當(dāng)前車用儲(chǔ)氫的主流技術(shù)，有效避免了液態(tài)儲(chǔ)氫的問題。在乘用車上，700bar高壓儲(chǔ)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(dá)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(jī)中的進(jìn)步，可以幫助氫燃料內(nèi)燃機(jī)在更大工況范圍下實(shí)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(fù)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(jī)中的技術(shù)也可以應(yīng)用在氫燃料內(nèi)燃機(jī)中，如米勒循環(huán)、活塞冷卻、水套和活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)等，從而提高氫燃料內(nèi)燃機(jī)的幾何壓縮比。

第三 ，動(dòng)力總成電氣化技術(shù)結(jié)合上述的高壓儲(chǔ)氫和高熱效率氫燃料內(nèi)燃機(jī)，將有效提高整車的續(xù)駛里程。使用已在汽油機(jī)乘用車中獲得應(yīng)用的串并聯(lián)混合動(dòng)力技術(shù)，氫燃料內(nèi)燃機(jī)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(jìn)步，氫燃料內(nèi)燃機(jī)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(jī)，當(dāng)前的增壓直噴氫燃料內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(dá)到了汽車工業(yè)用排放測(cè)試設(shè)備的最小測(cè)試極限。同時(shí)，由于實(shí)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(dá)到了小于10ppm的水平，如圖4所示。如果采用混合動(dòng)力技術(shù)（如串并聯(lián)混動(dòng)），則可以將發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)控制在NOx小于10ppm的區(qū)域。而為了實(shí)現(xiàn)整車近零排放，可以沿用在柴油機(jī)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(jī)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(jī)的原始NOx排放及混合動(dòng)力總成下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)(WLTC)

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

總結(jié)

氫燃料內(nèi)燃機(jī)的零碳排放特性使其成為實(shí)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(jī)以及混合動(dòng)力總成的技術(shù)進(jìn)步，使得氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以充分利用現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，促進(jìn)其在車用動(dòng)力中的應(yīng)用。同時(shí)，氫燃料內(nèi)燃機(jī)具備的成本優(yōu)勢(shì)，將有助于提高氫氣的使用需求，從而推動(dòng)氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。