氢内燃机汽车

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氢内燃机

氢燃料内燃机最早的研究可以追溯到20世纪30年代末，自20世纪70年代以来，氢内燃机逐步在汽车工业中得到重视。包括宝马、大众、马自达、曼等在内的汽车公司将氢燃料内燃机应用于车用领域，其中宝马更是开发了示范车队。但是，由于种种原因最终在21世纪初逐步放弃了氢内燃机的开发。

首先 ，当时大部分汽车企业采用液态储氢技术来解决氢燃料内燃机的供氢问题。但液态储氢技术不仅带来氢气液化的高成本，而且还存在液态氢蒸发的问题难以解决。
第二 ，氢内燃机的系统热效率低于汽油机和燃料电池。较低的系统热效率主要是由于较窄的稀薄燃烧区域和较低的几何压缩比。为了实现更高的系统热效率，需要在更高的负荷区域实现稀薄燃烧，这对于自然吸气发动机来说是很难实现的。同时还需要专门设计的氢气喷油器来提供足够的氢气质量流量。此外，为了抑制爆震和表面点火等非正常燃烧，较低的几何压缩比（9.5左右）进一步限制了热效率的提升。上述两个缺点使得氢气内燃机的热效率潜力没有得到充分挖掘。
第三 ，由于液态储氢的使用和系统效率低导致氢燃料内燃机车辆的续驶里程远低于汽油车辆，NEDC下纯氢驱动的续驶里程仅200 km。
第四 ，早期开发的氢燃料内燃机功率扭矩较低，无法与汽油发动机相提并论。由于采用自然吸气的氢气进气道喷射，因此缸内混合热值较低，最大功率和扭矩受到限制，如宝马的氢燃料内燃机升功率仅32kw/L。
第五 ，由于实现均匀混合气稀薄燃烧的工况范围较窄，因此，原始NOx排放较高。即使使用了NOx后处理装置，整车的NOx排放仍然是美国超低排放（SULEV）的3.9%，没有实现零排放。
第六 ，氢气基础设施的缺乏对于氢内燃机的应用起到了非常重要的限制作用，特别是用于液态储氢的加氢站更少。

近20年来，燃料电池和内燃机均取得了很大的技术进步。这些技术进步将有助于解决上述氢燃料内燃机面临的六个关键问题。

首先 ，氢燃料内燃机可以使用已经在燃料电池中获得应用的高压储氢技术。高压储氢是当前车用储氢的主流技术，有效避免了液态储氢的问题。在乘用车上，700bar高压储氢技术已经在燃料电池中得到了应用。

第二 ，系统热效率可以大幅提高，短期内有望达到45%的有效热效率。热效率的提高，一方面是由于增压技术在液体燃料内燃机中的进步，可以帮助氢燃料内燃机在更大工况范围下实现Lambda>2.5的稀薄燃烧。另一方面，通过单缸双氢气喷嘴气道喷射或者缸内直喷氢气解决了大负荷区域供氢量的问题。此外，当前应用在高压缩比增压汽油机中的技术也可以应用在氢燃料内燃机中，如米勒循环、活塞冷却、水套和活塞优化设计等，从而提高氢燃料内燃机的几何压缩比。

第三 ，动力总成电气化技术结合上述的高压储氢和高热效率氢燃料内燃机，将有效提高整车的续驶里程。使用已在汽油机乘用车中获得应用的串并联混合动力技术，氢燃料内燃机的整车NEDC续航有望超过700km。

第四 ，由于缸内直喷氢气喷射技术和涡轮增压技术的进步，氢燃料内燃机升功率和升扭矩均获得了很大提升，2.0L排量即可以满足乘用车和轻型商用车的使用需求。相比BMW在2006年发布的世界第一款批产氢燃料内燃机，当前的增压直喷氢燃料内燃机的升功率和升扭矩均大幅增加。

第五 ，原始HC和CO排放值达到了汽车工业用排放测试设备的最小测试极限。同时，由于实现了Lambda>2.5的均匀混合气稀薄燃烧，原始NOx排放在接近一半的工况下达到了小于10ppm的水平。如果采用混合动力技术（如串并联混动），则可以将发动机工况点控制在NOx小于10ppm的区域。而为了实现整车近零排放，可以沿用在柴油机领域应用较为成熟SCR后处理技术。

第六 ，当前适合高压储氢的加氢站建设速度明显加快。

我国自主研制的第一台氢内燃机由长安在 2007 年打造，距今已 15 年。如今，在双碳目标之下，一度被束之高阁的技术路线因较低的开发使用成本和混动技术的成熟，又重返赛道。

氢内燃机 vs. 氢燃料发动机

氢内燃机也叫氢燃料发动机，以传统内燃机为基础，通过改变燃料供应系统、喷射系统以及燃料等，燃烧氢气产生动力。作为氢能汽车的两个发展方向，氢内燃机与氢燃料电池技术并不冲突。

氢燃料电池车底盘结构和常见的电动卡车比较接近，同样配置有电机、电控以及电池三电系统等部件，不过在这基础上，氢燃料电池卡车还增加了燃料电池和储氢罐等部件。燃料电池相当于是一种能量转化装置，依靠氢燃料电池电堆中的氢气与氧气产生电化学反应，产生电能驱动。简单来讲，氢能源卡车就是通过氢气和氧气在燃料电池中产生电力来给电动机供电，从而推动卡车在路上行驶，有着比较高的能量转换效率。氢燃料电池是目前主流的氢能技术路线之一，但其制造成本高昂，需要整体更新驱动系统。就拿氢燃料牵引车来说，动辄100-200万的价格对于普通用户而言，基本上是可望而不可求。因此，现阶段氢燃料重卡只适用于部分特定场景，短时间内很难在商用车上实现全面普及。

对比氢燃料电池，氢内燃机的造价更低，对资源的约束性小，并且对氢气的纯度要求较低。氢内燃机车型底盘布局与传统燃油车更为接近，只不过是对发动机与燃料喷射系统等部件进行了重新改造和匹配，把燃油变为了氢气。由于氢内燃机的主体结构与柴油机相差不大，因此两者之间的零部件通用性极高。就以康明斯近期推出的燃料不限定（fuel-agnostic）平台为例，氢内燃机与柴油机之间有高达80%的部件可以通用，更换发动机气缸盖以及燃料喷射系统以及发动机电脑板等部件，即可由柴油转氢气。因此，氢内燃机技术线路不太会影响到企业的生产链条，可以有效降低制造成本。并且氢内燃机的技术与柴油机也比较接近，主流厂商都有足够的技术积累的研发条件，能够相对较快地进行普及和推广。而对于用户和车队来说，用更加经济的价格就能买到氢燃料卡车，可以在相对较短的运营里程内快速收回成本。燃料电池需要吃‘细粮’，要求氢气的纯度达到 99.99%。而氢内燃机则没那么‘娇贵’，对氢气的纯度没有特别要求，而且在高负荷区具有较高的综合效率。对于承担货物运输的中重卡来说，氢内燃机是更经济且更高效的选择。目前国内的一汽解放、潍柴、玉柴等企业已经上线了各自的氢内燃机产品，在满足几乎零碳排放标准的同时，还能实现更低的能耗，这种技术线路也是目前商用车向氢能化发展的主要方向之一。

很明显，氢内燃机采用的是传统燃烧反应，而氢燃料电池采用的则是电化学反应，两者有着本质上的区别。氢内燃机的优势在于与市场上保有量较大的柴油车有着较高的零部件通用性，可以在原有的内燃机工业体系上进行开发，其技术难度和成本都要比氢燃料电池更有优势，同时还继承了柴油发动机可靠耐用的出色表现，有着良好的燃料适应能力。并且在后期维修保养方面，也有更加成熟的服务技术体系来保障用户正常运营，同时还具备满足更高排放法规的潜力，有利于相关政策环保要求。在新能源趋势下，传统车企、发动机企业想要实现快速转型，除了在纯电动方面大做文章之外，氢内燃机无疑成为了当下最佳选择。

现有氢内燃机的有效热效率为35%~45%，而PEMFC系统的效率为50%~60%；虽然氢内燃机的效率偏低，但功率可以达到高值（目前可达到兆瓦级），已用于拖船和渡船。在成本方面，氢内燃机明显低于PEMFC系统，以100 kW发电装置为例，基于当前技术的氢内燃机成本仅为PEMFC系统的50%。氢气燃烧火焰传播速度快、放热集中，因而氢内燃机相对传统内燃机具有更高的热效率。普通内燃机热效率约为30%~40%，而德国企业研制的氢内燃机验证机热效率最高达到42%，我国正在研发的氢内燃机热效率有望达到44%。也要注意到，氢内燃机虽然具有输出功率高、热效率高、节能环保的优点，但存在爆燃、早燃、回火等技术难题，也会产生NO，因而提升动力系统性能、降低NO排放是后续氢内燃机研究亟待攻关的方面。

氢内燃机和氢燃料电池目前都有各自对应的运用场景和目标市场，并认为这两条技术线路能够形成互补。无论是氢燃料电池还是氢内燃机技术路线，想要实现全面普及和商业化推广，现阶段面临最大的难题还是在制氢、储氢、运氢以及建设加氢站等配套基础设施上。

最新进展

截至2022年11月，我国的氢内燃机相关专利申请数量已创下历年新高。目前我国氢内燃机的研发仍以高校和车企为主。

根据GlobalData的研究，中国的氢内燃机（ICE）技术在应对污染和气候变化方面出现了热潮。2022年6月以来，一汽集团、潍柴动力、广汽集团、玉柴集团、上海新动力、东风龙擎、北汽集团等企业密集发布新款氢燃料发动机。目前来看，今年以来发布的氢内燃机新品主要分布在重型商用车领域，排量有13升、15升、16升不等。氢内燃机的集中出现 , 似乎预示着汽车行业在实现零排放目标过程中，继纯电动、氢燃料电池后 " 第三条 " 技术路线的可能。氢内燃机能够在最大化利用内燃机成熟工业基础的前提下，实现接近氢燃料电池的减排目的，大幅降低研发成本和时间。这一路线被很多车企看重并积极尝试。

中国玉柴：中国玉柴国际为中国商用车市场推出了首款氢气发动机“YCK05”。氢动力发动机采用高压多点输入空气喷射、高效低惯性涡轮增压和高效稀燃燃烧等先进技术。它的设计改进了发动机结构及其支撑系统，如燃烧和气体分配系统。

一汽集团：通过其子公司一汽解放开发了国内首款重型商用车直喷式H2 ICE。这是一款13L重型发动机，可以以超过500hp的功率运行。使用排量为2L的四缸发动机，指示热效率约为55%，配有涡轮增压器，该发动机提供氢气和氨的双燃料喷射，可灵活地将其转化为氢气和其他净零碳燃料产品。

广汽集团：测试了一台热效率高达44%的氢内燃机。它还包括一个升级的氢气供应系统，可提高功率密度并降低氢气泄漏的可能性。新发动机似乎具有更好的散热能力，可以降低燃烧风险。

潍柴动力：与中国重汽合作，推出中国首款以黄河品牌命名的商用H2 ICE卡车。潍柴动力公司制造了这款汽车13L H2 ICE，其商业应用包括港口、城市、发电厂、钢厂、工业园区和其他独特的运输环境。

发展趋势

从技术路线来看，目前国内已有企业开始探索甲醇在线制氢在内燃机方面的应用、以氨制氢运用于氢内燃机汽车的可能路径；德国WTZ公司开发的新型发动机可避免氮氧化物(NOx)的产生；关于氢内燃机的各种技术路线进入多样化探索阶段。如下图所示，采用混合动力技术（如串并联混动），则可以将氢内燃机工况点控制在NOx小于10ppm的区域，叠加在柴油机领域应用较为成熟SCR后处理技术后，有望实现整车近零排放。

抛开少部分技术差异，氢内燃机本质上即是一台内燃机，然后在重点零部件部分进行重新开发，如喷油器、增压器等涉及氢脆的部件。车企基于已量产内燃机升级改造后，实现 "低成本" 的同时规避了氢燃料电池的 "高成本" 劣势，且与锂电池结合后，还能通过混动模式一定程度上解决效率偏低造成的续航问题。与氢燃料电池相比，氢内燃机在自身成本、使用成本、耐久性等方面有优势；其次，与传统汽油机相比，氢能发动机热效率更高，更适用于混动场景。

广汽设计的高效增压系统降低了换气阻力，提升了充气效率，并拓展了氢气发动机的稀薄燃烧极限，同时开发的氢气发动机专用管理系统，最终实现了氢气发动机的稳定运行和优越的性能输出，目标有效热效率将突破 44%，与传统高效汽柴油机热效率水平相当。氢发动机若进一步使用混合动力系统后，通过整车工况点运行适应性调整，系统效率可以进一步提高。两种技术的结合，一定程度上解决了氢内燃机热效率偏低的 " 先天不足 "。

虽然目前行业已通过混动技术弥补了氢内燃机热效率偏低的短板，但其固有的特性，仍在一定程度上制约着其商业化进程。氢内燃机加上 "内燃机" 三个字后，污染成为了关键命题——虽然氢气和氧气反应后会形成水，但这只发生在理想的纯氧状态，氢内燃机在高温工作时，会生成 NOx，即氮氧化合物。内燃机通过燃烧做功的机理导致存在一定的排放，包括 NOx 排放和润滑油带来的少量颗粒和碳氢排放。北汽的解决方式是配合燃烧控制策略和后处理系统，使得氢内燃机可以做到‘准零排放’。广汽氢发动机采用超稀薄燃烧模式，大幅降低了氮氧化物的排放。若采用 SCR 系统可将排放降低到零环境影响的程度。

氢内燃机技术的进步也开启了国外商用车企业的新一轮角逐。欧洲成立氢气发动机联盟（HEA），旗下成员包括戴姆勒卡车、康明斯、道依茨、博世等主流车企，大力发展氢能动力产业。日本车企巨头也加快了氢内燃机研发进展，2022年7月，五十铃汽车、电装公司、丰田、日野汽车和日本商业伙伴技术公司（CJPT）共同开始了重型商用车氢发动机的基础研究，旨在进一步利用内燃机作为实现碳中和的一种选择。

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氢能源技术的难点主要有以下几个方面：

1. 生产成本高：目前氢气的生产成本较高，主要是因为需要使用大量的电力来进行水电解或者从天然气中提取氢气，同时氢气的储存和运输也需要耗费一定的成本。

2. 储存和运输难度大：氢气是一种非常轻微的气体，需要高压或者低温的条件来储存和运输，同时氢气的泄漏也会对环境造成一定的危害。

3. 安全风险高：氢气是一种极易燃烧的气体，如果在储存、运输、加注或使用过程中出现泄漏或者意外，可能会造成严重的安全事故。

4. 市场需求不足：目前氢能源的应用范围相对较窄，主要用于交通运输、工业生产和能源储备等领域，市场需求相对较低。

因此，氢能源技术在普及方面还面临一些挑战，但是随着技术的不断发展和政策的支持，相信这些问题都可以逐步得到解决。目前已经有一些国家和地区开始在氢能源领域进行探索和实践，预计在未来10-20年内，氢能源技术将逐渐普及和应用。

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未来的发展方向上，不单纯是汽车，船舶和飞机，可能都直接用氢内燃机为动力。

由于传统汽车产业主要的零部件需求和核心技术在发动机，若氢内燃机大规模普及推广，新能源转型将不再是“死道友，不死贫道”以牺牲传统产业链企业为代价的模式，而是带动整个传统产业链一起转型，零部件厂商以及中石油、中石化这样的上下游企业都将受益。

发动机是2.0升零排放增压直喷氢内燃机，传统供应链无缝衔接，好像今年4月会去德国参加航展。