雙碳背景下全球氫內燃機發展現狀及應用前景

陳 雷，Zurnstein Christian，唐榮彬，李 志

（1.道依茨（北京）發動機有限公司，北京 100004；2.道依茨（上海）國際貿易有限公司，上海 200333；3.大陸汽車電子（長春）有限公司，長春 130000）

氣候變化是全人類面臨的共同挑戰，要實現在21世紀末將全球溫升控制在不超過工業化前1.5 ℃的目標，全球需要大幅減少CO2排放。2020年，我國能源系統CO2排放約為113 億t（含工業過程排放），約占全球碳排放量的1/3[1]。隨著碳達峰碳中和（簡稱雙碳）目標的提出，2050年以前，我國在碳減排領域將面臨前所未有的挑戰。為實現可持續發展，我國大力發展太陽能、風能等綠色能源，但其具有隨機性及波動性，在時間和空間上無法與社會用能需求匹配。氫氣有極高的能量密度，而且具備可再生、清潔無污染的特質，不僅可以替代化石能源，還可作為長期儲能介質，彌補太陽能、風能等綠色能源的劣勢，被視為未來重要的能量載體。氫內燃機（HICE）作為重要的氫能應用設備，不僅繼承燃油內燃機的優點，還有助于解決CO2及污染物排放問題，具備產業化、規?；茝V條件。

1 氫內燃機的優勢

氫氣具有熱值高、火焰傳播速度快、擴散系數高、燃燒范圍廣等優點，非常適合作為內燃機的燃料。作為內燃機燃料，氫氣具有多個優點：燃燒濃度范圍大，容易實現稀薄燃燒，減少氮氧化物（NOx）排放，提高熱效率；火焰傳播速度快，可使燃燒更類似定容過程，燃燒效率高；自燃溫度和辛烷值較高，可使HICE 實現較高的壓縮比來提高熱效率；點火能量低，使HICE 具備良好的啟動性能；在空氣中的擴散速度快，更容易形成均質混合氣；有害排放物少，若不考慮滑油燃燒，尾氣不含CO2、CO、顆粒物等污染物，NOx排放水平較低。

HICE 與氫燃料電池作為重要的氫能動力設備，得到各國相關領域關注。氫燃料電池以其效率高、零排放、零噪聲等優點被認為是未來理想的動力設備，但成本高、壽命低、響應速度慢等缺點使其難以在短期內實現大規模應用。與氫燃料電池相比，HICE 也可實現零碳排放，還具有多個優勢：一是制造成本更低，僅比燃油內燃機高15%左右[2]；二是壽命更長，與燃油內燃機相當；三是具有完整的零部件供應、產品組裝與售后服務體系，不影響基于燃油內燃機的動力系統結構；四是可燃燒粗氫，降低氫氣制備端成本；五是功率范圍廣，可覆蓋1～10 000 kW 使用需求。

2 氫內燃機企業產品研發進展

HICE 的研發已有幾十年歷史。早在20世紀70年代，美國福特、德國奔馳、德國寶馬等企業先后展開HICE 的研發，隨后日本馬自達、中國長安等也先后投入研發。隨著研究的深入，回火、早燃、爆燃、動力不足等問題相繼出現，而且當時車載儲氫技術、氫氣基礎設施不完善，德國寶馬等公司先后暫停研發工作。近年來，隨著材料、化工、機械加工等領域的技術進步及氫氣基礎設施的逐步完善，全球內燃機企業及科研機構紛紛重啟相關研發，并加大投入，密集發布基于燃油內燃機平臺的HICE。全球HICE 相關研發及產品情況如表1所示。

表1 全球內燃機企業HICE 研發進展

3 氫內燃機技術發展現狀

3.1 從進氣道噴射到缸內直噴

HICE 屬于點燃式發動機，可分為兩種類型，即進氣道噴射和缸內直噴。進氣道噴射是將氫氣噴射到每個進氣口的進氣歧管中，噴射時刻在排氣沖程末段或進氣沖程初段，噴射壓力為0.5～3.0 MPa，容易形成均勻混合氣，技術成熟，成本低，噴嘴工作環境較好，但有一定回火風險，升功率較低。缸內直噴是在進氣閥關閉后氫氣通過高壓噴嘴直接噴入缸內，無回火現象，而且可提升混合氣能量密度，提高熱效率，但具有較高的噴射壓力[3]，對噴嘴的耐磨性和密封性要求高，降低車載儲氫效率?，F階段，由于缸內直噴噴嘴處于研發階段，多數內燃機廠商采用進氣道多點噴射方式加快產品示范應用，積極參與缸內低壓直噴的研發，逐步提高HICE 的升功率及熱效率。

3.2 廢氣再循環+稀薄燃燒降低NOx 原始排放

氫氣燃燒范圍廣，因此更容易實現稀薄燃燒，有效減少NOx排放。從圖1 可以看出，當空燃比介于1.5～2.0 時，燃燒過程最高溫度隨空燃比增大而降低，從而使NOx排放大幅度下降，同時可減小壁面損失，提高燃燒效率；高過量空氣系數使混合氣中氮氣和氧氣占比較高，也可有效降低混合氣的爆燃敏感度。

圖1 氫內燃機運行時混合氣的NOx 和O2 濃度及燃燒溫度

然而，僅采用稀薄燃燒技術無法滿足NOx排放限值要求，且較大的過量空氣系數給增壓器選擇帶來困難，采用廢氣再循環（EGR）技術是一種有效的方法。EGR 技術可降低燃燒溫度和速度，使最大爆發壓力出現的相位角和放熱反應始點后移，減少原始NOx排放，降低爆燃敏感性。研究顯示[4]，廢氣再循環率為15%時，NOx排放可大幅降低，并且不會對發動機的穩定運行產生影響。采用EGR 技術，也可有效降低發動機的過量空氣系數，其他條件不變時，廢氣再循環率增加5%，空燃比降低0.15～0.20，當廢氣再循環率為15%時，空燃比比不使用EGR 技術時低0.5[5]。

3.3 更高效的廢氣渦輪增壓策略

氫氣火焰傳播速度快，可產生較為理想的等容過程，提高整機熱效率，減小廢氣中的能量。研究顯示，由于氫氣在缸內的快速燃燒，廢氣中的能量會降低25%，若混合氣進一步稀釋，在空燃比為1.6 的情況下能量會降低40%。較低的排氣能量和較大的進氣需求給增壓過程帶來挑戰。HICE 有多種燃燒增壓方式，如電動增壓、雙渦輪增壓、調節式增壓和變渦輪截面（VTG）增壓等，經對比，VTG 增壓系統結構簡單，在全部轉速范圍內均可實現升功率段的有效提高，而且HICE 廢氣溫度較低，廢氣排放量少，可顯著提升VTG 增壓器的穩定性和壽命。

4 氫內燃機大規模應用面臨的挑戰

目前，我國化石能源制氫成本為6～16 元/kg，電解水制氫（采用谷電）成本為18～20 元/kg，氫能在經濟上仍無法與化石能源競爭。此外，氫氣容易導致存儲材料氫脆，密度小導致儲運效率低，易燃易爆導致儲運過程受限，諸多問題也是制約HICE 快速發展的重要因素。氫氣的特殊性質要求部分HICE 零部件具備更高的性能。例如，氫氣噴嘴需要更高的體積流量，同時耐磨性、耐腐蝕性、密封性需要特殊考慮；渦輪增壓器需要應對更低的廢氣熱量和更高的進氣需求帶來的挑戰；后處理系統需要考慮未燃氫及后處理過程二次生成的NH3排放等。

5 結論

產品研發測試結果顯示，采用稀薄燃燒、廢氣再循環、VTG 增壓、進氣道多點噴射等先進技術的HICE 熱效率與燃油內燃機相當，同時原始排放可得到有效降低。目前，部分HICE 產品已完成初步開發，實現量產。后續開發目標是將HICE 集成到發電機組、工程機械及車輛上進行進一步驗證。與此同時，氫氣價格高，儲運困難，缸內直噴噴嘴性能及耐久性差，法規與標準不完善等問題還需要進一步解決，以加速HICE 在商用車、工程機械、農用機械、軌道交通、發電等領域的產業化與規?；茝V。