氫內燃機將煥發新生？——探索氫能利用的另一種可能
2022-05-24
氫能觀察張贏590280核心提示：在燃料電池“大張旗鼓”發展的形勢之下，氫內燃機似乎不太好過。盡管成本比氫燃料電池低得多，但是“買賬”的卻并不多。氫能利用的另一種可能氫能的利用方式主要有燃料電池和氫內燃機兩種。其中，燃料電池具有效率高、零排放的優點，但其技術難度大、成本高，
在燃料電池“大張旗鼓”發展的形勢之下，氫內燃機似乎不太好過。盡管成本比氫燃料電池低得多，但是“買賬”的卻并不多。其中，燃料電池具有效率高、零排放的優點，但其技術難度大、成本高，對基礎設施依賴強。
而氫內燃機具有多種燃料適應性，也可以用氫氣與現有的天然氣、柴油或者汽油進行摻混燃燒。氫內燃機保留了傳統內燃機的主要結構和系統，傳統內燃機的大部分零件氫內燃機都可以通用，能夠更大幅度降低制造成本，用內燃機來燃燒氫氣是實現氫能源的非常重要的方式。
據美國環保局中重卡溫室氣體排放模型（GEM）測算，一臺由氫內燃機驅動的2027 8級臥鋪半掛車，相比同類型的柴油發動機車輛每年可減少二氧化碳排放144公噸。當前，包括豐田、寶馬、康明斯、川崎等在內的多家企業正在積極進行氫內燃機研發。
去年8月10日，工信部對以“關于鼓勵發展零碳排放氫氣發動機”為主題的建議作出答復，工信部答復建議表示，下一步將積極配合相關部門制定氫能發展戰略，研究推動將氫氣內燃機納入其中予以支持。工信部將根據氫氣發動機技術進步和應用推廣情況，進一步評估現行標準體系的適應性和差異性，提前布局相關標準預研，適時推動急需標準制定，有力支撐氫氣汽車科學合理發展。
去年12月3日，工業和信息化部印發《“十四五”工業綠色發展規劃》，再次提出發展氫燃料燃氣輪機。
盡管國內氫內燃機的發展較為緩慢，但近兩年國家政策的號召以及市場的需要都在證明，氫內燃機的生存之路似乎還未到絕境。
氫內燃機的歷史可以追溯到1807年，當時瑞士人伊薩克·代·李瓦茨研發了第一款單缸氫氣內燃機。1968年，前蘇聯科學院西伯利亞分院理論和應用力學研究所用汽車發動機進行了分別燃用汽油和氫的試驗，并研究了改用液氫的結構方案，試驗取得成功，改用氫以后，發動機熱效率提高，熱負荷減輕。1972年洛斯阿拉莫斯實驗室把一輛別克牌轎車改成液氫汽車，發動機是一臺增壓的六缸四沖程內燃機，充裝一次液氫后行駛274km。
上世紀70年代后，蘇聯、德國、日本、美國、中國都有氫內燃機的技術投入，但是離占據主流還有相當長的距離，更多是實驗室產品和概念車。
氫內燃機(hydrogen internal combustion engine)可以簡單的理解為燒氫氣的發動機，其基本原理與普通的汽油或者柴油內燃機的原理一樣，是基本的汽缸——活塞式的內燃機，同樣是按照吸氣——壓縮——做功——排氣4個沖程來完成化學能對機械能的轉化，只是氫內燃機里的燃料是氫氣。氫氣內燃機與汽油內燃機相比有很多優點：排放物污染少，系統效率高，發動機的壽命也長。與燃料電池相比，普通氫燃料內燃機成本比常規汽油機成本僅高15％左右，遠低于燃料電池，具有成本優勢。氫內燃機的供氫系統與氫燃料電池車相同。發動機本體與天然氣發動機類似，增加了氫氣噴射系統，后處理主要處理氮氧化物，總體技術可靠性高，成本低，還能對現有車輛進行改裝升級，在環保方面潛力很大。同時，氫內燃機使用的燃料氫氣，對純度的要求不高，可以直接使用工業副產氫，不需要進一步的提純，進一步降低了成本。（氫燃料電池對于氫的純度就有一定的要求。）另外，氫內燃機比氫燃料電池更加適應高負荷運行工況，更適用于重載、非道路、建筑和專用商用車。但是，氫內燃機易發生早燃、回火、工作粗暴和NOx排放高等缺點，以及相較于燃料電池可以直接將化學能轉換為電能，其能量轉換效率較低，從而限制了氫內燃機的進一步推廣應用。我國氫發動機的研究開始于20世紀80年代初，國內一些高校和科研單位對內燃機燃氫和燃氫雙燃料內燃機等進行了實驗研究。其中，浙江大學曾與日本武藏工業大學合作進行液氫發動機的試驗研究，試驗采用了缸內直接噴射，并用模糊神經網絡控制，試驗結果表明氫氣發動機的異常燃燒、動力增加及NOx減少在很大程度上取決于正確的噴氫系統、噴射正時及點火正時。
2006年8月，由北京工業大學、北京益麥斯科技有限公司和北京飛馳綠能電源技術有限公司聯合成功改造了一輛可使用汽油和氫氣混合燃料的1.6L依蘭特轎車。該車在冷啟動、暖機、怠速和小負荷采用純氫氣運行，接近零排放；在中等負荷采用汽油混氫燃燒，排放和油耗進一步降低；在大負荷采用純汽油模式，確保了車輛在高負荷的動力性。北京理工大學對氫內燃機的研究走在國內前列，“十一五”期間與長安汽車集團合作，承接了國防科工委和科技部863節能與新能源汽車重大專項課題，開展了多項有關氫發動機內容的研究。
2007年6月，北京理工大學與長安集團共同研制的國內第一臺氫內燃發動機，在長安集團點火成功。隨后在2008年的北京國際車展上，長安汽車發布了中國首款氫動力概念跑車“氫程”。“氫程”搭載的便是上文剛剛提到的增壓中冷氫內燃機，直接以壓縮氫氣為燃料，其性能不僅可以達到汽油機的水平，效率上還比同排量的汽油機高30%以上，HC、CO、CO2排放幾乎為零，完全可實現超低排放并具有良好的低溫啟動性，在一次性加足燃料的情況下巡航距離可達230Km以上。
由于氫發動機需要將氫氣燃燒后獲得能量，傳統的高壓儲氫所能存儲的氫氣有限，而液化氫氣需要零下200℃甚至更低，成本過于高昂，固體儲氫是一個非常有前景的技術，但是目前來看短期內很難有突破性的材料和進展。2018年12月3日，北京理工大學在國家軍民融合公共服務平臺上發布了目前國內唯一的一套可以進行氫燃料內燃機系統開發的專用試驗臺架。
北京理工大學（以下簡稱“北理工”）氫內燃機研究課題組于2006年正式成立。孫柏剛教授帶領團隊用了6個月建立第一個實驗室，如今已形成穩定的科研隊伍。目前，北理工氫內燃機團隊基本搭建具有國際先進水平的整套實驗臺系統，是國內少有的能夠進行氫內燃機整機測試的完整實驗平臺。當前，團隊已為國內多家重點企業開發多款氫內燃機，相關技術得到行業廣泛認可。
早在2005年，長安汽車就開始了氫內燃機研究，并獲得國家“863”計劃立項。2007年6月，長安汽車與北理工合作研究的PFI氫內燃機成功點火。截止到2013年，研制的樣車穩定運行距離超過10,000公里。
2021年4月，由中國一汽自主設計研發的首款紅旗2.0L氫能專用發動機在研發總院試制所順利下線交付，并于當月在北理工實現點火。該發動機基于中國一汽最先進的第三代汽油機產品平臺自主研發，發動機排量2升，目標熱效率大于42%。2021年6月，長城蜂巢動力發布8款全新發動機。在氫氣發動機方面，長城表示將于2025年推出氫氣發動機，熱效率為42%，最大功率為120千瓦（163馬力），最大扭矩230牛米，搭載氫氣專用直噴系統、高壓耐腐蝕氫氣供給系統等多項新技術。2021年9月，廣汽集團自主研發的首款氫氣發動機點火成功。該發動機基于廣汽第四代發動機平臺自主研發，廣汽集團擁有完全自主知識產權，采用了多種新技術，以確保發動機平穩運行，熱效率可達44%。2021年12月，玉柴集團在北理工發布中國首臺商用車燃氫發動機YCK05。該燃氫發動機采用高壓多點進氣道噴射技術、高效低慣量渦輪增壓技術、高效稀薄燃燒技術等多項先進的專項技術，并對整機結構、燃燒和配氣等子系統進行全面優化升級，攻克了燃氫發動機易回火、易爆震等技術難題，熱效率達到42%。此外，面向重卡領域的YCK15N燃氫發動機預計將于在2022年上半年實現點火且穩定運行。
作為全球領先的動力設備制造商，康明斯一直在持續投資研發氫能交通技術，包括氫燃料發動機、燃料電池、電解槽和儲氫罐。5月9日，在加利福尼亞舉辦的ACT Expo展會上，康明斯展示了其最新的15L氫內燃機。該發動機基于康明斯最新的適用于多種燃料的發動機平臺，該平臺的發動機氣缸墊下方的大部分零部件結構相似，而氣缸墊上方則根據不同燃料的類型，采用不同的零部件組合。作為康明斯推進零碳目標戰略的重要組成部分，該發動機可使用清潔、零碳的氫氣作為燃料，助力客戶加速溫室氣體減排。早在2021年7月，康明斯就宣布開始氫內燃機開發的前瞻測試，開辟了商用車和非道路設備脫碳動力技術新路徑。去年7月13日，康明斯公司宣布已開始氫燃料內燃機開發的前瞻測試，此項概念驗證測試基于康明斯行業領先的氣體燃料應用和動力鏈技術基礎，旨在進一步探索先進零碳技術發展的新路徑。去年9月，康明斯宣布其氫燃料內燃機（H2-ICE）計劃正在開始開發中型6.7升和重型15升發動機。康明斯公司發動機業務總裁Srikanth Padmanabhan表示：“雖然電池-電動和燃料電池-電動動力系統都非常有前景，但內燃機成熟技術中的綠色氫配對技術也可為未來的零排放解決方案提供重要補充。”去年4月22日，豐田官方宣布其首臺氫燃料內燃機賽車將會在2021年5月21日開始的富士24小時耐力賽上亮相。豐田將氫燃料電池量產車MIRAI的氫氣儲存罐裝進豐田卡羅拉掀背版賽車中，發動機則是來自GR Yaris的G16E-GTS 1.6T L3發動機，并與電裝合作開發了氫氣專用噴油嘴和火花塞，發動機將直接燃燒氫氣產生動力。
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