零碳排放车用动力技术：氢燃料内燃机

概述

2020年10月27号发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》指出，低碳化是未来全球汽车技术的重要发展趋势和升级方向，并提出我国汽车产业碳排放总量先于国家碳排放承诺，于2028 年左右提前达到峰值。这是汽车行业主动提出的一个重大的汽车低碳化目标。

在未来的车辆动力系统中，氢气被认为是可能的燃料并有望实现从油井到车轮的零碳排放。中国、韩国、日本、欧洲等主要市场已制定了在全国范围内建设制氢和加氢站的长期计划，基础设施网络也在不断扩大中，且随着氢燃料价格的下降，其使用成本有望达到甚至低于液体燃料的水平。但与传统燃料相比，当前的氢燃料在使用便利性方面仍缺乏竞争力。其中，应用场景端的需求不足是制约其发展的重要因素。在车用动力领域，燃料电池是氢燃料的主要使用场景，并在过去几十年内获得了很大的技术进步。最近几年，氢燃料内燃机重新引起人们的重视，被认为是实现零排放社会的可选技术之一。氢燃料内燃机可以充分利用现有内燃机的产业基础，加入到车用动力中，将有助于提高氢气的使用需求，从而推动氢气基础设施的建设。


图1 碳排放并非来自内燃机本身，而是燃料

本系列文章主要针对氢燃料内燃机的技术现状和台架测试结果、整车零排放和续航评估两个方面展开讨论。本文是系列文章之一，重点讨论氢燃料内燃机的开发历史和当前的技术现状。

氢燃料内燃机的开发历史及当时的技术局限

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 ，当时宝马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。该技术路线目前尚未在车用储氢技术中得到应用。

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。

综合上述六个原因，早期氢内燃机的技术不成熟和基础设施缺乏导致大多数汽车公司放弃了开发计划，未能实现量产。

相比20年前，氢燃料内燃机的技术进步和可行性

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（12）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。如图2所示，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。


图2 缸内直喷和增压技术使得氢燃料内燃机的升功率和升扭矩大幅提高

第五 ，如图3所示，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，如图4所示。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。


图3 2.0L缸内直喷、涡轮增压氢燃料内燃机的原始HC和CO排放


图4 2.0L缸内直喷、涡轮增压氢燃料内燃机的原始NOx排放及混合动力总成下发动机运行工况点(WLTC)

第六 ，当前适合高压储氢的加氢站建设速度明显加快。今年1月到7月，中国即新增了20座加氢站。

总结

氢燃料内燃机的零碳排放特性使其成为实现汽车低碳化发展的重要技术路径之一。过去20年来在燃料电池、内燃机以及混合动力总成的技术进步，使得氢燃料内燃机可以充分利用现有产业基础，促进其在车用动力中的应用。同时，氢燃料内燃机具备的成本优势，将有助于提高氢气的使用需求，从而推动氢基础设施的建设。