“雙碳目標”下，內(nèi)燃機工業(yè)或?qū)⒃　皻洹敝厣?、綻放新的光彩

本刊記者 馮 銳 文

傳統(tǒng)內(nèi)燃機遭受挑戰(zhàn)

2009年3月，國務院發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整與振興規(guī)劃》首次提出“實施新能源汽車戰(zhàn)略”：“以新能源汽車為突破口，加強自主創(chuàng)新，培育自主品牌，形成新的競爭優(yōu)勢，促進汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)、健康、穩(wěn)定發(fā)展”的目標。同年，多個部委啟動了“十城千輛”新能源汽車示范項目。從那時開始，以傳統(tǒng)能源(包括石油、天然氣、煤等化石燃料)為主要燃料的內(nèi)燃機在汽車領域的地位開始受到了新的挑戰(zhàn)。

2020年9月，中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標。2019年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國碳排放主要集中在電力、工業(yè)和地面運輸3個領域；能否實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的目標，很大程度上取決于這3大領域。而在工業(yè)和地面運輸廣泛應用的內(nèi)燃機一直是石油等含碳燃料的消耗大戶。據(jù)《內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃(2021-2035）》統(tǒng)計，內(nèi)燃機每年消耗我國石油的 60%以上，排出的 CO占全國總量 9.8%。在動力系統(tǒng)電動化、工業(yè)生產(chǎn)智能化，經(jīng)濟發(fā)展低碳化的大趨勢下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機的產(chǎn)業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

康明斯15 L氫內(nèi)燃機

各種減碳方案，各有長短

商用車是國家經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，亦是碳排放大戶。作為道路運輸?shù)闹髁?，主要搭載柴油內(nèi)燃機的重卡，其單車運營里程長、運營頻次高、柴油消耗總量高，是氮氧化物、一氧化碳和顆粒物等污染物的主要排放來源。因此，在國家政策引導下，重卡行業(yè)節(jié)能減碳成為大勢所趨。目前，除了非化石能源領域，在中重型商用車的降碳方案中，已經(jīng)形成一定產(chǎn)業(yè)與市場規(guī)?；蚓哂幸欢óa(chǎn)業(yè)基礎的有：充電式純電驅(qū)動、換電式純電驅(qū)動、氫燃料電池、氫內(nèi)燃機等。這幾種各有長短。

第一種，充電式純電驅(qū)動。充電式電驅(qū)動重卡，其面臨最大的挑戰(zhàn)在于動力電池的容量、質(zhì)量、成本、使用壽命，以及充電換電是否便捷高效。據(jù)介紹，當前的鋰電池能量密度已經(jīng)沒有了大幅度提升的空間，新型的固態(tài)電池、鈉電池技術(shù)還不成熟，如果想要長續(xù)航，就需要增加電池模組的數(shù)量，這樣一來車體的重量必定會大幅增加。

第二種，換電純電驅(qū)動。換電重卡在一定程度上解決了“里程焦慮”，但其主要應用場景為港口運輸、鋼鐵企業(yè)內(nèi)部運輸、礦山運輸、支線倒短、城市市政工程建設領域等短途運輸場景。在這些對運營效率要成本占比相對較高，限制了商業(yè)化發(fā)展，而電堆成本在整個燃料電池系統(tǒng)中占比高達60%，主要是由于反應所用的鉑催化劑昂貴，若隨著技術(shù)發(fā)展，減少鉑的含量或者采用其他催化劑代替鉑，或?qū)O大地降低整車成本。綜上，現(xiàn)階段，動力電池成本高、續(xù)航短、整車自重大、充電“老大難”的問題依然突出；氫燃料電池的成本、耐久性以及燃料儲運短板也嚴重制約其大規(guī)模應用。純電、燃料電池尚無法滿足中重卡、船機、工程機械等高載荷和高功率密度、長距離運行的要求。

濰柴氫氣內(nèi)燃機

第四，氫內(nèi)燃機動力。當前，國內(nèi)在積極推動燃料電池技術(shù)發(fā)展的同時，同樣沒有放棄對氫內(nèi)燃機的關(guān)注和研究。自1876年，德國人奧拓發(fā)明并制成世界第一臺實用的內(nèi)燃機以來，內(nèi)燃機的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了145年的歷程。內(nèi)燃機作為第2次工業(yè)革命的標志性科技成就，或?qū)⒊掷m(xù)在人類生產(chǎn)生活中發(fā)揮著不可替代的作用。而在近年的節(jié)能減碳大目標下，內(nèi)燃機工業(yè)也不甘落后，正在發(fā)生著深刻的革命：近年氫內(nèi)燃機的出現(xiàn)，或?qū)橹兄匦蜕逃密嚋p碳目標的實現(xiàn)，提供新型、經(jīng)濟的了綠色動力。

據(jù)國內(nèi)專家介紹：歐洲目前正在大力發(fā)展氫能動力產(chǎn)業(yè)，除了氫燃料電池外，目前歐洲幾乎所有的主流商用車主機廠都在關(guān)注或者已經(jīng)開始了氫氣發(fā)動機(氫氣內(nèi)燃機)的可行性研究，并成立了包括主機廠、關(guān)鍵零部件等22家企業(yè)的氫氣發(fā)動機聯(lián)盟?！痹摻ㄗh還說：“氫氣發(fā)動機燃燒氫氣不排放CO，也是零求極高的固定路線短途運輸場景，換電重卡所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也漸受市場認可；但在長途干線物流運輸場景，換電重卡仍面臨電池自重大、現(xiàn)有電池續(xù)航里程短、低溫環(huán)境下電池續(xù)航里程更短的不適用性。

第三，氫燃料電池方案。氫燃料電池是通過電化學反應而不是燃燒獲取能量，反應產(chǎn)物只有水，無有害氧化物產(chǎn)生。同時，氫燃料電池重卡是在電堆內(nèi)部發(fā)生電化學反應，直接輸出電能驅(qū)動電機，過程運行平穩(wěn)，不發(fā)生振動，噪聲低。不過，氫燃料電池系統(tǒng)碳排放，是滿足CO排放法規(guī)快速可靠的技術(shù)方案；它可以利用現(xiàn)有的內(nèi)燃機技術(shù)，以及配套供應鏈；同時它對氫氣燃料純度的要求不高，甚至可以直接使用鋼鐵及化工產(chǎn)業(yè)的工業(yè)副產(chǎn)氫，不需要進一步的提純。

部分商用車企業(yè)的氫內(nèi)燃機研發(fā)成果

近期以來，在“雙碳目標”下，我國商用車行業(yè)已經(jīng)有不少企業(yè)正在進行和加快氫內(nèi)燃機的研發(fā)，部分企業(yè)在氫內(nèi)燃機研發(fā)方面取得階段性成果，簡單梳理如下：

(1)2021年12月21日，廣西玉柴機器股份有限公司在北京理工大學正式發(fā)布玉柴首臺商用車氫內(nèi)燃機YCK05。玉柴YCK05燃氫發(fā)動機采用了高壓多點進氣道噴射技術(shù)、高效低慣量渦輪增壓技術(shù)、高效稀薄燃燒技術(shù)等多項先進的專項技術(shù)，并對整機結(jié)構(gòu)、燃燒和配氣等子系統(tǒng)進行了全面優(yōu)化升級，攻克了燃氫發(fā)動機易回火、易爆震等技術(shù)難題。據(jù)悉，玉柴在輕型、中型、重型燃氫發(fā)動機均開展了技術(shù)研究和儲備。

(2)2022年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15 L氫內(nèi)燃機。該發(fā)動機基于康明斯最新的適用于多種燃料的發(fā)動機平臺，該平臺的發(fā)動機氣缸墊下方的大部分零部件結(jié)構(gòu)相似，而氣缸墊上方則根據(jù)不同燃料的類型，采用不同的零部件組合。據(jù)悉，2021年7月，康明斯就已開始氫內(nèi)燃機測試；2022年6月，康明斯宣布加入氫能發(fā)動機聯(lián)盟，該聯(lián)盟匯集了領先的行業(yè)代表，致力于推動氫內(nèi)燃機技術(shù)研發(fā)。

(3)2022年6月8日，由一汽解放自主設計研發(fā)的國內(nèi)首款重型商用車缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動機成功點火并穩(wěn)定運行。該款氫氣發(fā)動機屬13 L重型發(fā)動機，運轉(zhuǎn)功率超500 PS，指示熱效率突破55%，該機型所基于的零碳氫基內(nèi)燃動力孵化平臺，具備氫氣單燃料缸內(nèi)直噴、氫氣單燃料缸內(nèi)和氣道混合噴射、氨氣和氫氣雙燃料噴射能力，可靈活轉(zhuǎn)化成氫氣、氨氣等凈零碳燃料產(chǎn)品。

(4)2022年6月15日，中國重汽、濰柴動力聯(lián)合發(fā)布全國首臺商業(yè)化氫內(nèi)燃機重卡。該款車型為中國重汽全新一代黃河品牌高端重卡，搭載濰柴動力自主開發(fā)的13 L氫內(nèi)燃機。該機采用精準氫氣噴射控制技術(shù)，實現(xiàn)氫燃料靈活準確供給，可充分滿足發(fā)動機工況需求；采用高效增壓、稀薄燃燒技術(shù)，解決了氫氣異常燃燒難題，確保發(fā)動機平穩(wěn)高效運行；采用濰柴自主ECU系統(tǒng)，智能控制、自主可控，確?？刂撇呗远ㄖ苹_發(fā)；基于已有的氣體機產(chǎn)品平臺進行技術(shù)再延伸，可快速推動商業(yè)化落地。

(5) 2022年3月28日，東風商用車和清華大學聯(lián)合開發(fā)的車用重型氨柴發(fā)動機(與氫燃料相同，氨—氫能利用的載體也被認為是面向碳中和的理想的內(nèi)燃機燃料)在清華大學成功點火。該機型依托東風13 L龍擎動力總成平臺，采用預混引燃技術(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定高效燃燒，采用液氨后處理技術(shù)實現(xiàn)更低排放控制，是東風在碳中和解決方案上的積極探索和實踐。據(jù)悉，清華大學系統(tǒng)地開展了氨氫、氨柴燃燒數(shù)值模擬和光學診斷基礎研究，并于2021年將射流燃燒技術(shù)應用于氨發(fā)動機，實現(xiàn)了在單缸機上成功點火。

玉柴K05氫內(nèi)燃機點火并穩(wěn)定運行

氫內(nèi)燃機是對傳統(tǒng)內(nèi)燃機的有效繼承和發(fā)展，內(nèi)燃機或?qū)⒗^續(xù)綻放新的光彩

據(jù)專業(yè)人士介紹，在結(jié)構(gòu)繼承與生產(chǎn)成本方面，氫內(nèi)燃機的基礎結(jié)構(gòu)和燃油(氣)內(nèi)燃機基本一致，其基礎零部件和生產(chǎn)制造系統(tǒng)基本可以通用；而且氫內(nèi)燃機不用攜帶燃油(氣)內(nèi)燃機必須攜帶的昂貴的排放處理系統(tǒng)。因此，傳統(tǒng)內(nèi)燃機生產(chǎn)企業(yè)可以很容易拓展生產(chǎn)該機型。此外，氫內(nèi)燃機可與現(xiàn)用的變速器相聯(lián)接，這樣一來，傳統(tǒng)內(nèi)燃機企業(yè)生產(chǎn)氫內(nèi)燃機車的產(chǎn)線改造成本不大。

另據(jù)時任全國人大代表，漢馬科技集團股份有限公司黨委書記、總經(jīng)理劉漢如在2021年全國兩會期間提出的建議之一《鼓勵發(fā)展零碳排放氫氣發(fā)動機(內(nèi)燃機)》介紹：“氫氣發(fā)動機(內(nèi)燃機)的供氫系統(tǒng)與燃料電池相同，氫氣發(fā)動機(內(nèi)燃機)本體與天然氣發(fā)動機(內(nèi)燃機)接近，增加了氫氣噴射系統(tǒng)，其后處理主要處理NOx，甚至比柴油機還要簡單。其總體技術(shù)可靠性高、成本低。而且……氫氣發(fā)動機(內(nèi)燃機)更適用于重載、非道路、建筑和專用商用車?！痹摻ㄗh還說：“我國目前也在大力發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)有工業(yè)副產(chǎn)氫制氫潛力在450萬t以上，可直接用于氫氣發(fā)動機，運營的加氫站也超過100座，發(fā)展?jié)摿薮?。?/p>

另據(jù)介紹，當前氫內(nèi)燃機與氫燃料電池相近，也面臨著制備儲運成本高、配套設施短缺、能量密度較化石燃料低以及NOx排放等問題。但過去20年來在氫燃料電池、內(nèi)燃機以及混合動力總成的技術(shù)進步，使得氫燃料內(nèi)燃機可以充分利用現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎，促進其在車用動力中的應用。

從2020年開始，我國要在2030、2060年分別實現(xiàn)碳達峰、碳中和的目標，挑戰(zhàn)是巨大的。筆者認為，在實現(xiàn)“雙碳”目標的過程中，以新能源為重點的可再生能源(非化石能源)推廣的核心問題在于成本和應用便利程度。而氫內(nèi)燃機在某些應用場景下，具備獨特的便利和成本優(yōu)勢。因此，內(nèi)燃機或?qū)⒃谔歼_峰、碳中和的背景下繼續(xù)綻放新的光彩。