零碳排放內(nèi)燃機，汽車脫碳的重要技術(shù)途徑

張少華 陳 剛 姚哲皓

(東風(fēng)商用車有限公司，十堰 442001)

0 前言

為了應(yīng)對氣候環(huán)境挑戰(zhàn)，減少化石能源消耗，降低溫室氣體排放，全球汽車行業(yè)正加速向電動化轉(zhuǎn)型。

2022年6月29日，歐 盟 批 準(zhǔn) 了2035年禁售燃油車的計劃。歐盟27國環(huán)境部長在經(jīng)過長時間磋商、討論之后，最終決定：到 2035 年在歐盟境內(nèi)禁售燃油車。

盡管27個歐盟國家達成一致批準(zhǔn)2035年停售燃油車計劃，但其接受了德國政府的例外請求，即允許銷售“二氧化碳中和”燃料的零碳排放內(nèi)燃機汽車。此外，歐盟將在2026年評估是否給使用合成燃料(e-fuel)的汽車或油電混合動力車“開綠燈”。歐盟禁售燃油車決定，或?qū)⒓铀貰EV、FCEV、零碳排放內(nèi)燃機的應(yīng)用和發(fā)展。

零碳排放內(nèi)燃機作為脫碳方案，正成為BEV、FCEV之外的達成汽車行業(yè)碳中和目標(biāo)的第3條重要技術(shù)途徑，值得關(guān)注。

1 零碳技術(shù)賦予內(nèi)燃機新的生命力

已經(jīng)誕生了一個多世紀(jì)的內(nèi)燃機，長期以來，因其有害氣體排放而受到詬病。在全球碳中和背景下，傳統(tǒng)內(nèi)燃機正面臨著被淘汰的危險。內(nèi)燃機只有另辟蹊徑，改用清潔燃料，才能煥然新生。如果內(nèi)燃機改用氫氣，其燃燒產(chǎn)物幾乎只有水，不產(chǎn)生二氧化碳，實現(xiàn)了零排放，就完全符合綠色環(huán)保的現(xiàn)代理念。

不同于燃油內(nèi)燃機，氫內(nèi)燃機的研發(fā)人員面臨著一些新情況。比如，氫內(nèi)燃機氣缸中的混合氣體，很容易因溫度過高而提前點燃，甚至在進氣門還沒關(guān)閉之前就被點燃，導(dǎo)致出現(xiàn)回火、爆燃；由于氫內(nèi)燃機的溫度更高，NO的排放比傳統(tǒng)內(nèi)燃機更加突出等。

不過，通過研發(fā)人員的努力，采用更加智能的控制系統(tǒng)、高效的空氣管理系統(tǒng)、可靠的噴射系統(tǒng)技術(shù)以及先進的廢氣再循環(huán)技術(shù)，實現(xiàn)了細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的新突破，較好地應(yīng)對了氫氣點火能量低、燃燒極限寬、燃燒速度快、燃燒溫度高以及火花塞電極過熱，幾乎完美解決了氫內(nèi)燃機早燃、回火、爆震和NO排放高等技術(shù)難題。

不同于氫燃料電池對氫氣品質(zhì)要求較高，氫內(nèi)燃機可直接使用工業(yè)副產(chǎn)氫。具有多種燃料適應(yīng)性，可摻燒氨、甲醇、天然氣等燃料，降低石油對外依賴度。而且，氫內(nèi)燃機可采用更高壓縮比，實現(xiàn)高循環(huán)熱效率，達到良好的燃料經(jīng)濟性。

氫內(nèi)燃機還可利用原有的強大工業(yè)體系和成熟產(chǎn)業(yè)鏈，具有極佳的生產(chǎn)成本優(yōu)勢，既能縮短相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)時間，又能加快其商業(yè)化進程。

此外，發(fā)展氫內(nèi)燃機，可作為氫燃料電池的良好補充，助推氫能產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展，通過規(guī)模效應(yīng)共同攤薄加氫基礎(chǔ)設(shè)施成本。

2 廠家競相研發(fā)零碳排放內(nèi)燃機

氫內(nèi)燃機，堪稱企業(yè)研發(fā)零碳排放內(nèi)燃機的最佳代表作之一，作為氫能動力解決方案的一個良好補充手段，愈來愈受到國內(nèi)外汽車行業(yè)的重視。由于氫內(nèi)燃機具有低成本、零碳排放、燃料效率高及燃料適應(yīng)性廣等特點，正受到空前關(guān)注，熱度不斷上升。

2020年10月，曼恩在發(fā)布的未來的電動化戰(zhàn)略中表示，除了開發(fā)和制造電池驅(qū)動的商用車外，還將優(yōu)先考慮氫能動力，除氫燃料電池之外還包括氫內(nèi)燃機。

2021年2月，斯堪尼亞宣布放棄氫燃料電池用于重卡，轉(zhuǎn)而與加拿大西港燃料系統(tǒng)合作開發(fā)基于HPDI技術(shù)的氫內(nèi)燃機，直接用氫氣替代柴油。與此同時，達夫宣布在新一代車型基礎(chǔ)之上開發(fā)氫內(nèi)燃機卡車，并展示了達夫XF樣車，搭載佩卡 MX-13發(fā)動機改裝的氫內(nèi)燃機。道依茨則透露，其TCG 7.8 H氫內(nèi)燃機(非道路，200 kW)已經(jīng)通過了初步測試，預(yù)計2024年上市。

2021年7月13日，康明斯宣布已開始?xì)鋬?nèi)燃機開發(fā)的前瞻測試，旨在進一步探索先進零碳技術(shù)發(fā)展的新路徑。9月23日，康明斯公司宣布，開始開發(fā)中型6.7 L和重型15 L氫內(nèi)燃機。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。作為康明斯推進零碳目標(biāo)戰(zhàn)略的重要組成部分，該發(fā)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。2022年6月，康明斯宣布加入氫能發(fā)動機聯(lián)盟，氫能發(fā)動機聯(lián)盟于2022年1月成立，成員包括康明斯、博世、戴姆勒卡車和卡爾斯魯厄理工學(xué)院等汽車公司、行業(yè)供應(yīng)商和學(xué)術(shù)機構(gòu)。

2022年7月8日，日 本 豐 田 汽車、日野汽車、五十鈴汽車、電裝公司(DENSO)、商業(yè)合作技術(shù)公司(CJPT)五家企業(yè)發(fā)布消息稱，已經(jīng)啟動了有關(guān)大型商用汽車的氫內(nèi)燃機企劃項目及基礎(chǔ)研究。

近段時間以來，中國企業(yè)在零碳排放內(nèi)燃機方面的諸多研發(fā)成果，也閃亮登場。2021年12月21日，玉柴YCK05氫內(nèi)燃機在北京理工大學(xué)成功點火。采用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，攻克了氫內(nèi)燃機易回火、易爆震等技術(shù)難題，能廣泛應(yīng)用于公交、市政、環(huán)衛(wèi)、物流配送等場景。

2022年6月8日，由一汽解放自主設(shè)計研發(fā)的國內(nèi)首款重型商用車缸內(nèi)直噴氫內(nèi)燃機成功點火并穩(wěn)定運行。運轉(zhuǎn)功率超500 PS，指示熱效率突破55%，相關(guān)產(chǎn)品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。6 月15日上午，在山東重工新科技成果展上，中國重汽和濰柴動力聯(lián)合發(fā)布全國首臺商業(yè)化氫內(nèi)燃機重卡，該車搭載濰柴動力自主開發(fā)的13 L氫內(nèi)燃機，實現(xiàn)了有效熱效率 41.8%。

2022年6月30日，玉 柴15.93 L 560 PS YCK16H氫內(nèi)燃機在廣西玉林成功點火，采用先進的燃料高壓共軌、高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)和雙流道增壓技術(shù)，可按需求在缸內(nèi)實現(xiàn)均質(zhì)燃燒或者分層燃燒。對燃料純度適應(yīng)性高，可適配灰氫、綠氫、甲醇在線制氫等多種途徑制備的燃料。

2022年7月1日，上海新動力汽車科技股份有限公司首臺直噴式氫內(nèi)燃機在試驗認(rèn)證部試驗基地點火成功。該款直噴式氫內(nèi)燃機排量12.8 L，設(shè)計最大馬力480 PS，采用缸內(nèi)氫氣直噴技術(shù)，熱效率高達44%。

毫無疑問，世界各地如火如荼的氫內(nèi)燃機研發(fā)，勢必將為相關(guān)車型的后續(xù)產(chǎn)品化、商業(yè)化奠定雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，并將為全球碳中和做出卓越貢獻。

3 結(jié)語

為了應(yīng)對和扭轉(zhuǎn)地球氣候變化負(fù)面趨勢，全球碳中和目標(biāo)給傳統(tǒng)內(nèi)燃機帶來了日益緊迫的減排壓力，汽車行業(yè)加速向電動化轉(zhuǎn)型。

但是，在這一空前變革的過程中，內(nèi)燃機并不是夕陽產(chǎn)業(yè)、明日黃花，而依然具有強大生命力——零碳排放技術(shù)使得它老驥伏櫪、堪能大用，有望煥發(fā)青春、繼續(xù)蓬勃發(fā)展。它將與BEV、FCEV一道，有效達成汽車行業(yè)脫碳。

在國內(nèi)外車企競相研發(fā)和發(fā)布零碳排放內(nèi)燃機產(chǎn)品的背景下，氫氣等碳中和燃料內(nèi)燃機車型的規(guī)劃、試驗和投產(chǎn)、應(yīng)用，無疑將加快。隨著各大企業(yè)零碳排放內(nèi)燃機的成功點火和研發(fā)投放，一個嶄新的內(nèi)燃機時代必將到來。有理由相信，未來，高效、清潔、零碳的內(nèi)燃機也將在我國交通運輸領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的角色，在能源安全、節(jié)能減排、實現(xiàn)雙碳目標(biāo)、保障國民經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展方面開啟新的篇章。