淺談氫內(nèi)燃機(jī)在重卡上的應(yīng)用

隨著全球?qū)μ贾泻湍繕?biāo)的追求，氫能作為清潔能源的代表，正在成為未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的重要一環(huán)。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重型商用車板塊，氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)成為一項(xiàng)備受矚目的創(chuàng)新，特別是在美國(guó)、歐洲、日本和中國(guó)等主要經(jīng)濟(jì)體，多個(gè)廠商和研究機(jī)構(gòu)正在積極開發(fā)和推廣這一技術(shù)。本文概述了近年來(lái)全球在重型商用車用氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)方面的最新動(dòng)態(tài)。

政策法規(guī)成為氫內(nèi)燃機(jī)推廣的重要驅(qū)動(dòng)力

伴隨各國(guó)政府對(duì)汽車排放節(jié)能及碳排放法規(guī)日益嚴(yán)苛，氫內(nèi)燃機(jī)作為清潔低碳的重要技術(shù)路線，各國(guó)在推動(dòng)氫燃料內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展方面出臺(tái)了多項(xiàng)政策、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。這些政策不僅為企業(yè)提供了經(jīng)濟(jì)和技術(shù)支持，也通過(guò)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)確保了氫燃料內(nèi)燃機(jī)的安全性和環(huán)保性。隨著政策的不斷完善和標(biāo)準(zhǔn)的逐步落實(shí)，氫燃料內(nèi)燃機(jī)有望在未來(lái)的重型商用車市場(chǎng)中占據(jù)重要地位，助力全球的能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

中國(guó)政府在《“十四五”氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確提出了對(duì)氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的支持，并制定了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家和地方政府通財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠、研發(fā)資金支持等多種措施，積極推動(dòng)氫燃料內(nèi)燃機(jī)在商用車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在地方層面，河北、山東、廣東等省份已出臺(tái)了各自的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，為氫燃料內(nèi)燃機(jī)車輛的購(gòu)置提供補(bǔ)貼，并對(duì)加氫站建設(shè)給予財(cái)政支持。在標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)建設(shè)方面，中國(guó)已發(fā)布了多項(xiàng)與氫燃料內(nèi)燃機(jī)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如《氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)規(guī)范》和《氫氣燃料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等。這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為氫燃料內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用提供了技術(shù)支撐，確保其滿足安全性和環(huán)保性的嚴(yán)格要求。

美國(guó)政府通過(guò)《基礎(chǔ)設(shè)施投資與就業(yè)法案》提供資金支持氫燃料內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)，并制定了相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。該法案為包括氫燃料內(nèi)燃機(jī)在內(nèi)的清潔能源技術(shù)提供了巨額的財(cái)政扶持。具體措施涵蓋了對(duì)氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的資助、稅收抵免政策，以及對(duì)研發(fā)和示范項(xiàng)目的資金支持。美國(guó)能源部（DOE） 設(shè)立了多個(gè)專項(xiàng)計(jì)劃，如氫能地平線計(jì)劃（Hydrogen Shot），旨在降低氫能的成本，并加速氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的發(fā)展。DOE提供研發(fā)資金，全力支持企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)上的突破與應(yīng)用推廣。2023 年，美國(guó)發(fā)布了國(guó)家氫能戰(zhàn)略，明確了氫能在交通、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用目標(biāo)，并制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展路線圖，以推動(dòng)氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的規(guī)范化與快速發(fā)展。

歐盟委員會(huì)發(fā)布了《氫能戰(zhàn)略》，為氫燃料內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)和市場(chǎng)推廣提供資金支持，并在歐Ⅶ法規(guī)及下階段重型車碳排放法規(guī)中賦予氫內(nèi)燃機(jī)車零碳排放的待遇。歐盟還設(shè)立了“歐洲清潔氫能聯(lián)盟”，提供大量資金支持氫燃料內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)和示范項(xiàng)目。此外，通過(guò)《歐洲綠色協(xié)議》，歐盟為氫能技術(shù)的發(fā)展提供了更為全面的政策和資金支持，旨在促進(jìn)包括氫燃料內(nèi)燃機(jī)在內(nèi)的低碳技術(shù)的廣泛應(yīng)用。德國(guó)、法國(guó)、荷蘭等歐洲國(guó)家也積極響應(yīng)，制定了各自的氫能發(fā)展計(jì)劃，通過(guò)稅收優(yōu)惠、補(bǔ)貼和低息貸款等激勵(lì)措施，鼓勵(lì)企業(yè)開發(fā)和使用氫燃料內(nèi)燃機(jī)。

日本政府在《氫能基本戰(zhàn)略》中明確將氫燃料內(nèi)燃機(jī)列為重點(diǎn)支持的技術(shù)領(lǐng)域，并為此提供了稅收優(yōu)惠和研發(fā)補(bǔ)貼。該戰(zhàn)略自2017 年制定以來(lái)，在2023 年得到了更新，再次強(qiáng)調(diào)了氫燃料內(nèi)燃機(jī)的重要性。日本政府通過(guò)研發(fā)補(bǔ)助、稅收優(yōu)惠、融資支持等一系列措施，積極推動(dòng)氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化進(jìn)程。在地方層面，如福島、神奈川等氫能示范區(qū)的地方政府，也推出了地方性補(bǔ)貼和優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)企業(yè)在當(dāng)?shù)亻_展氫燃料內(nèi)燃機(jī)的測(cè)試和應(yīng)用。此外，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)?。∕ETI） 制定了氫燃料內(nèi)燃機(jī)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范，以確保其在實(shí)際應(yīng)用中的安全性和環(huán)境友好性。同時(shí)，日本對(duì)《能源法》進(jìn)行了修訂，新增了對(duì)氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)要求，包括氫燃料內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，以及氫能在交通領(lǐng)域中的推廣措施。

氫內(nèi)燃機(jī)在重卡上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

重卡由于需要運(yùn)輸大量貨物，因此對(duì)動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩的要求極高。氫燃料內(nèi)燃機(jī)能夠在保持高功率輸出的同時(shí)，提供與傳統(tǒng)柴油機(jī)相似的轉(zhuǎn)矩曲線。這意味著在重載和復(fù)雜路況下，氫內(nèi)燃機(jī)能夠提供足夠的牽引力，充分滿足重卡的實(shí)際需求。

加氫程迅速，有效縮短停車時(shí)間。與純電動(dòng)卡車相比，氫燃料內(nèi)燃機(jī)的加氫操作非常快捷，通常僅需幾分鐘即可完成。這一特點(diǎn)極大地減少了車輛的停機(jī)時(shí)間，對(duì)于長(zhǎng)途貨運(yùn)而言，這種快速補(bǔ)充燃料的能力無(wú)疑是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，有助于提高運(yùn)營(yíng)效率。

長(zhǎng)續(xù)航能力和零排放特性突出。氫燃料以其高能量密度著稱，這使得配備氫燃料內(nèi)燃機(jī)的重型卡車可以擁有較長(zhǎng)的續(xù)航里程。這在長(zhǎng)途運(yùn)輸中尤為重要，減少了因頻繁加氫或充電所需的?？看螖?shù)，提高了運(yùn)輸效率。此外，氫燃料內(nèi)燃機(jī)在燃燒氫氣時(shí)，主要排放的是水蒸氣，幾乎不排放二氧化碳。這使得它在環(huán)境法規(guī)日益嚴(yán)格的今天，成為了一種理想的清潔替代方案，有助于重型運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)，順應(yīng)全球向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)。

基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)成熟且易于利用。與氫燃料電池車相比，氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)在于它可以在現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)制造基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)和改進(jìn)。這意味著現(xiàn)有的制造設(shè)施和供應(yīng)鏈可以被有效利用，從而降低了大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)門檻。

技術(shù)轉(zhuǎn)型過(guò)程平滑且風(fēng)險(xiǎn)較低。對(duì)于眾多傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)制造商和用戶而言，氫燃料內(nèi)燃機(jī)提供了一種相對(duì)平滑且風(fēng)險(xiǎn)可控的技術(shù)過(guò)渡途徑。這是因?yàn)闅鋬?nèi)燃機(jī)的基本工作原理與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)高度相似，因此現(xiàn)有的技術(shù)體系、維修技能和供應(yīng)鏈資源在很大程度上可以得到延續(xù)和利用，從而有效減少了轉(zhuǎn)型程中的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

適應(yīng)性強(qiáng)且應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。氫燃料內(nèi)燃機(jī)還具備出色的適應(yīng)性，它可以與混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合使用，以在不同的駕駛條件下實(shí)現(xiàn)燃料效率和性能的優(yōu)化。這種靈活性使得氫燃料內(nèi)燃機(jī)能夠勝任多種應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)論是市區(qū)內(nèi)的短途運(yùn)輸還是長(zhǎng)途重載運(yùn)輸，都能展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，氫燃料內(nèi)燃機(jī)在重卡上的應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢(shì)，包括高功率輸出、快速加氫、長(zhǎng)續(xù)航、零碳排放以及較為成熟的技術(shù)基礎(chǔ)。這些優(yōu)勢(shì)使其成為重型運(yùn)輸領(lǐng)域中一種有前景的清潔能源解決方案，能夠在滿足運(yùn)輸需求的同時(shí)，推動(dòng)行業(yè)向低碳方向發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外氫內(nèi)燃機(jī)開發(fā)最新動(dòng)態(tài)

美國(guó)康明斯是氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)的主要推動(dòng)者。2023 年，康明斯推出了其15 L 氫燃料內(nèi)燃機(jī)，這款發(fā)動(dòng)機(jī)主要面向重型卡車市場(chǎng)。此外，康明斯還與美國(guó)能源部（DOE） 合作，參與了多個(gè)氫燃料內(nèi)燃機(jī)示范項(xiàng)目，旨在測(cè)試氫燃料的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

康明斯宣布，在2021 年7 月，其測(cè)試的氫內(nèi)燃機(jī)達(dá)到了B6.7H 的開發(fā)目標(biāo)，接近X15H 的目標(biāo)示范車。同時(shí)，康明斯還與過(guò)度TATA 公司簽署了諒解備忘錄和早期采用意向書（ 涵蓋公路和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域）?？得魉孤暶?，其技術(shù)有望在10 年內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，初始成本可控，且無(wú)須更換現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，維護(hù)和供應(yīng)鏈與燃料電池發(fā)展相輔相成。這一成熟的技術(shù)為脫碳提供了多種選擇。盡管部署技術(shù)的研發(fā)成本高昂，但康明斯對(duì)市場(chǎng)容量充滿信心，并認(rèn)為這足以維持投資。但是，也需要注意到地區(qū)性內(nèi)燃機(jī)禁令可能帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

斯卡尼亞和西港噴射系統(tǒng)于2022年推出H2 HPDI 系統(tǒng)樣機(jī)。該系統(tǒng)可將功率提高 20%，轉(zhuǎn)矩提高15%，熱效率提高5%～10%。該噴射系統(tǒng)是從液化天然氣系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，已有數(shù)以千計(jì)的裝置可隨時(shí)投入使用。使用西港HPDI系統(tǒng)改裝的斯堪尼亞13 L 6 缸發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)改裝方面實(shí)現(xiàn)了最小化，同時(shí)兼容歐Ⅶ標(biāo)準(zhǔn)和EPA 2027 標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)的樣機(jī)采用HPDI 系統(tǒng)，在運(yùn)行時(shí)獲得了更高的效率。

曼恩卡車在2021 年進(jìn)行了首次氫燃料內(nèi)燃機(jī)原型發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試，并計(jì)劃在2024 年將測(cè)試車輛移交給首批客戶。該公司預(yù)計(jì)到2030 年，氫內(nèi)燃機(jī)的耐用性將與當(dāng)前柴油機(jī)相似，并計(jì)劃在2025年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。由于進(jìn)氣道噴射需要增加發(fā)動(dòng)機(jī)排量以減少功率損失，因此該樣機(jī)的排量為16.8 L，而不是原來(lái)的15.2 L，但盡管如此，它仍然保持了80% 零部件的通用性。

KEYOU 公司是一家專注于改裝轉(zhuǎn)換柴油機(jī)的企業(yè)，于2017 年推出了首批發(fā)動(dòng)機(jī)改裝套件。目前的技術(shù)是基于7.8 L道依茨6 缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝，可以達(dá)到44.5% 的峰值制動(dòng)效率（BTE），并輸出210 kW 的功率。幾輛采用該技術(shù)的示范車已經(jīng)上路，并達(dá)到了歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，且無(wú)需后處理技術(shù)。

在歐洲，曼恩和沃爾沃是氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)的主要企業(yè)。2023 年，曼恩宣布成功開發(fā)了適用于重型卡車的氫燃料內(nèi)燃機(jī)，并計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化。此外，沃爾沃也在積極探索氫燃料內(nèi)燃機(jī)的可能性，并參與了一些歐盟資助的項(xiàng)目。

在日本，豐田和五十鈴在氫燃料內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。豐田在2023 年發(fā)布了其氫燃料內(nèi)燃機(jī)概念，并計(jì)劃在未來(lái)將其應(yīng)用于卡車和公共交通工具。五十鈴則與本田合作，共同研究氫燃料內(nèi)燃機(jī)在卡車中的應(yīng)用。

在中國(guó)，一汽解放、濰柴動(dòng)力、玉柴是氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)的主要推動(dòng)者。近年來(lái)，這些企業(yè)也相繼發(fā)布了氫燃料內(nèi)燃機(jī)，標(biāo)志著中國(guó)在這一領(lǐng)域的重大突破。他們計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)推出相關(guān)車型，進(jìn)一步推動(dòng)氫燃料內(nèi)燃機(jī)在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用和發(fā)展。

氫內(nèi)燃機(jī)重卡使用場(chǎng)景及示范應(yīng)用

在長(zhǎng)途貨運(yùn)場(chǎng)景中，康明斯于2023 年在北美加州的加利福尼亞州進(jìn)行了試運(yùn)行?？得魉雇瞥隽艘豢?5 L 的氫燃料內(nèi)燃機(jī)，并將其安裝在長(zhǎng)途貨運(yùn)車輛上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。這些車輛主要在州際公路上進(jìn)行長(zhǎng)途運(yùn)輸，測(cè)試了氫燃料內(nèi)燃機(jī)在實(shí)際貨運(yùn)條件下的性能和續(xù)航能力。同樣，在港口和機(jī)場(chǎng)物流車輛方面，天津港的示范項(xiàng)目中配備了氫燃料內(nèi)燃機(jī)的集裝箱卡車，用于港口內(nèi)的短途運(yùn)輸和貨物裝卸。這些卡車在高頻次運(yùn)行的情況下，充分展示了氫燃料內(nèi)燃機(jī)的穩(wěn)定性和低排放優(yōu)勢(shì)。

在礦山運(yùn)輸場(chǎng)景中，氫燃料內(nèi)燃機(jī)被安裝在重型自卸卡車上，并在礦區(qū)內(nèi)的復(fù)雜地形和高負(fù)荷條件下進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的試運(yùn)行。這次試運(yùn)行旨在評(píng)估氫燃料內(nèi)燃機(jī)在惡劣環(huán)境下的可靠性和續(xù)航能力。此外，市政環(huán)衛(wèi)車輛也采用了氫燃料內(nèi)燃機(jī)，用于市區(qū)的垃圾收集和運(yùn)輸。在一些試點(diǎn)項(xiàng)目中，氫燃料內(nèi)燃機(jī)在城市環(huán)境中的排放、燃料效率和運(yùn)行成本得到了實(shí)際測(cè)試。