帥石金，王 志，馬 驍，徐宏明，何 鑫，王建昕

（1. 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，清華大學，北京 100084，中國；2. 英國伯明翰大學 車輛和發(fā)動機研究中心，伯明翰B15 2TT，英國；3. 沙特阿美美洲公司，密歇根州 諾維市 48377，美國）

大量研究表明[1]，全球氣候變暖與人類活動排放的CO2等溫室氣體密切相關，尤其是第一次工業(yè)化革命以來，大氣中CO2濃度急劇升高，目前超過400 ppm(1 ppm = 10-6)，為工業(yè)化前CO2濃度的145%，造成極端天氣頻發(fā)，危害人類生存。為此，世界各國于1992年、1997年和2015年分別同意簽署《聯(lián)合國氣候變化框架公約》《京都議定書》和《巴黎協(xié)定》, 以限制溫室氣體的排放量?！栋屠鑵f(xié)定》的長期目標是在本世紀末將全球平均氣溫較工業(yè)化前上升幅度控制在2 ℃以內，并努力限制在1.5 ℃以內。2020年全球平均氣溫比工業(yè)化前上升了大約1.2 ℃，上升速度遠超預期。平均氣溫上升會給人類帶來全球變暖、地球上的病蟲害增加、海平面上升和土地沙漠化等危害。目前，已經有140多個國家和地區(qū)承諾在2050年前后實現(xiàn)碳中和。在英國格拉斯哥2021年10—11月召開的氣候變化大會（COP26）期間，197個國家簽署《格拉斯哥氣候公約》，對燃煤使用、減少碳排放和資助貧困國家等相關條款達成共識。

碳中和（carbon neutrality）是人類為了自身長久生存和可持續(xù)發(fā)展達成的最大共識，是人類由工業(yè)文明向生態(tài)文明發(fā)展的必然選擇。碳中和的本質是一場能源革命，是可再生能源革化石能源的命，會帶來能源相關上下游產業(yè)鏈的調整與重組，相關產業(yè)挑戰(zhàn)和機遇并存。中國是“富煤、缺油、少氣”的國家，但太陽能、風能、水能、生物質能等資源并不匱乏。截至2020年底，中國可再生能源發(fā)電裝機總規(guī)模達到9.3億kW，占總裝機的42.4%，其中水電3.7億kW、風電2.8億kW、光伏發(fā)電2.5億kW、生物質發(fā)電2 952萬kW，分別連續(xù)16年、11年、6年和3年穩(wěn)居全球首位[2]。2020年，中國可再生能源發(fā)電量達到2.2萬億kWh，占全社會用電量的比重達到29.5%，支撐中國非化石能源占一次能源消費比重達15.9%，如期實現(xiàn)2020年非化石能源消費占比達到15%的承諾[2]。因此，碳中和能源革命，從宏觀層面看，對中國更意味著一次重大的發(fā)展機遇。

內燃機是當今世界上道路交通、非道路移動機械和國防裝備的主要動力。2017年中國各種內燃機動力裝置消耗商品燃油2.7億t，其中包括汽油7 738萬t、柴油16 717萬t，還有潤滑油、燃料油，占中國石油消費總量的64%[3]。圖1給出了2016—2020年中國內燃機產業(yè)構成及銷量變化情況，從圖中可以看出，2020年中國內燃機產量達到8 147萬臺，總功率突破27億kW，車用內燃機、摩托車用汽油機和通用小型汽油機的銷量分別占內燃機總銷量的20%、30%和42%。內燃機支撐著中國10大新興產業(yè)中的航空航天裝備、先進軌道交通裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、高檔數(shù)控機床和機器人、節(jié)能與新能源汽車、農業(yè)機械裝備等6個發(fā)展領域。隨著能源的低碳化和零碳化以及動力裝置的電動化和智能化發(fā)展，內燃機面臨純電動力和燃料電池動力的激烈競爭，全球也不時有“禁燃”的聲音，如何在碳中和及電動化的大背景下，尋找內燃機的可持續(xù)發(fā)展之路，是擺在內燃機和相關行業(yè)面前的一道必答題。

本文在分析歐、美、日、中等主要國家和地區(qū)的碳中和目標及實現(xiàn)路徑的基礎上，提出內燃機近中期實現(xiàn)低碳和中遠期實現(xiàn)零碳的技術路線，對內燃機使用生物質燃料、綠氫、綠氨、綠電合成液體燃料（e-fuel）等碳中和燃料需要解決的關鍵技術進行解析，對內燃機實現(xiàn)碳中和的可行性進行分析，旨在為內燃機實現(xiàn)未來可持續(xù)發(fā)展探索可行的發(fā)展路徑。

1 全球主要地區(qū)和國家碳中和目標及技術路線

1.1 歐洲

歐洲主要國家和地區(qū)的科技基礎好、實力強，歐盟一直是碳中和的積極推動者，將溫室氣體分為二類。一類是歐盟碳排放交易系統(tǒng)（Emissions Trading System, ETS）[4]的碳排放，主要交易能源、工業(yè)和航空行業(yè)產生的碳排放，不嚴格區(qū)分國別，對各個成員國內的對應產業(yè)都實行一致性的管理措施，這類碳排放約占歐盟總碳排放量的40%。另一類是交通、建筑和農業(yè)等不在ETS中流通的碳排放，僅對各成員國的碳排放量設定總量約束，對各國的具體管理手段和具體行業(yè)的減排規(guī)劃不施加硬性約束，這類碳排放約占歐盟總碳排放量的60%。

2018年歐盟委員會宣布2030年乘用車的平均每km CO2排放量不得高于95 g，而輕型商用車不得高于147 g。對于無法達標的新車產品，每km超出排放限額1 g的CO2排放量制造商需要支付罰款95 歐元。這個規(guī)定從2020年開始部分執(zhí)行，自2021年起，油耗和排放測試方法從新歐洲駕駛循環(huán)(new European diving cycle, NEDC)循環(huán)強制切換為全新的全球輕型車測試規(guī)程(world light vehicle test procedure, WLTC)方法。2021年7月，歐盟委員會通過了一系列立法提案（Fit for 55）[5]，闡明了2050 年在歐盟實現(xiàn)碳中和的目標，包括到 2030 年溫室氣體排放量凈減少至少55%的中間目標（圖2）[6]。 到2030年，歐盟可再生電力生產從目前32%增至65%或更多的份額，除了直接使用可再生能源和電氣化之外，在一些碳密集型工業(yè)過程中，還將使用綠氫替代化石燃料。

歐盟交通部門2015年統(tǒng)計的可再生能源份額僅為6%，到2030年歐盟計劃通過進一步開發(fā)和部署電動汽車、先進生物燃料以及其他可再生和低碳燃料，將可再生能源比例提高到24% 左右。繼續(xù)推進發(fā)動機效率提高、采用多元燃料，更多地使用可持續(xù)交通方式和多模式智能交通方案。此外，新的可持續(xù)交通服務以及更多地使用現(xiàn)有的城市公交和鐵路服務可以減少排放、擁堵和污染，同時提高道路尤其是在城市地區(qū)的交通安全。

在航空領域，歐盟委員會近期發(fā)布了期待已久的ReFuelEU Aviation提案[7]，確認強制要求燃料供應商將可持續(xù)航空燃料 (sustainable aviation fuel，SAF) 包括在歐盟機場供應的航空燃料中，從2025年2% 開始，到2050年逐漸增加到63%。該提案還包括從 2030 年起增加使用0.7% e-fuel煤油份額，并要求飛機運營商有義務增加使用來自歐盟機場的燃料。

在海運領域，歐盟委員會發(fā)起了一項名為FuelEU Maritime的倡議[8]，旨在增加歐洲航運和港口對可持續(xù)替代燃料的使用，推動行業(yè)內的脫碳和可持續(xù)性。根據(jù)這個新計劃，停靠歐洲港口的船舶將需要采購和使用碳密集度較低的燃料。這一舉措將迫使船東使用碳強度較低的燃料，引入效率信用交易系統(tǒng)，并對部分船舶實行泊位零排放。這些舉措旨在增加這些部門發(fā)展和使用可持續(xù)替代燃料，要求必須在 2030 年之前進行必要的技術開發(fā)和部署，以便為此后更快的變化做好準備。

未來汽車氫動力被認為有望成為新的車用動力，尤其是用于重型卡車。歐盟計劃投入基礎設施建設，例如氫氣管道、充電和加氫基礎設施，以最大限度地發(fā)揮清潔能源轉型的好處，并部署替代的無碳排放燃料。對于公路運輸，繼續(xù)采用CO2和車輛排放標準作為有效的政策工具來推進技術進步。在燃料供應商和道路定價方面將把碳排放交易應用于道路運輸，包括大幅減少化石燃料消耗。歐盟委員會將重新審視并加強 2030 年后汽車和貨車的CO2排放標準[9]。

不難看出，歐洲推動碳中和走在世界的前列，是全球碳中和的引領者[10]。Fit for55法案提出的碳排放新目標將快速推動歐洲汽車電氣化進程。要求2030年所有登記注冊的新車碳排放總量較 2021年降低55%，要求2035 年降低100%，即2035 年后歐洲所有在售車型將全部實現(xiàn)零碳排放。但到目前為止，歐洲上市的電動汽車產品未能達到超過內燃動力車所能提供的性能，而是僅僅提供和滿足了最低碳排放法規(guī)監(jiān)管要求。目前CO2排放量較高的車型被允許繼續(xù)銷售，制造商通過用碳排放較低的汽車產品進行對沖。對各個車企來說，碳排放值并沒有統(tǒng)一的數(shù)額，每個汽車制造商可以設定一個基于該車企每年所銷售車輛的平均重量而核算出來本公司的個體目標值，從而可以依靠銷售綠色環(huán)保的零排放以及超低排放的車型來最大限度地抵消其他車型的碳排放。一方面，通過對碳排放超標的企業(yè)實行高額罰款，另一方面通過購車補貼持續(xù)刺激市場對電動汽車的消費需求，鼓勵各大汽車制造商加緊電動化轉型，推動研發(fā)生產更多符合碳排放新規(guī)的產品?？傊?，隨著新造車勢力和電動汽車技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)汽車和發(fā)動機制造業(yè)正面臨嚴重的威脅和挑戰(zhàn)，因此，對內燃機實現(xiàn)新燃料、新技術突破使其“煥發(fā)新生”成為低碳或零碳動力的要求已經迫在眉睫。

1.2 美國

美國的節(jié)能減排法規(guī)起步較早，但聯(lián)邦層面受制于兩黨理念差異立法推進不力。在特朗普執(zhí)政期間，美國退出《巴黎協(xié)定》，拜登上任后，又重新加入《巴黎協(xié)定》，并以行政命令形式明確2030年美國的碳排放比歷史峰值降低約50%，到2050年實現(xiàn)碳中和。美國政府計劃未來4年增加2萬億美元綠色投資，旨在重建老化的基礎設施，推動電動汽車和清潔能源，創(chuàng)造就業(yè)機會。Williams等[11]的研究表明，美國可以在犧牲0.2%～1.2% GDP的情況下，通過大力推廣可再生清潔電力、提高電動汽車和熱泵取暖比例等措施，到2050年實現(xiàn)碳中和（見圖3）。

美國州政府有著比聯(lián)邦政府更為完善的碳中和約束，加州早在2006年通過《全球變暖解決方案法》，明確2050年的減排目標，2018年以行政命令明確2045年實現(xiàn)碳中和（圖4）[12]。加州主要通過碳交易制度下的額度上限管理實現(xiàn)減排目標，該制度覆蓋的碳排放量占排放總額的85%。交易體制較為完備，在整體減排進程、交易對象、不同行業(yè)配額分配以及價格調控等都有完整的管理體系。此外，美國還有多個州層面的節(jié)能減排體制。

2019年，美國交通運輸領域所產生的碳排放占到了總碳排放的29%，高于其他領域。輕型車占到了交通運輸總碳排放的59%，相當于總碳排放量的17%。因此，交通領域的碳減排是美國能否實現(xiàn)碳中和的關鍵。美國加州在交通領域的法規(guī)制定上，領先于聯(lián)邦政府和其他各州。2020年9月，加州州長簽署行政命令，將逐步停止銷售新的汽油和柴油車，以減少加州對化石燃料的需求。該行政命令要求到 2035年在加州銷售的所有乘用車和輕型卡車都是零排放汽車。馬薩諸塞州州長于2021年初簽署了類似的行政命令，2035年之后禁止銷售新的汽油車。2021年8月，拜登總統(tǒng)簽署了一項行政命令，設定2030年銷售的所有新車中有50%為零排放汽車。

在交通燃料方面，美國國會于2005年制定了可再生燃料標準 (Renewable Fuel Standard, RFS)，要求使用一定量的可再生燃料替代石油基交通運輸燃料、取暖油或航空燃料，以減少溫室氣體排放并擴大國家的可再生燃料生產，同時減少對進口石油的依賴。RFS要求到2022年將可再生燃料總量提高到 360 億加侖 [1加侖(美) = 3.785 L] 。由于第2代生物質燃料生產成本高昂，其產量的增長速度遠低于國會在十多年前的設想值，因此RFS并沒有得到很好的執(zhí)行。2019年，美國的可再生燃料產量仍然低于200億加侖。鑒于RFS在執(zhí)行過程中遇到的困難，美國環(huán)保署（Environmental Protection Agency, EPA）正在考慮用全國范圍內的低碳燃料標準（Low Carbon Fuel Standard, LCFS）來替代RFS。

2006年，加州最早提出并執(zhí)行LCFS，旨在降低加州交通燃料的碳排放強度（carbon intensity，CI），并提供越來越多的低碳可再生替代品，從而減少對石油的依賴。2018年，加州大氣資源局（CARB）確定了2030年的LCFS目標：CI目標比2010年的基準值降低20%。與此同時，LCFS將通過增加積分的方式，促進零排放車輛的普及、可持續(xù)航空燃料的市場化，以及碳捕獲和封存技術的應用，以實現(xiàn)交通部門深度脫碳技術的使用推廣。除了加州外，俄勒岡州、華盛頓州和加拿大的不列顛哥倫比亞省，也制定了類似的LCFS標準，美國科羅拉多和紐約州也在嘗試采納該標準。

總體上看，由于2016—2020年特朗普政府在碳排放立場上的倒退，到目前為止，美國聯(lián)邦政府并沒有形成完善的碳中和政策。需要指出的是，美國總統(tǒng)和州長的行政命令并沒有完全的強制作用，行政命令可以被其他的行政命令替代或者取消。它更類似于一種愿景，是否能夠實現(xiàn)還需車輛技術的發(fā)展和基礎設施的支持。任何行政命令也無法超越經濟規(guī)律，產品是否滿足消費者的需求，將最終決定行政命令是否能順利執(zhí)行。

1.3 日本

日本一直是注重節(jié)能的國家，單位GDP的能源消耗不斷降低，經濟快速發(fā)展的1973年為69 PJ/兆日元，到2019年時降至35 PJ/兆日元，遠低于世界平均水平。2019年一次能源的構成為石油37.1%、煤炭25.3%、天然氣22.4%、核電2.9%、水電3.5%、可再生能源8.8%。也就是說，近85%的一次能源為化石能源。能源消費構成為工業(yè)與商業(yè)62.7%、運輸23.2%、家用14.1%[13]。

日本原計劃根據(jù)《巴黎協(xié)定》要求，到2030年時比2013年降低溫室氣體26%，2050年時降低80%。但2020年10月在日本新首相菅義偉的就職講演中提出了日本要在2050年“實現(xiàn)碳的實質性零排放”，即碳中和目標，日本朝野對此都感到突然和沒有思想準備。為應對這一新的重大變化，日本經濟產業(yè)省立即著手制定新的規(guī)劃，于2020年12月發(fā)布了《2050年碳中和綠色發(fā)展戰(zhàn)略》[14]。

此戰(zhàn)略規(guī)劃指出，要轉變傳統(tǒng)觀念，積極應對碳中和帶來的工業(yè)和經濟變革，抓住這一重大發(fā)展機遇?；舅悸肥钦麄€經濟產業(yè)結構和社會生活用能要盡量電氣化，電能要以可再生能源為主。規(guī)劃中提出的日本2050年實現(xiàn)碳中和目標時的能源結構如圖5所示，分為電力和非電力。電力能源結構為可再生能源（包括風能、太陽能、水能）為50%～60%，核電及碳捕集 （carbon capture utilization and storage, CCUS）為30%～40%，氫及氨為10%，其中第2項中的CCUS是指帶有CCUS的火電，由于日本的核電未來不會占太高比例，因而火電可能不低于20%～30%。對于運輸、產業(yè)和民生等以往使用非電力能源領域，首先要盡量電力化（像汽車、船舶和飛機的電動化等），電力需求要增加30%～50%；其次對難以電力化的用能，可利用綠氫、綠氨、綠電合成燃料和生物質燃料等能源；而對于不可避免要使用一定程度化石燃料產生的碳排放，用植樹和直接空氣碳回收貯藏（direct air carbon capture storage，DACCS）等方式彌補。規(guī)劃還選定了14個優(yōu)先發(fā)展的產業(yè)，與能源相關的產業(yè)有海洋風電、燃料氨、氫能和核能，與運輸和制造相關的有汽車及蓄電池、船舶、飛機和碳中和[13-14]。規(guī)劃還強調，在實現(xiàn)碳中和過程中，要繼續(xù)重視和推進各行業(yè)的節(jié)能技術，保證社會經濟和環(huán)境的持續(xù)穩(wěn)定運行，以及政府創(chuàng)造良好的環(huán)境以利于民間資本積極投資參與等基本原則。

該規(guī)劃中第5個優(yōu)先發(fā)展的產業(yè)是汽車和蓄電池，對于汽車動力的重點是電動化和碳中和燃料化。要求最晚在2030年代中期實現(xiàn)新銷售乘用車要全部電動車，但這里電動車并不是僅指純電動車（battery electric vehicle，BEV），而是包含插電混動汽車（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）和非插電混動汽車（hybrid electric vehicle，HEV），因而統(tǒng)稱為xEV[15]。對于重型車，規(guī)劃中尚未提出具體技術路線，只是說將在2021年夏季前提出方案。對于碳中和燃料，重點是生物質燃料和氫燃料，氫燃料也包括由氫和捕集CO2合成制取的各種電力液體合成燃料（e-fuel），2050年e-fuel價格要降至汽油價格以下。車用蓄電池要大幅度降低成本，以使2030年電動車達到與汽油車相同的生產經濟性。關于車用化石燃料是否還存在的問題，規(guī)劃雖未提及，但日本低碳社會戰(zhàn)略研究中心綜合各方研究結果認為，基于高效汽油機和混合動力的汽油車加上DACCS的零碳排汽車行駛單位千米的成本約為5.7日元，與BEV的2.8日元、燃料電池汽車（fuel cell electric vehicle,FCEV）的3.7日元相比，是可接受的選擇方案之一[16]。

對于氫和氨燃料，除各自作為優(yōu)先發(fā)展產業(yè)外，還在汽車、船舶和飛機3個優(yōu)先產業(yè)中都有涉及。規(guī)劃提出要擴大氫產能，降低成本，除發(fā)電用氫外，氫還用于燃料電池汽車和氫還原煉鋼，同時在船舶產業(yè)方面將液化天然氣（liquefied natural gas, LNG）、氫、氨和可再生甲醇作為船舶運輸零碳排放燃料，其中氫主要用于小型船舶的燃料電池和大型船的氫內燃機。關于燃料氨的應用，2030年要實現(xiàn)20%氨混燒發(fā)電實用化，并面向2050年不斷提高發(fā)電的氨混燒比率，同時提出研制船舶用大型氨內燃機。另外，在飛機產業(yè)方面，提出要發(fā)展生物質航空燃料和合成燃料，并在2050年前降低成本至汽油燃料以下。

日本經濟產業(yè)省在2021年7月發(fā)布了《碳循環(huán)利用技術路線》的修訂版[17]，進一步明確將CO2作為一種資源來利用的觀念，同時強調實現(xiàn)這一目標需要產學官攜手和國際合作，以及各種節(jié)能技術也是碳循環(huán)利用中的關鍵部分，碳循環(huán)利用的技術路線如圖6所示。圖中設想了4類燃料：第1類液體燃料，即合成燃料，包括e-fuel和可持續(xù)航空燃料（sustainable aviation fuel，SAF）；第2類液體燃料，即微細藻類生物質燃料，包括SAF和柴油；第3類液體燃料，即藻類之外的生物質燃料，包括甲醇制汽油（methanol to gasoline，MTG）、乙醇等，在后面的技術細則中還將柴油、航油、碳酸二甲酯（dimethyl carbonate , DMC）、氧 亞 甲 基 醚（oxymethylenether,OME）也列入；第4類燃料是氣體燃料，包括甲烷、丙烷和二甲醚。這4類燃料的發(fā)展規(guī)劃，基本都是在2030年要確立新的制備技術，將制備過程的碳排放降至石油產品以下，并開始摻燒（與現(xiàn)有石油產品摻混使用），在2040后成本降至與石油產品相同或更低，制備過程的碳排放降至石油產品的一半以下。

由上可以看出，日本明確提出2050年實現(xiàn)碳中和目標的時間并不算早，但很快就制定了具體技術路線，是目前主要先進國家中第1個由國家統(tǒng)一制定并有具體技術路線和實施措施的碳中和戰(zhàn)略規(guī)劃。日本將這次能源革命看作是一次發(fā)展機遇，將碳作為一種新的資源載體。日本對未來車用能源的規(guī)劃，主要是乘用車的電動化和燃料的碳中和化。作為一個汽車電動化全球領先的國家，日本并不是一味強調電動車，制定的技術路線是一個有產業(yè)和技術繼承性的比較合理可行的技術路線。將碳中和的合成燃料生產成本在2050年前降至目前汽車燃料的成本以下，以及將氫和氨作為船舶等大型內燃機的碳中和燃料優(yōu)先發(fā)展，這對難以電動化的重型車和船舶用內燃機給出了可行的替代技術路線，對工程機械和農用機械等其他用途內燃機也有借鑒意義。還實事求是地考慮了少量不可避免要用化石燃料的情況，采用植樹碳匯和直接捕集CO2來補償?shù)膶Σ摺Ｍ瑫r，強調節(jié)能技術在實現(xiàn)碳中和目標和過程中的重要性。

1.4 中國

2020年9月，中國在七十五屆聯(lián)合國大會上承諾CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)“碳中和”。2020年12月，中國在氣候峰會上進一步宣布，到2030年，單位GDP CO2排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%，森林蓄積量將比2005年增加60億m3，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億kW以上。對中國而言，2060年實現(xiàn)碳中和意味著減少化石能源依賴、緩解能源安全危機，通過采用光伏發(fā)電、風能發(fā)電以及氫能存儲、氫電轉化等技術提高可再生能源使用比例，是能源供給由資源依賴變?yōu)榧夹g依賴的重要機遇。碳中和將成為推動中國經濟未來40年可持續(xù)發(fā)展的重要驅動力。

與美、歐、日等發(fā)達國家或地區(qū)相比，中國面臨的減碳壓力更大。歐洲、美國和日本分別于1990年、2007年和2013年實現(xiàn)碳達峰，而中國目前仍處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程中，一次能源消費和碳排放還處于增長階段，從2030年碳達峰到2060年碳中和只有短短的30年，需要付出更加艱巨的努力。為了實現(xiàn)“雙碳”目標，需要從供給側（如能源、工業(yè)和農業(yè)等）和需求側（如交通、建筑等）同步減碳。如在能源生產端增加清潔生產綠電和綠電解水制綠氫；在能源消費端，實現(xiàn)交通和工業(yè)領域的電動化和氫能化；而針對水泥、煉鋼等領域難以實現(xiàn)完全脫碳，需結合碳捕集對沖。

圖7 給出了中國基于本世紀末全球溫升2.0 ℃ 和1.5 ℃目標導向的溫室氣體排放及構成，其中工業(yè)、電力是2大主要的碳排放行業(yè)，其次是交通和建筑行業(yè)[18]。表1給出了2020年、2030年和2050年基于2.0 ℃和1.5 ℃ 目標導向的溫室氣體排放量控制額度。2050年相比2020年，基于2.0 ℃ 和1.5 ℃ 目標導向的溫室氣體排放量將分別降低70%和90%[18]。

表1 中國不同時間溫室氣體排放量， e[CO2] / 億t

2020年10月，中國汽車工程學會發(fā)布《中國節(jié)能與新能源汽車路線圖2.0》[19]，進一步確認了全球汽車技術“低碳化、信息化、智能化”發(fā)展方向，提出了面向2035年中國汽車產業(yè)發(fā)展目標，包括中國汽車產業(yè)碳排放將于2028年前后先于國家碳減排承諾提前達峰，至2035年碳排放總量較峰值下降20%以上，形成自主、完整的產業(yè)鏈；自主品牌純電動（BEV）和插電混動汽車（PHEV）產品技術水平和國際同步，新能源汽車占汽車總銷量的50%以上，其中BEV占新能源汽車的95%（見圖8）。

綜上所述，作為全球第1大碳排放國的中國，2020年承諾“雙碳”目標，對全球溫室氣體排放控制是一劑強心劑，增加了全球實現(xiàn)《巴黎協(xié)議》目標的信心和決心。中國實現(xiàn)“雙碳”的挑戰(zhàn)主要來自工業(yè)和電力2大領域，兩者碳排放占比超過70%，而交通領域的碳排放占比（約10%）遠低于全球平均交通碳排放占比（超過20%），加上中國汽車產業(yè)較早啟動電動化和智能化技術應用，因此中國交通領域實現(xiàn)“雙碳”目標壓力相對不大，預計可以在2028年和2050年前后分別實現(xiàn)碳達峰和碳中和。

2 內燃機低碳和零碳技術路徑分析

內燃機燃料的低碳化和零碳化是一個較為漫長的過程，中國內燃機量大面廣，近中期主要采用低碳技術，即通過燃料低碳化和燃燒高效化盡早實現(xiàn)碳達峰；中遠期主要開發(fā)全生命周期零碳（即碳中和）燃料發(fā)動機的節(jié)能減排技術，并在不同場景進行推廣應用。

2.1 內燃機低碳技術分析

2.1.1 燃料低碳化

燃料低碳化是指內燃機采用低碳燃料替代高碳燃料，如重型卡車采用低碳的壓縮或液化天然氣（compressed natural gas / liquefied natural gas, CNG/LNG）發(fā)動機或汽油壓燃（gasoline compression ignition，GCI）發(fā)動機替代高碳的柴油機，或者在高碳燃料中添加低碳或零碳燃料，如在柴油中添加生物柴油即甲酯，在汽油中添加乙醇等，從源頭上降低內燃機的碳排放。

研究汽、柴油的低碳替代燃料需要從全生命周期了解燃料生產和使用過程各環(huán)節(jié)碳排放，從每一個環(huán)節(jié)盡力降低碳排放。圖9是美國阿貢國家實驗室采用GREET模型測算的基于全生命周期不同碳氫燃料溫室氣體排放強度[21]。汽、柴油的碳排放強度分別為92.8 g/MJ和91.1 g/MJ。在汽油中摻入以玉米秸稈為原材料的第2代生物乙醇，E85的碳排放強度可以降至29.6 g/MJ。由天然氣制取的甲醇碳排放強度比傳統(tǒng)汽柴油略高。可再生能源獲得的綠電甲醇的碳排放強度可以低至1.8 g/MJ。由于制取的原材料不同，生物柴油的碳排放強度在16.3～32.6 g/MJ之間。生物質制取的二甲醚（DME），其碳排放強度低至4.9 g/MJ。通過可再生電力制氫、CO2捕捉、Fischer-Tropsch合成的綠電合成燃料（e-fuel）的碳排放強度僅為0.6 g/MJ。

此外，石油開采和汽、柴油煉制過程中也存在很大的減排空間。最新研究表明，全球的平均原油開采的碳排放強度(CO2eq)約為10.3 g /MJ[22]。通過回收原油開采過程中產生的伴生氣，并嚴格管控其他廢氣的燃燒和排放，可以將原油開采過程中的碳排放強度(CO2eq)降低到5.8 g /MJ。以目前世界原油開采量計算，這能大約每年減少CO2排放10億t，約為目前全球CO2排放總量的2.8%。原油煉制過程也伴隨著CO2的排放，目前中國汽、柴油煉制過程的碳排放強度平均分別約為11.7 g/MJ和8.7 g/MJ。

2.1.2 燃燒高效化

燃燒高效化是指通過組織內燃機的油氣混合和燃燒過程來提高燃燒效率和循環(huán)熱效率。提高燃燒效率需要保證燃料與氧氣充分接觸，把燃料的化學能[低熱值(low heat value, LHV） ]盡可能全部轉化為熱能，目前內燃機的燃燒效率在正常運行工況下已接近100%，提升空間不大。提高熱效率主要是通過提高壓縮比、工質絕熱指數(shù)和燃燒等容度以及減少泵氣損失等來實現(xiàn)。

柴油機由于采用稀燃、壓燃和質調節(jié)模式，壓縮比（15～17）和工質絕熱指數(shù)較高，泵氣損失較小，因此具有較高的熱效率。目前車用量產柴油機通過采用高增壓、高噴射壓力、高EGR等技術，其峰值有效熱效率接近50%，通過采用隔熱、渦輪復合增壓、余熱回收、超低摩損和電氣化、智能化等技術，正在朝55%～60%的峰值有效熱效率邁進。

目前車用汽油機由于采用化學計量比混合氣點燃和量調節(jié)模式，受爆震（knock）限制，壓縮比處于10～13范圍，部分負荷泵氣損失較大，因此其熱效率較柴油機熱效率低（目前量產汽油機有效熱效率為36%～41%）。顯然，車用汽油機還有較大的熱效率提升空間，尤其是混動專用汽油機，由于有電機助力，混合動力對汽油機的動力性要求降低，因此混動專用汽油機可以采用高壓縮比（15左右，可匹配高辛烷值汽油RON ≥ 98）、超膨脹比循環(huán)（如Atkinson循環(huán)或Miller循環(huán)）、高冷卻廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(exhaust gas recirculation, EGR) 、低溫燃燒、長沖程等節(jié)能技術提升熱效率（圖10），目前比亞迪、廣汽、吉利、東風等企業(yè)都開發(fā)出了峰值有效熱效率超過41%的混動專用汽油機，正在朝45%峰值有效熱效率目標邁進。

車用汽油機在提升熱效率的同時受排放法規(guī)的限制，經歷過早期的化油器理想混合氣模式（本質是通過稀燃實現(xiàn)節(jié)能），到2000年國1排放法規(guī)的實施，通過采用進氣道電控噴射（PFI）技術實現(xiàn)化學計量比混合燃燒，通過采用三效催化劑（three-way catalyst，TWC）后處理系統(tǒng)滿足不斷加嚴的排放法規(guī)，再到采用缸內直噴（gasoline direct injection，GDI）技術實現(xiàn)高壓縮比、化學計量比混合氣燃燒，在保證TWC和汽油機顆粒過濾器（gasoline particulate filter, GPF）降低排放的同時，可以提升GDI汽油機熱效率。未來汽油機實現(xiàn)45%以上的有效熱效率，需要采用稀燃技術；實現(xiàn)50%以上有效熱效率，則需要采用稀燃加壓燃（gasoline compression ignition, GCI）技術[24]（圖11）。汽油機稀燃后處理技術是成熟的，可以采用類似柴油機的后處理技術路線，即TWC + LNT（lean NOxtrap） / SCR（selective catalytic reduction） + GPF + CUC（clean-up catalyst），為了解決未來日趨嚴格的低溫冷起動排放要求，可能還需要增加電加熱催化器（electrically heated catalyst, EHC）或碳氫捕集器 （hydrocarbon trap，HCT）（圖12）[25]，后處理成本會有所增加。

2.2 內燃機零碳燃料技術分析

內燃機零碳技術的本質是燃燒碳中和燃料實現(xiàn)全生命周期的零碳排放。碳中和燃料有3種主要的來源（見圖13）：1） 直接光合作用得到的生物質燃料（含有C、H和O組分），如乙醇、生物柴油等；2） 通過綠電（太陽能、風能、水能等可再生能源發(fā)電）電解水得到綠氫（H2），綠氫還可以與氮氣（N2）合成得到綠氨（NH3），綠氨可以看成是綠氫的能源載體；3） 采用綠氫與直接空氣碳捕集（direct air capture，DAC）獲得的CO2合成得到各種電力合成液體燃料（e-fuel），如合成甲醇、合成汽油、合成煤油和合成柴油等。下面對這3種零碳燃料的制備技術和應用效果進行簡單介紹。

2.2.1 生物質燃料制備及應用

目前，全球應用最廣泛的生物質燃料是乙醇和生物柴油，目前國際上乙醇約1億t的年產量，生物柴油約5 000萬t。生物質燃料產業(yè)正處于從1代（以糧食和甘蔗為原料）和1.5代（以木薯、甜高粱等非糧作物和木本油料植物為原料）為主，向2代（以農林廢棄物和木質纖維素為原料）乃至3代（含油微藻為原料生產的加氫柴油等）升級轉換時期[26]。生物乙醇可以用含淀粉（玉米、小麥、薯類等）、纖維素（秸稈、林木等）或糖質（甘蔗、糖蜜等）等原料經發(fā)酵蒸餾制成。生物柴油是一種長鏈脂肪酸的單烷基酯，是由植物油（如菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等）、動物油（如魚油、豬油、牛油、羊油等）、廢棄油脂或微生物藻類等與甲醇或乙醇經酯轉化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。生物柴油的制備方法主要有催化合成法、生物酶法、工程微藻法和超臨界法[27]，其中催化合成法是量產成熟度最高的生物柴油制備方法。生物燃料具有碳中性，也可成為負碳排放（比如甘蔗汁制作乙醇，甘蔗渣融入土壤形成碳匯）。根據(jù)國家能源局2012年發(fā)布的《交通用生物燃料技術路線圖》 報告，到2050年，全球27%交通燃料將采用生物質燃料，同時帶來21億t的CO2減排量[28]。

國內外學者針對生物質燃料在內燃機上的應用及從礦井到車輪（well to wheel, WTW）的全生命周期減排潛力開展了大量研究。乙醇辛烷值高，含氧量高達35%，但粘度低、汽化潛熱高；生物柴油十六烷值高，含氧量約10%，粘度高，但凝點低。由于單一燃料理化特性的差異，會影響發(fā)動機啟動性、潤滑性和霧化質量。通過調制“雞尾酒”的方法將醇類和酯類燃料融合，可以得到理化特性優(yōu)于汽柴油的常溫液體燃料。王建昕等[29]研究對比了不同生物質混合燃料的燃燒和排放特性，獲得了新型燃料配方，發(fā)現(xiàn)采用生物柴油作為乙醇和柴油的助溶劑可有效降低碳煙排放[30]，采用生物柴油-戊醇-柴油的混合燃料也獲得了高效低排放效果[31]。WANG Yu等[32]采用GREET模型對來自玉米芯的燃料乙醇全生命周期分析表明，與汽油相比，燃料乙醇最低可以減少20%的CO2排放。羅祎青等[33]應用全生命周期分析方法分析了微藻生物柴油整個生產過程的碳平衡，發(fā)現(xiàn)生物柴油整個生產加工過程中固定的CO2量大于產生的CO2量。

綜上，全球有較為豐富的生物質資源，利用不同生物質燃料的特異性互補進行主動燃料調質設計，可以大幅度降低碳煙和CO2排放，在實現(xiàn)碳中和目標中可發(fā)揮重要作用。

2.2.2 氫燃料理化特性及制備

1） 氫的理化特性。氫在常溫常壓下是一種極易燃燒的氣體，無色透明、無臭無味且難溶于水，在-253 ℃時變成無色液體，-259 ℃時變?yōu)檠┗罟腆w。氫氣是世界上已知密度最小的氣體，只有空氣的1/14。氫氣是相對分子質量最小的物質，還原性較強，常作為還原劑參與化學反應。氫氣滲透性很強，常溫下就可透過橡皮和乳膠管，而在高溫、高壓下可透過鈀、鎳、鋼等金屬薄膜。當鋼暴露于一定溫度和壓力的氫氣中時，滲透于鋼晶格中的原子氫在緩慢的變形中引起脆化作用，給氫氣的儲存和運輸帶來較大困難。氫氣具有可燃性，在點燃或加熱的條件下，容易與多種物質發(fā)生化學反應。氫氣在空氣中發(fā)生燃燒的濃度范圍為4%～75%，在氧氣中燃燒濃度范圍4%～94%，低于或超過這個濃度，即使在高壓下也不會燃燒或爆炸，氫氣的燃點為400 ℃。氫的理化特性見表2所示[34]。

2） 綠氫燃料制備技術。根據(jù)氫氣的生產方式不同，氫氣被分為多種類型。目前約95%的氫氣是通過一種稱為蒸汽—甲烷重整的過程從天然氣中產生的，是成本最低的制氫方式，但會產生大量的碳排放，以這種方式生產的氫氣被認為是 “灰氫”。當這些碳排放被捕獲并儲存或再利用時，這種方式生產的氫氣被稱為 “藍氫” 。而“綠氫”是利用可再生能源，如風電能、光伏電能、水電能或地熱電能等，通過電解水生產獲得，沒有碳排放（見圖14）。

目前有3種水電解制氫的方法：堿性水電解制氫（alkaline water electrolysis , AEL）、質子交換膜水電解制氫（proton exchange membrane electrolysis , PEMEL）和固體氧化物水電解制氫(solid oxide electrolysis cell,SOEC)，如表3所示。其中，AEL技術最為成熟，生產成本較低，國內單臺最大產氫量為1 000 m3/h；PEMEL流程簡單，能效較高，國內單臺最大產氫量為50 m3/h，但因使用貴金屬電催化劑等材料，成本偏高；SOEC采用水蒸氣電解，高溫環(huán)境下工作，能效最高，但尚處于實驗室研發(fā)階段。

表3 3種水電解制氫的方法對比[36]

2.2.3 氨燃料理化特性及制備

1） 氨的理化特性。氨氣（NH3）是無色氣體，有刺激氣味，分子量17.03，相對密度0.771 4 g/L，熔點-77.7 ℃，沸點-33.35 ℃，自燃點 651.11 ℃，蒸氣壓1.013 08 MPa (25.7 ℃) （見表4）。氨是氫能的良好載體，氨的運輸存儲較氫更容易。氨氣在298.15 K、0.9 MPa條件下可完全液化，且液氨密度 （602 kg/m3）遠大于液氫（71 kg/m3），液氨的含氫密度（106.4 kg/ m3）和體積低熱值 （11.213 GJ/ m3）也都超過液氫（70.8 kg/ m3、9.168 GJ/ m3）[37]，使得液氨罐 （1 MPa） 體積能量密度達到液氫罐 （70 MPa）的2.5倍[38]。此外，在182天存儲期，氨氣的存儲費用（以每千克H2計）僅為0.54 USD，氫氣存儲費用高達14.95 USD / kg[35]，氨氣單位能量價格（氨為13.3 USD/GJ，氫氣為35.2 USD/GJ，汽油為29.1 USD/ GJ）[39]更低，使得氨氣經濟競爭力更強，因此氨氣被認為是極具前景的碳中和燃料。目前全球氨氣年產量超過2億t[40]，氫氣全球年產量約0.7億t[41]。氨氣產業(yè)鏈與基礎設施均已成熟，因此氨氣作為碳中和燃料具有大規(guī)模推廣應用的基礎。

表4 氨與氫、汽油、柴油等燃料理化特性對比

2） 綠氨燃料的制備。工業(yè)制氨絕大部分是在高溫（573～873 K）、高壓（10～35 MPa)和催化劑（鐵系，活性組分為單質鐵）條件下，由氮氣和氫氣按Haber-Bosch工藝合成制得。氮氣主要來源于空氣；制取綠氨的氫氣主要來源于水的電解，即綠氫（見圖14）。

2.2.4 電力合成液體燃料（e-fuel）制備及應用

e-fuel是指將水電解生成的H2與直接從空氣捕集(DAC)的CO2，通過催化反應得到的甲醇、汽油和柴油等合成液體燃料。e-fuel可以繼續(xù)使用現(xiàn)有的汽油和柴油加油站等基礎設施，以及最大限度的保留同內燃機相關的產業(yè)供應鏈，無需布局新的充電站和加氫站就可以實現(xiàn)碳中和。e-fuel涉及的產業(yè)鏈（圖15）包括可再生發(fā)電、制氫、碳捕集、合成燃料制備、內燃機使用等，此外還包括電力、氫氣、CO2、燃料的存儲與運輸?shù)取?/p>

目前全球范圍并沒有企業(yè)實現(xiàn)大規(guī)模的e-fuel生產，因此針對e-fuel的生產成本和價格評估主要是基于現(xiàn)有文獻數(shù)據(jù)進行預測。考慮到技術的不確定性，e-fuel生產各環(huán)節(jié)成本預測波動較大，但總體上目前e-fuel的價格是市售燃料的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，其中電解制H2價格主導e-fuel成本，而燃料形式（氫氣、甲醇、二甲醚/DME、汽油、柴油）對成本影響較小[42]（圖16）。未來綠氫制造的大規(guī)模推廣，以及碳稅等政策的制定，有可能大幅降低e-fuel價格，使其具有市場競爭優(yōu)勢。其中甲醇、二甲醚/DME和甲醇制汽油/MTG的價格相差不大（圖17），是未來較為理想的幾種內燃機零碳燃料。

目前比較受關注的e-fuel燃料包括直接合成甲醇、甲醇合成汽油、Fischer-Tropsch合成柴油等。這3種燃料的合成技術已經研究多年，較為成熟且具備量產能力，下面簡單介紹這3種合成燃料的制備技術。

1） 直接合成甲醇。采用綠氫與CO2直接合成甲醇，已得到產業(yè)應用（CRI公司）[43]（圖18）。反應過程是一個放熱過程，能耗較低。反應主要基于CZA催化劑（CuO/ZnO/Al2O3），通過調節(jié)不同催化劑組分比例和反應溫度壓力，實現(xiàn)不同的甲醇產量和純度。

2） 甲醇制汽油（MTG）。MTG技術源自20世紀70年代ExxonMobil公司，技術成熟且有相關產業(yè)，生成的汽油與化石汽油差異小，組分比例、辛烷值、碳氫比、密度等特性與現(xiàn)有市售汽油相當。甲醇首先通過非晶型氧化鋁催化劑脫水，形成二甲醚 (DME)、甲醇和水的平衡混合物。DME 反應器的產物進入MTG 反應器，其中的甲醇和 DME 通過專有催化劑反應完全脫水，生成輕烯烴和水。在MTG 反應器條件下，輕烯烴低聚為更重烯烴，然后通過各種反應路徑合成為烷烴、環(huán)烷烴和甲基化芳烴等工藝，最終得到汽油（圖19）[44]。

3） Fischer-Tropsch合 成 柴 油。Fischer-Tropsch（F-T）技術由20世紀20年代德國科學家發(fā)明，SASOL公司最早商業(yè)化，技術成熟，主要與煤產業(yè)相關；反應物、反應溫度、催化劑決定產物分布。低溫F-T采用Co或Fe催化劑（200～280 °C），主要產物為烷烴（柴油、石蠟）；低溫F-T柴油應用最廣，十六烷值高，以支鏈烷烴為主，幾乎不含芳烴。高溫F-T采用Fe催化劑 （300～340 °C ），除烷烴外生成烯烴、含氧有機物（圖20）[45]。

內燃機使用e-fuel燃料的最大好處是不用改變現(xiàn)有燃料供給基礎設施以及現(xiàn)有內燃機制造產業(yè)鏈。e-fuel內燃機面臨的最大挑戰(zhàn)是燃料成本高問題，由于e-fuel燃料制備要以綠氫為基礎，因此其煉制工藝必然比制備氫更為復雜，成本更高，尤其是目前電解水制氫成本較高（參見圖17），導致e-fuel內燃動力汽車的使用成本相比同規(guī)格的BEV和FCEV更高，因此e-fuel內燃機的應用場景主要是難以電動化或對燃料價格不敏感的交通動力裝置，如長途車用動力、船舶動力以及航空動力等。未來隨著制氫成本的降低，e-fuel內燃機的應用場景會不斷擴大。

2.3 內燃機實現(xiàn)零碳排放的可行性分析

如前所述，內燃機排放CO2的原因是使用了化石燃料，而碳中和燃料的使用將使內燃機發(fā)生質的變革。作為世界最大汽車公司掌門人的豐田章男[47]在2021年9月代表日本汽車工業(yè)協(xié)會的講話中，明確提出了“汽車碳中和的敵人是碳，而不是內燃機”的觀點，這也是日本汽車工業(yè)界的共識。多項研究結果表明，如果從全生命周期分析，目前不同國家和地區(qū)的電動車碳排放可能并不低于以內燃機為動力的汽車。圖21給出了日本政府2018年在《汽車新時代戰(zhàn)略會議中期報告》[15]中給出的不同動力系統(tǒng)汽車全生命周期碳排放對比（基于2017年國際能源署（International Energy Agency，IEA）數(shù)據(jù)），以普通汽油車為比較基準，其碳排放換算系數(shù)為100，則混合動力車為52，中國和印度的電動車分別為62和73，這是因為中印兩國的發(fā)電能源中煤炭占比分別為70%和75%，以及電動車和蓄電池在制造過程中的碳排放明顯高于燃油車和混動車，而電動車在發(fā)電能源主要為可再生能或核能的挪威和法國使用，換算系數(shù)分別只有1和4。由此說明，在一個國家的發(fā)電能源中化石燃料占較大比重時，即使作為理想新能源汽車的電動車也不是低碳或零碳的，只能伴隨著不斷低碳化的電力供應而逐步實現(xiàn)碳中和。

結合上述關于低碳和零碳燃料的未來發(fā)展，可形成圖22所示的發(fā)展過程，即碳中和燃油車與電動車BEV同時達到零碳排放的目標。圖中評價指標是全生命周期的碳排放，在中國現(xiàn)階段可以粗略將混動車HEV（帶有高效汽油機）與電動車BEV的碳排水平視為同等或略高；至2030年前后，由于采用低碳燃料（CNG/LNG等低碳化石燃料）和生物質混合燃料（乙醇汽油、甲酯柴油等），以及內燃機效率的進一步提高，燃油車的碳排放顯著降低；至2040年前后，隨著各種碳中和燃料的應用（以高比例摻混使用），燃油車碳排放進一步降低；最終在2050年前后，由于各種碳中和燃料生產技術成熟及成本降低，加之內燃機效率的顯著提高（高達50%～60%），燃油車可以實現(xiàn)零碳排放。另一方面，電動車BEV也隨著電力能源的不斷脫碳，其碳排放也不斷降低，最終在電力能源達到零碳排放時，電動車也實現(xiàn)真正的零碳排放。盡管這一設想是針對汽車或混動車的，但可以拓展到所有內燃機使用領域，即只要燃料實現(xiàn)了碳中和，則內燃機也就實現(xiàn)了零碳排放?？梢哉f，當內燃機開始使用碳中和燃料時，它也可以稱之為新能源內燃機，它所搭載的汽車也可以稱為新能源汽車。

3 氫、氨內燃機研究現(xiàn)狀及需要解決的關鍵技術

為了滿足碳中和要求，內燃機必須在未來5—10年能夠燃燒碳中和燃料，這需要能源行業(yè)和內燃機行業(yè)一起合作，解決內燃機碳中和燃料供給和高效清潔燃燒的關鍵技術問題。從碳中和燃料成本看，如果加氫基礎設施有保障，內燃機直接燒氫更可行，而且在使用壽命和成本上比質子膜燃料電池（PEMFC）動力有優(yōu)勢。如果加氫基礎設施沒有保障，內燃機直接燒氨（綠氨可以看作綠氫的液態(tài)能源載體）也是一條可行的零碳技術路線，盡管綠氨燃料的制備來自于綠氫，但無需加氫儲氫等基礎設施，氨內燃機綜合效益較氫內燃機高。

3.1 氫內燃機

氫氣在內燃機上的應用可追溯到20世紀30年代[48]。氫氣內燃機的氫氣噴射方式有進氣道噴射（port fuel injection，PFI）和缸內直噴（direct injection, DI）2種方式。對于PFI方式成本較低，但容易回火。此外，由于氫氣占據(jù)進氣的體積，也會導致PFI氫內燃機升功率的提高受限。

目前，典型的氫內燃機樣機有馬自達公司氫氣轉子發(fā)動機（圖23）[49]和寶馬公司汽油版氫-汽油發(fā)動機：汽油/氫氣雙燃料供應，氫氣進氣道噴射[50]，最高熱效率42%，最高有效平均壓力（brake mean effective pressure，BEMP）0.8 MPa。KEYOU公司柴油版氫內燃機[51]，采用氣道噴射、火花點燃，同時壓縮比降低為12，最高熱效率超過40%。聯(lián)電和博世聯(lián)合研究的進氣道噴射/缸內直噴氫內燃機[52]，氫氣在高壓直噴模式下，可實現(xiàn)39%的峰值有效熱效率（圖24）。結合混合動力的仿真結果表明，在混合動力發(fā)動機常用工況點下，NOx排放可低于10 ppm。國內高校和企業(yè)也針對氫內燃機開展了大量的研究。北京理工大學氫氣專用發(fā)動機研究表明[53]，在混合氣濃度接近當量比的條件下，在三效催化劑（TWC）中可用氫氣直接還原NOx排放，實現(xiàn)氫內燃機NOx的近零排放。

氫內燃機目前有3種燃燒模式：火花點燃（spark ignition, SI），均質混合氣引燃（homogeneous charge induced ignition, HCII）、均質混合氣壓燃（homogeneous charge compression ignition, HCCI）。最常用的是第1種SI燃燒模式。在當量比結合廢氣再循環(huán)（EGR）和三效催化劑（TWC）條件下，可以實現(xiàn)NOx的近零排放。但這種燃燒模式容易發(fā)生早燃、回火和爆震，限制了發(fā)動機負荷的提高[54]。在SI模式下，對于自然吸氣發(fā)動機因氫氣占進氣體積和燃燒容易爆震，相比于汽油，氫內燃機的峰值輸出功率會減少35%以上[55]。第2種HCII燃燒模式是采用柴油等高活性燃料來引燃缸內的氫氣混合氣，這種氫內燃機一般是由壓燃式發(fā)動機改造而來。氫氣在動力輸出中的比例可以靈活調整，但是氫氣的比例受到最高壓升率和末端混合氣自燃的限制。研究表明[56-57]，在中低負荷下，氫氣的能量輸出占比最高在30%～40%，而在大負荷工況下，氫氣的能量輸出占比限制在6%～25%。第3種是HCCI燃燒模式，由于氫氣的擴散系數(shù)較高，容易快速形成均質混合氣，發(fā)動機在混合氣當量比極低的條件下運行，可實現(xiàn)高熱效率（指示熱效率45%[58]）和近零NOx排放[59]。但在HCCI燃燒模式下，氫內燃機負荷低，提高負荷NOx排放會增高。

氫氣具有較高的自燃溫度，RON值≥ 130[60]，其MON比RON低很多[61]。但在當量比條件下，氫氣的最小著火能量比常規(guī)的碳氫燃料低一個數(shù)量級，這導致氫氣在火花點火前容易出現(xiàn)早燃現(xiàn)象。而氫氣較低的點火能量也使得氫發(fā)動機火花點火后容易發(fā)生末端混合氣自燃，進而引起爆震，尤其在較濃混合氣和高進氣壓力條件下，更容易發(fā)生爆震。為了抑制爆震，進氣壓力和混合氣濃度都不能過高，這就限制了氫發(fā)動機功率密度的提升。由于氫氣具有高的層流火焰速度，快速燃燒放熱容易導致較高的缸內燃燒溫度和壓力。為了抑制爆震，氫發(fā)動機常采用稀薄燃燒策略，這導致缸內“高溫、富氧”的環(huán)境，使得NOx排放高。進一步通過采用稀燃+高EGR的方式降低缸內的燃燒溫度，可以降低缸內NOx。在稀燃條件下，需要采用稀燃NOx凈化裝置如氮氧化物吸附器（lean NOxtraps, LNT）或選擇催化還原器（selected catalytic reduction, SCR）等降低氫發(fā)動機尾氣NOx排放，才能滿足未來更嚴格的排放法規(guī)。但在稀燃條件下，氫發(fā)動機的動力性受到很大影響，為了彌補動力性不足，需要匹配增壓器提高進氣充量。

總之，氫內燃機在技術上是完全可行的，但在使用過程中，還需要解決氫氣噴射系統(tǒng)、專用潤滑油、氫脆等的安全性和可靠性問題。

3.2 氨內燃機

氨內燃機的應用也可追溯到20世紀30年代[62]。第二次世界大戰(zhàn)期間，由于石油短缺，氨燃料火花點火內燃機開始用于軍事用途[63]；進入21世紀后，隨著溫室效應加劇，氨內燃機的研究又重新展開，但點火難與燃燒慢的問題提高了氨內燃機的開發(fā)難度。

為了解決氨氣燃燒難的問題，目前氨氣在發(fā)動機上的應用研究多采取高活性燃料引燃的方式，常見的高活性燃料包括柴油、二甲醚、氫氣等（見圖25）。

Gross等[64]研究了壓燃發(fā)動機缸內直噴氨氣、二甲醚混合燃料的發(fā)動機性能，發(fā)現(xiàn)引入氨氣后，發(fā)動機運轉工況變窄，無法實現(xiàn)高負荷運行，這是因為氨氣低熱值較低（18.6 MJ/kg，為柴油的44%），需要2.26倍質量流量的氨氣才可實現(xiàn)相同的能量輸出，但氨氣更高的汽化潛熱會使得缸內溫降達到100 ℃，降溫效應減緩了化學反應，而氨氣的低火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c高自燃溫度會進一步惡化燃燒，限制了發(fā)動機的高負荷運行。A. J. Reiter等[65]在四缸柴油機進氣道中引入氨氣并探究其對燃燒排放性能的影響，發(fā)現(xiàn)氨氣能量占比為40%～60%時有效燃油消耗率最低；引入氨氣后，CO與HC排放增多, 著火延遲期延長，壓力峰值降低；另外，當氨氣能量占比低于40 %時，NOx排放低于原機，NOx排放曲線如圖26所示。

為了解決氨氣燃燒慢的問題，還可以采用氫氣作為氨氣的活性增強劑。F. R. Westlye等[66]研究了體積占比80 %氨氣+ 20 %氫氣摻混燃燒的NOx排放，發(fā)現(xiàn)在化學當量比條件下，氨氫摻混燃燒的NOx排放低于碳氫燃料；隨著當量比降低，碳氫燃料NOx排放逐步降低，但氨氫燃燒的NOx排放則會產生另一個峰值，增加的NOx排放并非源自高溫反應，而是來自燃料氮。A.Hayakawa等[67]研究表明，相對于化學當量比燃燒，氨氣濃燃條件下的NOx排放會顯著降低，如圖27所示。另外，氨也可以添加到汽油機中進行燃燒，如圖28所示。

C. S. M?rch等[68]在點火發(fā)動機進氣道中同時引入氨氣、氫氣并研究發(fā)動機性能變化，結果表明，混合燃料中摻混10 % 體積占比的氫氣時，發(fā)動機熱效率最高，且由于燃料辛烷值的升高，發(fā)動機可運行在更大壓縮比條件下，這使得氨氫燃料發(fā)動機熱效率超過汽油原機效率。C. Lhuillier等[69]的研究也發(fā)現(xiàn)氫氣體積占比10%～20 %時，發(fā)動機熱效率最高，這是因為當氫氣過多時，會使得燃燒溫度過高，散熱損失增大；而氫氣過少時，會導致燃燒速度太慢，等容度降低，這都不利于發(fā)動機熱效率的提高。M. Pochet等[70]的研究表明，在氨的體積分數(shù)為15%時，氨/氫混合物抗自燃性增強，并且能使最高壓升率相比于氫氣降低50%以上，使燃燒持續(xù)期從曲柄轉角(crank angle, CA) 3°增加到7°。

氫氣部分摻混有效改善氨燃燒，而這部分氫氣有望通過氨氣在線重整制取。S. Sittichompoo等[72]的研究表明，鉑銠催化劑在500～600 ℃環(huán)境中可保證14.94 g/h流量的氨氣完全分解為氮氣、氫氣。M. F. Ezzat等[73]則開發(fā)了一種氨氣在線制氫的新型系統(tǒng)，系統(tǒng)采用氨電解質電池(ammonia electrolyte cell, AEC)制氫，通過熱電發(fā)電機(thermoelectricity generator, TEG)利用溫差發(fā)電并為電解質電池供電，最后通過氫氣摻混來實現(xiàn)內燃機中氨氣的穩(wěn)定燃燒，如圖29所示。

總之，氨內燃機往往需要與其他高活性燃料混合燃燒，才能獲得優(yōu)良的燃燒和排放性能，其混合氣形成和燃燒組織難度更大。氨內燃機實現(xiàn)高效清潔燃燒，還需解決以下關鍵科學和技術問題：

1） 高溫高壓寬濃度范圍下氨燃料燃燒化學反應動力學機理。目前國際上缺少對于氨燃料內燃機條件下燃料燃燒熱解、氧化和NOx生成機理的研究，尚無適用于高溫（800 ～1 200 K）高壓（2.0 ～6.0 MPa）寬濃度范圍（當量比φ = 0.5 ～ 2.0）下的氨燃料燃燒化學反應動力學機理。一方面，由于氨氣活性較低，使得其自身在低熱力學狀況下的層流火焰速度及滯燃期測量難度極大；另一方面，為獲取高熱力學狀況條件下火焰速度及滯燃期，需借助快速壓縮機(rapid compression machine, RCM)、激波管等燃燒器形成高溫高壓的初始熱力學狀況，難點在于形成基礎燃燒所需的穩(wěn)定精確的高溫高壓熱力學狀況。

2） 氨內燃機高效清潔燃燒組織。相比于傳統(tǒng)碳氫燃料，氨氣反應活性低、自燃溫度高，其層流火焰速度低、最小點火能高，這限制了氨氣在發(fā)動機上的使用。氫活性基射流點火引燃氨混合氣燃燒（H-A）是解決氨點火難和燃燒慢這一關鍵問題的有效手段[74]，結合汽、柴油機燃燒優(yōu)點，提出多點預混燃燒（multipoint premixed combustion, MPC）概念，如圖30所示。通過高活性燃料高溫燃燒氣體注入主燃室中，形成多個點火源，引燃低反應活性預混合氣并引發(fā)強湍流，利用湍流打碎火焰來加快燃燒速度，可以實現(xiàn)可靠的點火過程并提高燃燒速度從而實現(xiàn)爆而不震的點燃-壓燃過程。這種氨內燃機較柴油機還有一個顯著的成本優(yōu)勢是：不需要高壓共軌、高壓油泵、高壓油嘴和DPF等來實現(xiàn)高效燃燒和零碳排放。

3） 氨在內燃機上的應用還存在零部件腐蝕問題。美國科埃帕默公司[75]針對氨與不同材料的相容性研究表明，銅、黃銅、青銅、鈦、氟橡膠、天然橡膠被嚴重腐蝕；而304不銹鋼、316不銹鋼、鋁、碳鋼、鑄鐵、丁腈橡膠、全氟橡膠、氯丁橡膠等受氨氣影響微弱。Gray等[76]還針對氨氣與潤滑油的相容性進行了研究，發(fā)現(xiàn)潤滑油受氨氣影響較小，其變質程度與使用碳氫燃料相當。已有的研究表明，氨氣應用于發(fā)動機時需更換包含銅、鋅合金的少部分零部件, 以及某些橡膠密封件，除此之外，常規(guī)發(fā)動機設計可以滿足氨氣在發(fā)動機上的使用。

4） 盡管氨可以作為NOx后處理的還原劑，但仍需考慮開發(fā)針對氨燃燒特性的高效、耐久SCR裝置。另一方面，尾氣中未燃氨會散發(fā)出刺激性氣味，因此在尾氣處理中還必須考慮采用吸附、催化氧化/催化分解等技術來大幅度降低氨進入大氣環(huán)境的比例，并同時考慮與廢氣再循環(huán)相關措施的交聯(lián)與控制策略，實現(xiàn)對大氣環(huán)境的零影響。

5） 事故與泄露的安全措施。液氨作為車用燃料的儲存和燃料供應系統(tǒng)須考慮汽車碰撞安全問題。由于氨常溫下會迅速氣化、有一定毒性并具有刺激性氣味，其安全措施不能簡單照搬過去的LPG/CNG或者氫氣儲存系統(tǒng)，需從主動和被動防護兩個方面加強安全設計，并充分考慮氨泄露后的保護措施。當然這一安全問題，在氫內燃機中同樣重要。

4 總結與展望

1） 2020年中國承諾“雙碳”目標，碳中和成為全球共識和未來發(fā)展目標，是由工業(yè)文明向生態(tài)文明發(fā)展的必然選擇，將給人類社會和經濟帶來全方位的影響，既有挑戰(zhàn)，也有機遇。中國將在40年內實現(xiàn)碳中和，壓力巨大，但從長遠看，碳中和也是我國減少石油依賴，從根本上解決能源安全的一次重大戰(zhàn)略機遇。中國能源將由過去主要依靠油氣等化石能源進口的資源依賴型國家，轉變?yōu)槲磥碇饕揽克?、風能、光能等可再生能源的技術依賴型國家，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2） 內燃機是一種量大面廣的道路、非道路移動機械和國防裝備動力裝置，在實現(xiàn)碳中和的過程中，其節(jié)能減排技術的應用將起到立竿見影的減碳作用。特別需要指出，混合動力可以使內燃機經常運行在高效區(qū)，峰值和系統(tǒng)總熱效率可以大幅度提升，是非常有效的低碳節(jié)能技術。柴油機通過“三高”（高增壓、高噴射壓力、高EGR）結合低散熱和余熱回收技術，有效熱效率可突破55%。汽油機作為輕型車用混合動力，未來通過稀燃、壓燃等節(jié)能技術，有效熱效率仍有20%～30%的提升空間，可以達到柴油機相應的熱效率水平。

3） 在碳中和背景下，隨著綠電應用比例越來越高，純電動車越來越接近全生命周期零碳排放，而內燃機隨著本身節(jié)能減排技術的不斷進步，以及不斷增加碳中和燃料應用的比例，也可以逐步實現(xiàn)內燃機全生命周期的零碳排放。生物質燃料、綠氫、綠氨和綠電合成液態(tài)燃料等碳中和內燃機，既可以與電機一起用于混合動力解決純電動車的里程焦慮和充電焦慮，也可以用于長途運輸重卡動力、非道路動力以及船舶動力以解決充電不便問題。

4） 中國有一定量的乙醇、生物柴油等生物質資源，有乙醇汽油和生物柴油在內燃機上大規(guī)模應用的經驗，也有較好的生物質燃料制備技術和產業(yè)基礎，可以形成一定規(guī)模的內燃機所需生物質液態(tài)碳中和燃料。在碳中和背景下，國家應更加重視和加大對生物質燃料產業(yè)的支持力度，加大生物燃料普及應用的推廣力度，使其在實現(xiàn)碳中和過程中發(fā)揮重要作用。

5） 在加氫基礎設施有保障的地區(qū)，氫內燃機應該與氫燃料電池動力各自發(fā)揮特長和優(yōu)勢。氫內燃機制造產業(yè)鏈完備，相比氫燃料電池在技術成熟度、耐久性和成本等方面具有優(yōu)勢，因此大力開發(fā)和使用氫內燃機是一種較低成本的動力碳中和解決方案。氫內燃機既可以用作輕型車混動專用動力，也可以用作重卡動力和非道路動力。目前氫內燃機技術推廣應用尚有諸多問題需要解決，包括綠氫制備-運輸-安全，以及氫內燃機氫氣噴射、燃燒爆震、回火、早燃和NOx排放等應用技術問題。

6） 內燃機燃用綠氨是另外一條可行的碳中和之路，其優(yōu)勢是無需專門的供氫基礎設施，而液氨燃料的制備、存儲和輸運均方便，適用于長途重卡和船舶動力，但其實際應用需要解決氨內燃機著火難、燃燒慢以及NOx排放等技術問題。氨在線制氫實現(xiàn)氨氫混合燃燒是氨內燃機實現(xiàn)高效燃燒的一條可行的技術路線。

7） 在電解水制氫的成本能夠得到有效控制的條件下，內燃機可以直接使用電力合成液體燃料（e-fuel）包括直接合成甲醇、甲醇制汽油（MTG）、Fischer-Tropsch合成柴油等，此方案無需對現(xiàn)有內燃機生產及燃料存儲輸運設施進行更新，是內燃機實現(xiàn)碳中和的理想路徑和選擇。在電解水技術進入大規(guī)模實用階段時，e-fuel的減碳優(yōu)勢會更加突出，有可能會在對使用成本不敏感的高端內燃動力裝置中率先得到應用。