谷 雨，宮寶利，黃德軍，余 浩

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.車輛排放與節(jié)能重慶市重點實驗室，重慶 401122）

自19 世紀60 年代以來，活塞式內燃機因其熱效率高、功率和轉速范圍寬、配套方便、機動性好，而獲得了廣泛的應用，并不斷改進和發(fā)展。過去40 年，得益于發(fā)動機燃燒和后處理技術的快速發(fā)展，內燃機尾氣排放污染物已降低到可以忽略的水平，在某些地區(qū)甚至比周圍空氣還要清潔。但化石燃料所產(chǎn)生的碳排放，以及全球變暖的持續(xù)壓力，使得全世界將“內燃機碳排放”納入考慮的重點。全球各國紛紛加入禁售燃油車的規(guī)劃，一時間以新能源為主體的電驅動勢力開始崛起，傳統(tǒng)內燃機面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

截至2020 年末，我國擁有載貨汽車1 110.28 萬輛。其中：普通貨車414.14 萬輛、專用貨車50.67萬輛、牽引車310.84萬輛、掛車334.63萬輛。數(shù)據(jù)顯示：我國以貨運卡車為主的商用車保有量雖然只占汽車總量的13%，但是卻消耗了全部汽柴油總量的51%。其中，商用車二氧化碳排放量約占汽車排放總量的56%。

雖然電動化、智能化是汽車行業(yè)的趨勢，乘用車領域以純電、插電式混合動力、燃料電池等為代表的技術路線在市場應用方面已十分成熟，但是商用車對運載能力和續(xù)駛里程要求更高，且應用場景多元、車型錯綜復雜。因此，商用車新能源電動化進程無法高歌猛進，作為重型商用車傳統(tǒng)動力源的柴油機仍將在很長一段時間作為其主要動力輸出。基于傳統(tǒng)動力源的重型商用車減碳（降能耗）技術是我們目前和將來考慮的重點，其減碳方向則主要集中在以下兩個方面：

（1）動力總成：燃燒技術、低摩擦技術、智能變速技術、輕量化技術、混合動力技術。

（2）燃料技術：天然氣燃料、含氧燃料、氫燃料、氨燃料。

1 動力總成

重型商用車減碳脫碳的關鍵在于動力總成，包括內燃機和變速器在內的動力總成關鍵技術就是如何增大輸出效率，這既包含了從正向增大內燃機的熱效率，也包含了從逆向減少各環(huán)節(jié)的效率損失。以目前46%的行業(yè)平均熱效率水平估算，重型柴油機可通過燃燒優(yōu)化、減磨潤滑、能量分配優(yōu)化、余熱回收等手段將熱效率提升至50%～60%，柴油消耗和二氧化碳排放將降低8%～10%。按照目前國內重型柴油機市場保有量估算，如果全部替換為50%熱效率的柴油機，每年大概可節(jié)約燃油3 332萬噸，減少二氧化碳排放10 495萬噸，這將為解決能源短缺和全球氣候變暖問題作出重大貢獻。

1.1 燃燒技術

內燃機的核心是燃燒，內燃機未來的核心技術是先進的高效清潔燃燒技術，通過改善燃燒來提高內燃機的熱效率是我們一直努力的方向。傳統(tǒng)柴油機屬于燃料噴射擴散燃燒，存在較多的局部不均勻混合區(qū)域，能量利用效率不高。

圖1 擴散燃燒和均質壓燃

均質壓燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）是目前認為最具潛力的燃燒模式。該燃燒屬于燃燒氣預混模式，主要利用均質混合氣，通過提高壓縮比、廢氣再循環(huán)、增壓等方式提高缸內混合氣的溫度和壓力，促使混合氣進行壓縮自燃，并在缸內形成多點同時著火，在保證著火穩(wěn)定性的情況下，縮短了火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x和燃燒持續(xù)期，以達到缸內高效快速燃燒的目的，從而提高熱效率。

柴油機HCCI 的關鍵在于油氣混合技術以及燃燒控制技術。為了讓柴油和空氣更加均勻地混合，應當優(yōu)化設計燃燒室結構及噴油器參數(shù)，同時在噴油策略上實施早噴、晚噴以及多次噴射。

比較有代表性的是，日本新ACE 研究院所采用的“預混稀燃柴油機燃燒過程”（PRIDIC），通過減少噴油器噴孔直徑，增加噴嘴孔數(shù)，同時運用缸內早噴技術實現(xiàn)均質壓燃；而日產(chǎn)公司的MK（Modulated Kinetics）燃燒系統(tǒng)則是通過晚噴延長滯燃期，從而實現(xiàn)均質壓燃。我國的蘇萬華教授等也相繼提出了多種柴油機燃燒技術，包括預混壓燃燃燒（Premixed Charge Compression Ignition，PCCI）、低 溫燃 燒（Low Temperature Combustion，LTC）、高充量密度低溫燃燒（HD-LTC）等，這些柴油機燃燒技術都是HCCI模式的拓展或變形，其核心思想均是通過高噴射壓力的多次噴油控制使混合氣盡量均勻。

理想的柴油機HCCI 燃燒能夠在傳統(tǒng)柴油機基礎上降低油耗10%～15%，但目前為止仍然局限在部分負荷下的運行，采用高增壓、高EGR 率、分層燃燒、汽柴油雙燃料噴射等技術，可在不同程度上拓展HCCI 在大負荷的運行范圍。上海交通大學的桂勇等和石磊等分別就內外置EGR 對柴油機HCCI 工況范圍影響做了研究，認為外部EGR 比內部EGR 更有效地提升HCCI 的負荷上限?？ㄌ乇死展就ㄟ^高增壓比等控制策略，結合燃油改性在重型柴油機上將HCCI運行工況拓寬了80%。

活性氛圍壓縮燃燒技術（Reactivity Controlled Compression，RCCI）由HCCI 衍生而出，在面向壓燃式的柴油機領域，通過對燃燒相位的調節(jié)，不僅可以解決燃燒技術的燃燒控制難、負荷適應性差等問題，還能很好地規(guī)避傳統(tǒng)柴油機NO與PM 排放的“蹺蹺板”特性影響，具有很好的應用前景。RCCI 采用兩種不同的燃料、兩套獨立的燃油系統(tǒng)進行工作：一套系統(tǒng)將汽油、甲醇、乙醇、天然氣等易揮發(fā)、高辛烷值的燃料通過氣道噴射系統(tǒng)，在著火前形成均勻混合氣；另一套系統(tǒng)將高十六烷值的柴油通過缸內直噴系統(tǒng)，在壓縮著火后點燃氣道噴射所形成的均勻混合氣。在不同負荷工況下，通過調整兩套系統(tǒng)的燃料供給量，從而控制缸內燃料的當量十六烷值，以達到控制擴散燃燒和預混燃燒強度，降低燃燒最高溫度的目的。

HCCI 及相關變形燃燒模式，到目前為止因為控制技術難度，仍然更多地出現(xiàn)在實驗室中。雖然以馬自達第2 代創(chuàng)馳藍天發(fā)動機SKYACTIV-X 為代表的乘用小型化產(chǎn)品實例已經(jīng)比較成熟，但運用于重型商用車的實際產(chǎn)品還較少。隨著燃燒控制精度的提升以及混合動力系統(tǒng)對運行區(qū)域的幫助，HCCI 模式將會以部分參與的形式不斷介入重型商用車，并最終成為提高內燃機熱效率、降低碳排放的有效手段。

1.2 低摩擦技術

降低柴油機各摩擦副的磨損，不僅能延長其可靠性壽命，更是提高熱效率的重要手段之一?；趥鹘y(tǒng)動力源的重型商用車低摩擦技術主要集中在涂層技術和潤滑油技術兩個方面。

圖2 發(fā)動機摩擦損失

涂層技術是指在柴油機各個零部件表面涂覆金屬化合物，通過不同的物理化學特性降低摩擦副損耗。目前，比較普及的是各類氮化物涂層，氮化鋁（AlN）涂層擁有六角晶體結構，直到1 360 ℃下才會發(fā)生大規(guī)模氧化作用，擁有很好的耐高溫抗磨損特性；氮化鈦（TiN）薄膜可顯著改善基體材料的力學性能，采用納米復合涂層技術會產(chǎn)生更優(yōu)良的硬度以及抗磨損性能；氮化鋯（ZrN）涂層十分稀少，采用真空等離子噴涂工藝將其涂抹在零件摩擦副表面，減小摩擦能力更勝于TiN；類金剛石（DLC）涂層由于粉末具有較高的硬度、低摩擦因子，可以使柴油機部件的磨損程度降低10%～15%。

潤滑油技術是指在內燃機潤滑油中添加各類添加劑，增加其抗磨、抗熱、黏度適應性等性能。張家璽等對15W/30 潤滑油添加納米金剛石顆粒（UDD），測試活塞環(huán)-缸套磨損情況，研究表明，由于納米尺寸效應，UDD 可滲入到摩擦表面而形成極薄的固體潤滑膜，從而有效阻止摩擦表面的直接接觸，進而提高承載能力并減輕磨損。AWANG等則在潤滑油中添加新型納米纖維素（CNC），顯著降低了潤滑油的黏度，從而改善機油的潤滑性能，提高內燃機的性能和熱效率。

1.3 智能變速技術

如何讓發(fā)動機始終運轉在經(jīng)濟區(qū)域，用于長途運輸?shù)闹匦蜕逃密嚕偈炀毜鸟{駛員也無法做到一直精確切換擋位。AT 變速器由于液力變矩器的存在，傳動效率損失較大，在動力性和燃油經(jīng)濟性方面無法適用于重型商用車。而AMT 變速器則依然沿用齒輪傳動系統(tǒng)，通過傳感器系統(tǒng)采集到包括車速、發(fā)動機轉矩、發(fā)動機轉速、油門、制動踏板、車輛載荷、道路狀況等數(shù)據(jù)，并反饋給變速器電控換擋系統(tǒng)處理單元（TCU），然后判斷執(zhí)行出最適合的擋位以及換擋時刻。未來通過與高級駕駛輔助系 統(tǒng) （Advanced Driving Assistance System，ADAS）融合，變速器可以接收地圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)變速器控制策略優(yōu)化及經(jīng)濟巡航控制功能，可降低3%～5%車輛油耗。AMT變速系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 AMT變速系統(tǒng)示意圖

AMT 變速系統(tǒng)的關鍵技術在離合器控制、換擋控制、發(fā)動機控制和控制執(zhí)行單元設計。包括國外艾里遜、伊頓、采埃孚以及國內的法士特、一汽、重汽等企業(yè)都已經(jīng)有非常成熟的重型商用車AMT 變速系統(tǒng)，在減碳節(jié)能的大背景下，AMT 及相關智能變速技術將持續(xù)深入普及。

1.4 輕量化技術

在滿足可靠性、安全性的前提下，輕量化技術可以對汽車性能、能耗、排放等產(chǎn)生積極的影響，一直是汽車領域研究的重要方向。相比于乘用車來說，匹配重型商用車的發(fā)動機在體積和質量上都偏大，在以降低油耗、減碳為目的前提下，重型發(fā)動機的輕量化技術顯得尤為重要。研究表明，重型商用車質量下降10%，能直接促使油耗下降5%左右。輕量化技術主要包括材料優(yōu)化和結構優(yōu)化兩個方面。

動力總成材料可以從兩個方向進行優(yōu)化，其中一個方向是采用蠕墨鑄鐵、等溫處理球鐵、粉末冶金材料等高強度鑄鐵，進而實現(xiàn)動力總成鑄件的小型化和薄壁化；另一個方向是在進氣歧管、齒輪室罩蓋、飛輪殼、氣缸體、氣缸蓋等受力不大、工作溫度不高的鑄件上采用更加輕質的鋁合金、鈦合金材料。

動力總成結構主要通過集成設計和拓撲優(yōu)化進行輕量化改進，是指將動力總成結構上相鄰或相近的幾個零部件進行整合化拓撲設計。首先根據(jù)待優(yōu)化結構件的具體方位進行不受影響的獨立區(qū)域劃分；然后根據(jù)已劃分設計區(qū)域中的材料力學性能和具體參數(shù)建立符合優(yōu)化條件的目標函數(shù)；最后利用目標函數(shù)進行計算，求得結構件材料的最優(yōu)分布和力量傳導的最佳路徑，從而使結構性能達到最佳狀態(tài)。通過拓撲優(yōu)化方法可以設計出最佳的動力總成零部件結構，而且該優(yōu)化方法相較于其他設計方法更為高效，能夠減少結構設計的開發(fā)和驗證時間，從而提高生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)成本。結構優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 結構優(yōu)化流程

1.5 混合動力技術

混合動力融合了純電和傳統(tǒng)內燃機的優(yōu)點，是目前基于傳統(tǒng)燃料（柴油）內燃機的重型商用車最直接有效的減碳方式。

與乘用車一樣，重型商用車混合動力技術也分為串聯(lián)、并聯(lián)以及混聯(lián)模式。以增程式混合動力為代表的串聯(lián)系統(tǒng)，直接驅動源是電機，發(fā)動機僅僅是充電的功能，并不是真正意義上的傳統(tǒng)動力源。而在并聯(lián)或混聯(lián)系統(tǒng)中，內燃機和電機都可以直接輸出動力，在能量流分配管理上更適合重型商用車，以內燃機為主要動力源，電機只在特定工況下參與工作，這使得所需電池組較小，電池所帶來的高額成本以及整車占用空間都會減少，其工作模式主要有以下4種情況。

（1）純電機驅動：主要用于油耗較高的停車起步、低速怠速行駛工況。

（2）純內燃機驅動：主要用于油耗較低的高速穩(wěn)定行駛工況。

（3）內燃機和電機共同驅動：主要用于加速或爬坡等大負荷行駛工況。

（4）能量回收：在減速或制動時，利用電動機反拖給動力電池充電，將回收的制動能量儲存待用。

如圖5 所示，按照電機布置位置的不同，目前普遍將混合動力構型分為以下幾類：

圖5 混合動力構型圖

（1）P0 構型中的電機又稱為BSG（Belt-Driven Starter/Generator），電機置于發(fā)動機前端（起動機位置），通過皮帶傳動帶動發(fā)動機，但因其傳動轉矩有限，屬于弱混形式，在重型商用車領域屬于過渡技術。

（2） P1 構型 中 的 電 機 又 稱ISG （Integrated Starter/Generator），電機置于發(fā)動機和離合器之間（飛輪的位置），由于電機和發(fā)動機之間沒有離合器，從嚴格意義上無法實現(xiàn)電機單獨工作，節(jié)油減碳的能力有限。

（3）P2 構型的電機和發(fā)動機之間存在離合器，可實現(xiàn)純電驅動，在能量流分配上有更大的靈活性，也能實現(xiàn)較好的節(jié)油減碳效果，是重型商用車比較理想的混動模式。

（4）P3構型的電機置于變速機構后端，利用雙離合的不同傳動軸，能夠實現(xiàn)發(fā)動機和電機同時工作在不同轉速，但該電機需要較大功率且不能直接啟動發(fā)動機。

（5）P4 構型的電機置于后橋，直接驅動車輪，可以在車輪端實現(xiàn)獨立的附加驅動力，但各驅動橋的轉矩協(xié)調、路面耦合等動態(tài)控制問題也較為復雜。

混合動力技術的關鍵在電機、電池、逆變器等硬件的高效率高可靠性要求，而難點則在于功率分配的管理，能量管理策略主要包括基于規(guī)則、模糊邏輯以及優(yōu)化等幾種管理方式：規(guī)則管理模式對發(fā)動機和電機的運行狀態(tài)進行固定式的邏輯限定和執(zhí)行，這種基于簡單數(shù)學模型的能量管理模式更適合中小型混動車輛；而模糊邏輯模式根據(jù)整車速度、需求功率以及電池荷載狀態(tài)（State of Charge，SOC）計算電機所需功率，并確定電機和發(fā)動機分別需要輸出的功率，最終通過模糊邏輯調整電機功率使得發(fā)動機在預定工況運行，該種模式的邊界輸入以及邏輯判斷更加細化，更適合運行工況復雜的重型商用車；最后基于優(yōu)化的可分為瞬時優(yōu)化與全局優(yōu)化，其中瞬時優(yōu)化方法的計算量較小，往往在實車中應用較多；而全局優(yōu)化方法由于多考慮了信息的維度，使其成為理論中的最優(yōu)能量管理方法，也是未來降低碳排放的熱點技術之一。

2 燃料技術

為了讓重型商用車達到減碳的目的，也可以從燃料途徑進行改進。通過采用多種替代燃料，推進燃料“多氫少碳”，甚至達到“零碳”燃料的推廣使用，可以從另一個方向有效減少基于傳統(tǒng)動力源的重型商用車碳排放。

2.1 天然氣燃料

作為世界第三大能源的天然氣燃料，儲量豐富，開采使用技術成熟，其主要成分是甲烷，通常以壓縮天然氣（CNG）或液化天然氣（LNG）的形態(tài)用于重型商用車。天然氣燃料的碳氫比例低于柴油，更多的能量可由氫原子提供，因此從燃燒碳排量來看是少于柴油的，在等熱值條件下計算，1 kg LNG 替代柴油可實現(xiàn)約0.28 kg 碳減排。同時天然氣燃料在開采、生產(chǎn)、儲藏、運輸、使用等全生命周期內產(chǎn)生的碳排量也遠遠小于柴油，因此被歸為多氫少碳的“清潔燃料”。

應用于重型商用車的天然氣發(fā)動機主要有稀燃和當量燃燒兩種方式。稀燃模式因其燃燒溫度低、熱效率高等特點，在國五及以前的排放階段廣泛應用。稀燃模式可采用燃燒室及進氣道結構優(yōu)化、局部分層燃燒和預燃室結構拓展稀燃極限并實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，從而在相同NO排放量水平下明顯改善熱效率。

國六時期，配備天然氣發(fā)動機的重型商用車NO限值下降77%，稀燃模式必須采用價格較高的選擇性催化還原后處理系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduction，SCR），通過向尾氣中噴射尿素來減少NO?；谑袌龀杀镜目紤]，在國六階段，天然氣發(fā)動機主要采用當量燃燒模式，在天然氣理論空燃比（17.2∶1）的情況下結合廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）進行缸內燃燒，僅通過加裝三效催化器（Three Way Catalyst，TWC）就可實現(xiàn)超低排放量。但當量燃燒的氣耗率比稀燃模式高12%，這需要通過燃燒室及進氣道結構設計提高缸內湍流強度或者采用米勒循環(huán)等方式進行熱效率優(yōu)化。

天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機采用柴油引燃天然氣的燃燒方式實現(xiàn)稀燃，提升天然氣的燃燒速度，發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性既可以達到柴油機的水平，也可以大幅度降低CO排放。該種燃料組合模式會因為壁面淬熄、稀燃失火等原因導致天然氣燃料燃燒不完全而排出，從而導致CH排放較高。甲烷在大氣中壽命為12 年，但在20 年尺度下的全球變暖潛值（GWP20）約為二氧化碳的84 倍，在100年尺度下則為二氧化碳的28倍。因此，需要采用缸內直噴技術以及后處理技術對CH的排放進行控制。

圖6 溫室氣體排放統(tǒng)計［33］

2.2 含氧燃料

含氧燃料包括醇類、醚類、生物柴油以及其他多組分混合含氧燃料，除石化等工業(yè)原料外，多為動植物、微生物以及石化等工業(yè)原料提取，能夠實現(xiàn)循環(huán)再生。含氧燃料在燃燒過程中能提供更多氧元素，能夠極大地改善燃燒特性，使CO、HC、PM 等污染物的排放減少，但NO會有所增加。含氧燃料的熱值普遍低于普通柴油，因此在同等體積燃料下，含氧燃料發(fā)出的功率小于柴油，為了彌補這一損失，在實際運用中通常采用含氧燃料按一定比例摻燒柴油。即便如此，從全生命周期軌跡來看，含氧燃料在獲取路徑上的CO是負增長，因此屬于可顯著減碳的“清潔燃料”。

表1 含氧燃料參數(shù)特性［34］

醇類燃料主要包括甲醇、乙醇、丁醇和戊醇。相比于柴油，甲醇、乙醇的十六烷值和粘度都較低，在摻燒過程中只能利用助溶劑和乳化劑實現(xiàn)互溶；甲醇、乙醇摻混柴油后熱值低、粘度、十六烷值低于柴油，但是其辛烷值較高，可以使用高壓縮比的柴油機。張俊強等分別用體積分數(shù)為10%、15%和20%的甲醇-柴油混合燃料在直噴柴油機上進行試驗，發(fā)現(xiàn)加入甲醇可以明顯改善柴油機的燃燒特性，提高柴油機的熱效率，而丁醇和戊醇的理化性質與柴油接近，是較好的替代燃料，但是制備成 本 較 高。KARABEKTAS 等和LEBEDEVAS等分別對丁醇摻燒柴油進行了測試，發(fā)現(xiàn)以不同體積分數(shù)丁醇摻混柴油會導致燃油消耗率輕微上升、熱效率輕微下降。

醚類燃料主要包含二甲醚、二甲氧甲烷、乙醚、異丙醚、丁醚、聚甲氧基二甲醚（PODE）等。在國內外一系列研究中，發(fā)現(xiàn)不同比例的二甲醚摻混燃料會使燃燒溫度下降約為80～100 K，燃油消耗率不同程度降低，NO和PM 的排放明顯降低。朱益佳等分別在柴油中摻混10%、20%和30%的PODE，研究發(fā)現(xiàn)，在低速大負荷以外的工況下，PODE的摻入明顯降低了預噴放熱率，改善了燃料的霧化性能，提升了缸內燃燒溫度，縮短了燃燒持續(xù)期，發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性得到明顯改善。

目前所采用的二代生物柴油生產(chǎn)原料主要包括草本油料植物、木本油料植物、廢棄油脂、動物油脂、微生物油脂及工程微藻等。一般將生物柴油體積比為X%的生物柴油混合燃料簡稱為BX（純生物柴油為B100，石化柴油為B0）。FONTARAS等、譚丕強等、葛蘊珊等的研究顯示，在供油系統(tǒng)未進行調整的情況下，隨著生物柴油摻混比例的提高，功率呈現(xiàn)整體下降趨勢；當生物柴油的摻混比例不大于20%時，生物柴油對發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性影響很小。

2.3 氫燃料

相比于前面幾種低碳燃料，氫燃料完全不含有碳元素，屬于零碳燃料。從氫燃料的提出到使用已經(jīng)有一百多年的歷史，直到現(xiàn)在氫燃料更多的是以氫燃料電池的形式為機動車提供動力。隨著相關領域尤其是天然氣發(fā)動機的技術發(fā)展，氫燃料也被直接用作內燃機燃燒，較好地替代了傳統(tǒng)燃料。

氫氣的單位質量低熱值為120 kJ/g，是柴油和天然氣燃料的3 倍，但是由于質量空燃比較大，所以在理論混合氣燃燒時的發(fā)熱量反而會比柴油和天然氣小。氫氣的最低點火能量是天然氣的1/10，因此，在燃燒中的失火概率遠遠小于天然氣。燃燒速度和擴散系數(shù)的特性讓氫氣更能實現(xiàn)稀薄、均質、低溫燃燒，獲得更大的內燃機熱效率。

類似于天然氣車用內燃機，氫氣內燃機也分為進氣道噴射與缸內直噴兩種類型，以天然氣發(fā)動機為基礎，進氣道噴射形式對噴氫系統(tǒng)結構的改造較為簡單，但容易產(chǎn)生早燃、回火現(xiàn)象；而缸內直噴形式不僅可以避免上述異常燃燒，同時還能有效提高過量空氣系數(shù)，但結構較為復雜，噴氫和點火時刻需要精確標定。

氫氣理論完全燃燒的產(chǎn)物只有水，但燃燒過程中產(chǎn)生的高溫會讓空氣中的氮和氧發(fā)生反應，從而產(chǎn)生氮氧化物，少量的碳排放是由機油燃燒產(chǎn)生的CO 和CO。因此，氫氣內燃機的排放控制主要集中在NO，可以通過EGR等手段進行控制。

相較于純氫燃燒，在向氫能邁進的過渡階段，氫氣可以更多地應用在摻燒模式上，就重型商用車而言，柴油和天然氣均可以不同程度地摻燒氫氣。在柴油機的進氣中加入氫氣會利用柴油自燃所形成的多個著火中心快速引燃燃燒室內的稀薄氫氣預混合氣，從而在柴油機上實現(xiàn)稀薄預混合燃燒，提高熱效率。天然氣摻燒氫氣可以促使缸內產(chǎn)生更多的O、OH 等活性自由基，從而加速了缸內火焰?zhèn)鞑?，發(fā)動機的指示燃氣消耗率下降、指示熱效率提高，在實際應用中采用10%的摻氫比對發(fā)動機性能和排放較為有利。

氫燃料的應用目前主要受限于制取、儲存和運輸。目前氫能制備的主要途徑還是依靠天然氣、醇類、焦爐煤氣等傳統(tǒng)能源的化學重整，而電解制氫所需的電解槽和電能成本較高，而且我國目前“綠電”的產(chǎn)能較低，從全生命周期軌跡來看還需要逐漸發(fā)展。氫能儲運主要分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、有機液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫等，4 種儲運方式都有較高的技術難度：高壓氣態(tài)儲氫需要35～70 MPa 的高壓儲氫瓶；低溫液態(tài)儲氫需要將氫氣降溫并保持在－20 K，熱交換損耗要求很高的保溫技術；有機液態(tài)儲氫的儲氫密度較高，但需要配備專用的加氫脫氫裝置，流程繁瑣，成本較高；固態(tài)儲氫需要對儲存容器的輕量化進行考慮，而且隨著使用次數(shù)的增加會導致金屬儲氫性能下降。我國制氫途徑占比，如圖7所示。

圖7 我國制氫途徑占比［46］

2.4 氨燃料

氨燃料同樣屬于零碳燃料，而且分子含氫量高，完全燃燒只會產(chǎn)生水和無害的氮氣。與氫燃料相比，氨燃料有著很多的優(yōu)點，是內燃機減碳征程中很好的替代燃料：氨的能量密度高于氫和天然氣，相同負荷下所需的氨燃料更少；工業(yè)制氨技術成熟，制氨成本比制氫低；氨除了會腐蝕部分金屬（鋅、銅、銀、錫等）外，對其余材料幾乎沒有影響，可以很方便地儲存和運輸；氨的爆炸極限遠遠小于氫，并且爆炸上限僅為氫的1/3，在使用過程中比較安全；氨的毒性較小且有刺鼻氣味，氨燃料泄漏易于發(fā)現(xiàn)。

與其他燃料相比，氨燃料存在燃點及最小點火能量較高、燃燒速度慢和燃燒溫度低等問題，因此，氨燃料在傳統(tǒng)動力源上多采用和其他燃料摻燒的模式，以汽柴油、氫等作為摻燒燃料引燃氨，在基于“減碳”目的前提下，氨-氫燃料將會是一個很好的方案。秦豪杰等分析了不同摻氫比的氫氨混合燃料的理化性能和燃燒特性。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著摻氫比的增加，混合燃料的低熱值、理論空燃比及燃料總能量均減小，指示效率呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。MORCH 等對氨-氫燃料以不同的過量空氣系數(shù)和氨氫比進行了試驗，研究顯示：氫氣占體積分數(shù)10%時發(fā)動機的效率最高。

表2 氨與其他燃料參數(shù)特性對比［48］

氨燃料熱值較低，單位質量氨燃燒放出的熱量相對較少，需要通過加大進氣壓力或壓縮比來提高進入發(fā)動機缸內的氨燃料量；氨燃料含氮，不完全燃燒時會造成NO和氨氣污染物，需要通過SCR 和氨氣捕捉器（Ammonia Slip Catalyst，ASC）配合處理。

3 結論

“碳達峰、碳中和”目標是我國對世界的莊嚴承諾，在機動車領域碳排量占比較大的重型商用車將向著降低油耗、減少碳排放的大方向持續(xù)前進。作為重型商用車傳統(tǒng)動力源的內燃機并不會因為“雙碳”目標而迭代消失，在新能源動力的沖擊環(huán)境下，內燃機行業(yè)需要避免固步自封，積極向動力總成以及各種替代燃料領域的先進技術不斷邁進。

（1）從中短期看，動力總成領域的技術發(fā)展是重型商用車“減碳”的關鍵。以內燃機熱效率為核心出發(fā)點，可以從燃燒技術上正向提高熱效率，HCCI 技術具備很好的理論空間和研發(fā)基礎，但需要通過更高的燃燒控制精度以及混合動力的輔助，才能盡快地讓HCCI 技術運用到實際產(chǎn)品上。而低摩擦技術則從減少損失功率的角度逆向出發(fā)，化學、材料等領域的技術發(fā)展將會為熱效率的提升添磚加瓦。智能變速技術結合智聯(lián)系統(tǒng)，既能減少駕駛員的工作強度、提升駕駛安全性，還能夠實現(xiàn)發(fā)動機運行工況最優(yōu)化。輕量化技術可通過輕質化材料以及更加優(yōu)化的結構設計技術實現(xiàn)油耗的降低?；旌蟿恿夹g可以通過不同的構型方式，讓內燃機始終保持在最高效節(jié)能的運行區(qū)間，“三電”技術的發(fā)展以及能量管理策略是混合動力運用到重型商用車的關鍵環(huán)節(jié)。

（2）從中遠期看，燃料技術可以從另一個方向極大地緩解“減碳”目標給動力總成帶來的壓力?！岸鄽渖偬肌钡奶烊粴馊剂弦呀?jīng)在重型商用車領域成熟地運用，甲烷的排放控制會是今后考慮的重點。以醇醚類以及生物柴油為代表的含氧燃料，以“多氫含氧”的特性可以在不同程度上優(yōu)化發(fā)動機燃燒，但生產(chǎn)成本、腐蝕性、燃燒特性控制等問題還待進一步解決。作為“零碳燃料”的氫和氨被內燃機行業(yè)寄予厚望，應該盡快解決燃料制取、儲運問題、燃燒控制等難點。各種新型燃料技術并不能完全一步到位，而是應當互優(yōu)互補，通過多類型的引燃、摻燒等方式，逐步實現(xiàn)燃燒控制優(yōu)化。

綜上所述，基于傳統(tǒng)動力源的重型商用車領域，通過開放式的合作理念和多元化的技術發(fā)展，新一代高效、低碳、清潔內燃機仍將在重型商用車領域持續(xù)發(fā)揮重要作用。