張少華 陳 剛 姚哲皓

(東風(fēng)商用車(chē)有限公司，十堰 442001)

0 前言

為了應(yīng)對(duì)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(chē)行業(yè)正加速向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。

2022年6月29日，歐 盟 批 準(zhǔn) 了2035年禁售燃油車(chē)的計(jì)劃。歐盟27國(guó)環(huán)境部長(zhǎng)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(chē)。

盡管27個(gè)歐盟國(guó)家達(dá)成一致批準(zhǔn)2035年停售燃油車(chē)計(jì)劃，但其接受了德國(guó)政府的例外請(qǐng)求，即允許銷(xiāo)售“二氧化碳中和”燃料的零碳排放內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。此外，歐盟將在2026年評(píng)估是否給使用合成燃料(e-fuel)的汽車(chē)或油電混合動(dòng)力車(chē)“開(kāi)綠燈”。歐盟禁售燃油車(chē)決定，或?qū)⒓铀貰EV、FCEV、零碳排放內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。

零碳排放內(nèi)燃機(jī)作為脫碳方案，正成為BEV、FCEV之外的達(dá)成汽車(chē)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(jī)新的生命力

已經(jīng)誕生了一個(gè)多世紀(jì)的內(nèi)燃機(jī)，長(zhǎng)期以來(lái)，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(jī)正面臨著被淘汰的危險(xiǎn)。內(nèi)燃機(jī)只有另辟蹊徑，改用清潔燃料，才能煥然新生。如果內(nèi)燃機(jī)改用氫氣，其燃燒產(chǎn)物幾乎只有水，不產(chǎn)生二氧化碳，實(shí)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(jī)，氫內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)人員面臨著一些新情況。比如，氫內(nèi)燃機(jī)氣缸中的混合氣體，很容易因溫度過(guò)高而提前點(diǎn)燃，甚至在進(jìn)氣門(mén)還沒(méi)關(guān)閉之前就被點(diǎn)燃，導(dǎo)致出現(xiàn)回火、爆燃；由于氫內(nèi)燃機(jī)的溫度更高，NO的排放比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更加突出等。

不過(guò)，通過(guò)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(jìn)的廢氣再循環(huán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的新突破，較好地應(yīng)對(duì)了氫氣點(diǎn)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(guò)熱，幾乎完美解決了氫內(nèi)燃機(jī)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(duì)氫氣品質(zhì)要求較高，氫內(nèi)燃機(jī)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(duì)外依賴(lài)度。而且，氫內(nèi)燃機(jī)可采用更高壓縮比，實(shí)現(xiàn)高循環(huán)熱效率，達(dá)到良好的燃料經(jīng)濟(jì)性。

氫內(nèi)燃機(jī)還可利用原有的強(qiáng)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(shì)，既能縮短相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，又能加快其商業(yè)化進(jìn)程。

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

2 廠家競(jìng)相研發(fā)零碳排放內(nèi)燃機(jī)

氫內(nèi)燃機(jī)，堪稱(chēng)企業(yè)研發(fā)零碳排放內(nèi)燃機(jī)的最佳代表作之一，作為氫能動(dòng)力解決方案的一個(gè)良好補(bǔ)充手段，愈來(lái)愈受到國(guó)內(nèi)外汽車(chē)行業(yè)的重視。由于氫內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)，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(lái)的電動(dòng)化戰(zhàn)略中表示，除了開(kāi)發(fā)和制造電池驅(qū)動(dòng)的商用車(chē)外，還將優(yōu)先考慮氫能動(dòng)力，除氫燃料電池之外還包括氫內(nèi)燃機(jī)。

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(kāi)發(fā)基于HPDI技術(shù)的氫內(nèi)燃機(jī)，直接用氫氣替代柴油。與此同時(shí)，達(dá)夫宣布在新一代車(chē)型基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)氫內(nèi)燃機(jī)卡車(chē)，并展示了達(dá)夫XF樣車(chē)，搭載佩卡 MX-13發(fā)動(dòng)機(jī)改裝的氫內(nèi)燃機(jī)。道依茨則透露，其TCG 7.8 H氫內(nèi)燃機(jī)(非道路，200 kW)已經(jīng)通過(guò)了初步測(cè)試，預(yù)計(jì)2024年上市。

2021年7月13日，康明斯宣布已開(kāi)始?xì)鋬?nèi)燃機(jī)開(kāi)發(fā)的前瞻測(cè)試，旨在進(jìn)一步探索先進(jìn)零碳技術(shù)發(fā)展的新路徑。9月23日，康明斯公司宣布，開(kāi)始開(kāi)發(fā)中型6.7 L和重型15 L氫內(nèi)燃機(jī)。2022年5月9日，在加利福尼亞舉辦的ACT Expo展會(huì)上，康明斯展示了其最新的15 L氫內(nèi)燃機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)基于康明斯最新的適用于多種燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)，該平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(lèi)型，采用不同的零部件組合。作為康明斯推進(jìn)零碳目標(biāo)戰(zhàn)略的重要組成部分，該發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)聯(lián)盟，氫能發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)盟于2022年1月成立，成員包括康明斯、博世、戴姆勒卡車(chē)和卡爾斯魯厄理工學(xué)院等汽車(chē)公司、行業(yè)供應(yīng)商和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。

2022年7月8日，日 本 豐 田 汽車(chē)、日野汽車(chē)、五十鈴汽車(chē)、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(chēng)，已經(jīng)啟動(dòng)了有關(guān)大型商用汽車(chē)的氫內(nèi)燃機(jī)企劃項(xiàng)目及基礎(chǔ)研究。

近段時(shí)間以來(lái)，中國(guó)企業(yè)在零碳排放內(nèi)燃機(jī)方面的諸多研發(fā)成果，也閃亮登場(chǎng)。2021年12月21日，玉柴YCK05氫內(nèi)燃機(jī)在北京理工大學(xué)成功點(diǎn)火。采用高壓多點(diǎn)進(jìn)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(xiàng)先進(jìn)的專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)，并對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)、燃燒和配氣等子系統(tǒng)進(jìn)行了全面優(yōu)化升級(jí)，攻克了氫內(nèi)燃機(jī)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(chǎng)景。

2022年6月8日，由一汽解放自主設(shè)計(jì)研發(fā)的國(guó)內(nèi)首款重型商用車(chē)缸內(nèi)直噴氫內(nèi)燃機(jī)成功點(diǎn)火并穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)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(guó)重汽和濰柴動(dòng)力聯(lián)合發(fā)布全國(guó)首臺(tái)商業(yè)化氫內(nèi)燃機(jī)重卡，該車(chē)搭載濰柴動(dòng)力自主開(kāi)發(fā)的13 L氫內(nèi)燃機(jī)，實(shí)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(jī)在廣西玉林成功點(diǎn)火，采用先進(jìn)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(shí)現(xiàn)均質(zhì)燃燒或者分層燃燒。對(duì)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(dòng)力汽車(chē)科技股份有限公司首臺(tái)直噴式氫內(nèi)燃機(jī)在試驗(yàn)認(rèn)證部試驗(yàn)基地點(diǎn)火成功。該款直噴式氫內(nèi)燃機(jī)排量12.8 L，設(shè)計(jì)最大馬力480 PS，采用缸內(nèi)氫氣直噴技術(shù)，熱效率高達(dá)44%。

毫無(wú)疑問(wèn)，世界各地如火如荼的氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)，勢(shì)必將為相關(guān)車(chē)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(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

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

但是，在這一空前變革的過(guò)程中，內(nèi)燃機(jī)并不是夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)、明日黃花，而依然具有強(qiáng)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(dá)成汽車(chē)行業(yè)脫碳。

在國(guó)內(nèi)外車(chē)企競(jìng)相研發(fā)和發(fā)布零碳排放內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的背景下，氫氣等碳中和燃料內(nèi)燃機(jī)車(chē)型的規(guī)劃、試驗(yàn)和投產(chǎn)、應(yīng)用，無(wú)疑將加快。隨著各大企業(yè)零碳排放內(nèi)燃機(jī)的成功點(diǎn)火和研發(fā)投放，一個(gè)嶄新的內(nèi)燃機(jī)時(shí)代必將到來(lái)。有理由相信，未來(lái)，高效、清潔、零碳的內(nèi)燃機(jī)也將在我國(guó)交通運(yùn)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(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)、保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展方面開(kāi)啟新的篇章。