双碳背景下全球氢内燃机发展现状及应用前景

陈 雷，Zurnstein Christian，唐荣彬，李 志

（1.道依茨（北京）发动机有限公司，北京 100004；
2.道依茨（上海）国际贸易有限公司，上海 200333；
3.大陆汽车电子（长春）有限公司，长春 130000）

气候变化是全人类面临的共同挑战，要实现在21世纪末将全球温升控制在不超过工业化前1.5 ℃的目标，全球需要大幅减少CO2排放。2020年，我国能源系统CO2排放约为113 亿t（含工业过程排放），约占全球碳排放量的1/3[1]。随着碳达峰碳中和（简称双碳）目标的提出，2050年以前，我国在碳减排领域将面临前所未有的挑战。为实现可持续发展，我国大力发展太阳能、风能等绿色能源，但其具有随机性及波动性，在时间和空间上无法与社会用能需求匹配。氢气有极高的能量密度，而且具备可再生、清洁无污染的特质，不仅可以替代化石能源，还可作为长期储能介质，弥补太阳能、风能等绿色能源的劣势，被视为未来重要的能量载体。氢内燃机（HICE）作为重要的氢能应用设备，不仅继承燃油内燃机的优点，还有助于解决CO2及污染物排放问题，具备产业化、规模化推广条件。

氢气具有热值高、火焰传播速度快、扩散系数高、燃烧范围广等优点，非常适合作为内燃机的燃料。作为内燃机燃料，氢气具有多个优点：燃烧浓度范围大，容易实现稀薄燃烧，减少氮氧化物（NOx）排放，提高热效率；
火焰传播速度快，可使燃烧更类似定容过程，燃烧效率高；
自燃温度和辛烷值较高，可使HICE 实现较高的压缩比来提高热效率；
点火能量低，使HICE 具备良好的启动性能；
在空气中的扩散速度快，更容易形成均质混合气；
有害排放物少，若不考虑滑油燃烧，尾气不含CO2、CO、颗粒物等污染物，NOx排放水平较低。

HICE 与氢燃料电池作为重要的氢能动力设备，得到各国相关领域关注。氢燃料电池以其效率高、零排放、零噪声等优点被认为是未来理想的动力设备，但成本高、寿命低、响应速度慢等缺点使其难以在短期内实现大规模应用。与氢燃料电池相比，HICE 也可实现零碳排放，还具有多个优势：一是制造成本更低，仅比燃油内燃机高15%左右[2]；
二是寿命更长，与燃油内燃机相当；
三是具有完整的零部件供应、产品组装与售后服务体系，不影响基于燃油内燃机的动力系统结构；
四是可燃烧粗氢，降低氢气制备端成本；
五是功率范围广，可覆盖1～10 000 kW 使用需求。

HICE 的研发已有几十年历史。早在20世纪70年代，美国福特、德国奔驰、德国宝马等企业先后展开HICE 的研发，随后日本马自达、中国长安等也先后投入研发。随着研究的深入，回火、早燃、爆燃、动力不足等问题相继出现，而且当时车载储氢技术、氢气基础设施不完善，德国宝马等公司先后暂停研发工作。近年来，随着材料、化工、机械加工等领域的技术进步及氢气基础设施的逐步完善，全球内燃机企业及科研机构纷纷重启相关研发，并加大投入，密集发布基于燃油内燃机平台的HICE。全球HICE 相关研发及产品情况如表1所示。

表1 全球内燃机企业HICE 研发进展

3.1 从进气道喷射到缸内直喷

HICE 属于点燃式发动机，可分为两种类型，即进气道喷射和缸内直喷。进气道喷射是将氢气喷射到每个进气口的进气歧管中，喷射时刻在排气冲程末段或进气冲程初段，喷射压力为0.5～3.0 MPa，容易形成均匀混合气，技术成熟，成本低，喷嘴工作环境较好，但有一定回火风险，升功率较低。缸内直喷是在进气阀关闭后氢气通过高压喷嘴直接喷入缸内，无回火现象，而且可提升混合气能量密度，提高热效率，但具有较高的喷射压力[3]，对喷嘴的耐磨性和密封性要求高，降低车载储氢效率。现阶段，由于缸内直喷喷嘴处于研发阶段，多数内燃机厂商采用进气道多点喷射方式加快产品示范应用，积极参与缸内低压直喷的研发，逐步提高HICE 的升功率及热效率。

3.2 废气再循环+稀薄燃烧降低NOx 原始排放

氢气燃烧范围广，因此更容易实现稀薄燃烧，有效减少NOx排放。从图1 可以看出，当空燃比介于1.5～2.0 时，燃烧过程最高温度随空燃比增大而降低，从而使NOx排放大幅度下降，同时可减小壁面损失，提高燃烧效率；
高过量空气系数使混合气中氮气和氧气占比较高，也可有效降低混合气的爆燃敏感度。

图1 氢内燃机运行时混合气的NOx 和O2 浓度及燃烧温度

然而，仅采用稀薄燃烧技术无法满足NOx排放限值要求，且较大的过量空气系数给增压器选择带来困难，采用废气再循环（EGR）技术是一种有效的方法。EGR 技术可降低燃烧温度和速度，使最大爆发压力出现的相位角和放热反应始点后移，减少原始NOx排放，降低爆燃敏感性。研究显示[4]，废气再循环率为15%时，NOx排放可大幅降低，并且不会对发动机的稳定运行产生影响。采用EGR 技术，也可有效降低发动机的过量空气系数，其他条件不变时，废气再循环率增加5%，空燃比降低0.15～0.20，当废气再循环率为15%时，空燃比比不使用EGR 技术时低0.5[5]。

3.3 更高效的废气涡轮增压策略

氢气火焰传播速度快，可产生较为理想的等容过程，提高整机热效率，减小废气中的能量。研究显示，由于氢气在缸内的快速燃烧，废气中的能量会降低25%，若混合气进一步稀释，在空燃比为1.6 的情况下能量会降低40%。较低的排气能量和较大的进气需求给增压过程带来挑战。HICE 有多种燃烧增压方式，如电动增压、双涡轮增压、调节式增压和变涡轮截面（VTG）增压等，经对比，VTG 增压系统结构简单，在全部转速范围内均可实现升功率段的有效提高，而且HICE 废气温度较低，废气排放量少，可显著提升VTG 增压器的稳定性和寿命。

目前，我国化石能源制氢成本为6～16 元/kg，电解水制氢（采用谷电）成本为18～20 元/kg，氢能在经济上仍无法与化石能源竞争。此外，氢气容易导致存储材料氢脆，密度小导致储运效率低，易燃易爆导致储运过程受限，诸多问题也是制约HICE 快速发展的重要因素。氢气的特殊性质要求部分HICE 零部件具备更高的性能。例如，氢气喷嘴需要更高的体积流量，同时耐磨性、耐腐蚀性、密封性需要特殊考虑；
涡轮增压器需要应对更低的废气热量和更高的进气需求带来的挑战；
后处理系统需要考虑未燃氢及后处理过程二次生成的NH3排放等。

产品研发测试结果显示，采用稀薄燃烧、废气再循环、VTG 增压、进气道多点喷射等先进技术的HICE 热效率与燃油内燃机相当，同时原始排放可得到有效降低。目前，部分HICE 产品已完成初步开发，实现量产。后续开发目标是将HICE 集成到发电机组、工程机械及车辆上进行进一步验证。与此同时，氢气价格高，储运困难，缸内直喷喷嘴性能及耐久性差，法规与标准不完善等问题还需要进一步解决，以加速HICE 在商用车、工程机械、农用机械、轨道交通、发电等领域的产业化与规模化推广。

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