碳中和背景下内燃机低碳和零碳技术路径及关键技术

帅石金，王 志，马 骁，徐宏明，何 鑫，王建昕

（1. 汽车安全与节能国家重点实验室，清华大学，北京 100084，中国；2. 英国伯明翰大学 车辆和发动机研究中心，伯明翰B15 2TT，英国；3. 沙特阿美美洲公司，密歇根州 诺维市 48377，美国）

大量研究表明[1]，全球气候变暖与人类活动排放的CO2等温室气体密切相关，尤其是第一次工业化革命以来，大气中CO2浓度急剧升高，目前超过400 ppm(1 ppm = 10-6)，为工业化前CO2浓度的145%，造成极端天气频发，危害人类生存。为此，世界各国于1992年、1997年和2015年分别同意签署《联合国气候变化框架公约》《京都议定书》和《巴黎协定》, 以限制温室气体的排放量。《巴黎协定》的长期目标是在本世纪末将全球平均气温较工业化前上升幅度控制在2 ℃以内，并努力限制在1.5 ℃以内。2020年全球平均气温比工业化前上升了大约1.2 ℃，上升速度远超预期。平均气温上升会给人类带来全球变暖、地球上的病虫害增加、海平面上升和土地沙漠化等危害。目前，已经有140多个国家和地区承诺在2050年前后实现碳中和。在英国格拉斯哥2021年10—11月召开的气候变化大会（COP26）期间，197个国家签署《格拉斯哥气候公约》，对燃煤使用、减少碳排放和资助贫困国家等相关条款达成共识。

碳中和（carbon neutrality）是人类为了自身长久生存和可持续发展达成的最大共识，是人类由工业文明向生态文明发展的必然选择。碳中和的本质是一场能源革命，是可再生能源革化石能源的命，会带来能源相关上下游产业链的调整与重组，相关产业挑战和机遇并存。中国是“富煤、缺油、少气”的国家，但太阳能、风能、水能、生物质能等资源并不匮乏。截至2020年底，中国可再生能源发电装机总规模达到9.3亿kW，占总装机的42.4%，其中水电3.7亿kW、风电2.8亿kW、光伏发电2.5亿kW、生物质发电2 952万kW，分别连续16年、11年、6年和3年稳居全球首位[2]。2020年，中国可再生能源发电量达到2.2万亿kWh，占全社会用电量的比重达到29.5%，支撑中国非化石能源占一次能源消费比重达15.9%，如期实现2020年非化石能源消费占比达到15%的承诺[2]。因此，碳中和能源革命，从宏观层面看，对中国更意味着一次重大的发展机遇。

内燃机是当今世界上道路交通、非道路移动机械和国防装备的主要动力。2017年中国各种内燃机动力装置消耗商品燃油2.7亿t，其中包括汽油7 738万t、柴油16 717万t，还有润滑油、燃料油，占中国石油消费总量的64%[3]。图1给出了2016—2020年中国内燃机产业构成及销量变化情况，从图中可以看出，2020年中国内燃机产量达到8 147万台，总功率突破27亿kW，车用内燃机、摩托车用汽油机和通用小型汽油机的销量分别占内燃机总销量的20%、30%和42%。内燃机支撑着中国10大新兴产业中的航空航天装备、先进轨道交通装备、海洋工程装备及高技术船舶、高档数控机床和机器人、节能与新能源汽车、农业机械装备等6个发展领域。随着能源的低碳化和零碳化以及动力装置的电动化和智能化发展，内燃机面临纯电动力和燃料电池动力的激烈竞争，全球也不时有“禁燃”的声音，如何在碳中和及电动化的大背景下，寻找内燃机的可持续发展之路，是摆在内燃机和相关行业面前的一道必答题。

本文在分析欧、美、日、中等主要国家和地区的碳中和目标及实现路径的基础上，提出内燃机近中期实现低碳和中远期实现零碳的技术路线，对内燃机使用生物质燃料、绿氢、绿氨、绿电合成液体燃料（e-fuel）等碳中和燃料需要解决的关键技术进行解析，对内燃机实现碳中和的可行性进行分析，旨在为内燃机实现未来可持续发展探索可行的发展路径。

1 全球主要地区和国家碳中和目标及技术路线

1.1 欧洲

欧洲主要国家和地区的科技基础好、实力强，欧盟一直是碳中和的积极推动者，将温室气体分为二类。一类是欧盟碳排放交易系统（Emissions Trading System, ETS）[4]的碳排放，主要交易能源、工业和航空行业产生的碳排放，不严格区分国别，对各个成员国内的对应产业都实行一致性的管理措施，这类碳排放约占欧盟总碳排放量的40%。另一类是交通、建筑和农业等不在ETS中流通的碳排放，仅对各成员国的碳排放量设定总量约束，对各国的具体管理手段和具体行业的减排规划不施加硬性约束，这类碳排放约占欧盟总碳排放量的60%。

2018年欧盟委员会宣布2030年乘用车的平均每km CO2排放量不得高于95 g，而轻型商用车不得高于147 g。对于无法达标的新车产品，每km超出排放限额1 g的CO2排放量制造商需要支付罚款95 欧元。这个规定从2020年开始部分执行，自2021年起，油耗和排放测试方法从新欧洲驾驶循环(new European diving cycle, NEDC)循环强制切换为全新的全球轻型车测试规程(world light vehicle test procedure, WLTC)方法。2021年7月，欧盟委员会通过了一系列立法提案（Fit for 55）[5]，阐明了2050 年在欧盟实现碳中和的目标，包括到 2030 年温室气体排放量净减少至少55%的中间目标（图2）[6]。 到2030年，欧盟可再生电力生产从目前32%增至65%或更多的份额，除了直接使用可再生能源和电气化之外，在一些碳密集型工业过程中，还将使用绿氢替代化石燃料。

欧盟交通部门2015年统计的可再生能源份额仅为6%，到2030年欧盟计划通过进一步开发和部署电动汽车、先进生物燃料以及其他可再生和低碳燃料，将可再生能源比例提高到24% 左右。继续推进发动机效率提高、采用多元燃料，更多地使用可持续交通方式和多模式智能交通方案。此外，新的可持续交通服务以及更多地使用现有的城市公交和铁路服务可以减少排放、拥堵和污染，同时提高道路尤其是在城市地区的交通安全。

在航空领域，欧盟委员会近期发布了期待已久的ReFuelEU Aviation提案[7]，确认强制要求燃料供应商将可持续航空燃料 (sustainable aviation fuel，SAF) 包括在欧盟机场供应的航空燃料中，从2025年2% 开始，到2050年逐渐增加到63%。该提案还包括从 2030 年起增加使用0.7% e-fuel煤油份额，并要求飞机运营商有义务增加使用来自欧盟机场的燃料。

在海运领域，欧盟委员会发起了一项名为FuelEU Maritime的倡议[8]，旨在增加欧洲航运和港口对可持续替代燃料的使用，推动行业内的脱碳和可持续性。根据这个新计划，停靠欧洲港口的船舶将需要采购和使用碳密集度较低的燃料。这一举措将迫使船东使用碳强度较低的燃料，引入效率信用交易系统，并对部分船舶实行泊位零排放。这些举措旨在增加这些部门发展和使用可持续替代燃料，要求必须在 2030 年之前进行必要的技术开发和部署，以便为此后更快的变化做好准备。

未来汽车氢动力被认为有望成为新的车用动力，尤其是用于重型卡车。欧盟计划投入基础设施建设，例如氢气管道、充电和加氢基础设施，以最大限度地发挥清洁能源转型的好处，并部署替代的无碳排放燃料。对于公路运输，继续采用CO2和车辆排放标准作为有效的政策工具来推进技术进步。在燃料供应商和道路定价方面将把碳排放交易应用于道路运输，包括大幅减少化石燃料消耗。欧盟委员会将重新审视并加强 2030 年后汽车和货车的CO2排放标准[9]。

不难看出，欧洲推动碳中和走在世界的前列，是全球碳中和的引领者[10]。Fit for55法案提出的碳排放新目标将快速推动欧洲汽车电气化进程。要求2030年所有登记注册的新车碳排放总量较 2021年降低55%，要求2035 年降低100%，即2035 年后欧洲所有在售车型将全部实现零碳排放。但到目前为止，欧洲上市的电动汽车产品未能达到超过内燃动力车所能提供的性能，而是仅仅提供和满足了最低碳排放法规监管要求。目前CO2排放量较高的车型被允许继续销售，制造商通过用碳排放较低的汽车产品进行对冲。对各个车企来说，碳排放值并没有统一的数额，每个汽车制造商可以设定一个基于该车企每年所销售车辆的平均重量而核算出来本公司的个体目标值，从而可以依靠销售绿色环保的零排放以及超低排放的车型来最大限度地抵消其他车型的碳排放。一方面，通过对碳排放超标的企业实行高额罚款，另一方面通过购车补贴持续刺激市场对电动汽车的消费需求，鼓励各大汽车制造商加紧电动化转型，推动研发生产更多符合碳排放新规的产品。总之，随着新造车势力和电动汽车技术的快速发展，传统汽车和发动机制造业正面临严重的威胁和挑战，因此，对内燃机实现新燃料、新技术突破使其“焕发新生”成为低碳或零碳动力的要求已经迫在眉睫。

1.2 美国

美国的节能减排法规起步较早，但联邦层面受制于两党理念差异立法推进不力。在特朗普执政期间，美国退出《巴黎协定》，拜登上任后，又重新加入《巴黎协定》，并以行政命令形式明确2030年美国的碳排放比历史峰值降低约50%，到2050年实现碳中和。美国政府计划未来4年增加2万亿美元绿色投资，旨在重建老化的基础设施，推动电动汽车和清洁能源，创造就业机会。Williams等[11]的研究表明，美国可以在牺牲0.2%～1.2% GDP的情况下，通过大力推广可再生清洁电力、提高电动汽车和热泵取暖比例等措施，到2050年实现碳中和（见图3）。

美国州政府有着比联邦政府更为完善的碳中和约束，加州早在2006年通过《全球变暖解决方案法》，明确2050年的减排目标，2018年以行政命令明确2045年实现碳中和（图4）[12]。加州主要通过碳交易制度下的额度上限管理实现减排目标，该制度覆盖的碳排放量占排放总额的85%。交易体制较为完备，在整体减排进程、交易对象、不同行业配额分配以及价格调控等都有完整的管理体系。此外，美国还有多个州层面的节能减排体制。

2019年，美国交通运输领域所产生的碳排放占到了总碳排放的29%，高于其他领域。轻型车占到了交通运输总碳排放的59%，相当于总碳排放量的17%。因此，交通领域的碳减排是美国能否实现碳中和的关键。美国加州在交通领域的法规制定上，领先于联邦政府和其他各州。2020年9月，加州州长签署行政命令，将逐步停止销售新的汽油和柴油车，以减少加州对化石燃料的需求。该行政命令要求到 2035年在加州销售的所有乘用车和轻型卡车都是零排放汽车。马萨诸塞州州长于2021年初签署了类似的行政命令，2035年之后禁止销售新的汽油车。2021年8月，拜登总统签署了一项行政命令，设定2030年销售的所有新车中有50%为零排放汽车。

在交通燃料方面，美国国会于2005年制定了可再生燃料标准 (Renewable Fuel Standard, RFS)，要求使用一定量的可再生燃料替代石油基交通运输燃料、取暖油或航空燃料，以减少温室气体排放并扩大国家的可再生燃料生产，同时减少对进口石油的依赖。RFS要求到2022年将可再生燃料总量提高到 360 亿加仑 [1加仑(美) = 3.785 L] 。由于第2代生物质燃料生产成本高昂，其产量的增长速度远低于国会在十多年前的设想值，因此RFS并没有得到很好的执行。2019年，美国的可再生燃料产量仍然低于200亿加仑。鉴于RFS在执行过程中遇到的困难，美国环保署（Environmental Protection Agency, EPA）正在考虑用全国范围内的低碳燃料标准（Low Carbon Fuel Standard, LCFS）来替代RFS。

2006年，加州最早提出并执行LCFS，旨在降低加州交通燃料的碳排放强度（carbon intensity，CI），并提供越来越多的低碳可再生替代品，从而减少对石油的依赖。2018年，加州大气资源局（CARB）确定了2030年的LCFS目标：CI目标比2010年的基准值降低20%。与此同时，LCFS将通过增加积分的方式，促进零排放车辆的普及、可持续航空燃料的市场化，以及碳捕获和封存技术的应用，以实现交通部门深度脱碳技术的使用推广。除了加州外，俄勒冈州、华盛顿州和加拿大的不列颠哥伦比亚省，也制定了类似的LCFS标准，美国科罗拉多和纽约州也在尝试采纳该标准。

总体上看，由于2016—2020年特朗普政府在碳排放立场上的倒退，到目前为止，美国联邦政府并没有形成完善的碳中和政策。需要指出的是，美国总统和州长的行政命令并没有完全的强制作用，行政命令可以被其他的行政命令替代或者取消。它更类似于一种愿景，是否能够实现还需车辆技术的发展和基础设施的支持。任何行政命令也无法超越经济规律，产品是否满足消费者的需求，将最终决定行政命令是否能顺利执行。

1.3 日本

日本一直是注重节能的国家，单位GDP的能源消耗不断降低，经济快速发展的1973年为69 PJ/兆日元，到2019年时降至35 PJ/兆日元，远低于世界平均水平。2019年一次能源的构成为石油37.1%、煤炭25.3%、天然气22.4%、核电2.9%、水电3.5%、可再生能源8.8%。也就是说，近85%的一次能源为化石能源。能源消费构成为工业与商业62.7%、运输23.2%、家用14.1%[13]。

日本原计划根据《巴黎协定》要求，到2030年时比2013年降低温室气体26%，2050年时降低80%。但2020年10月在日本新首相菅义伟的就职讲演中提出了日本要在2050年“实现碳的实质性零排放”，即碳中和目标，日本朝野对此都感到突然和没有思想准备。为应对这一新的重大变化，日本经济产业省立即着手制定新的规划，于2020年12月发布了《2050年碳中和绿色发展战略》[14]。

此战略规划指出，要转变传统观念，积极应对碳中和带来的工业和经济变革，抓住这一重大发展机遇。基本思路是整个经济产业结构和社会生活用能要尽量电气化，电能要以可再生能源为主。规划中提出的日本2050年实现碳中和目标时的能源结构如图5所示，分为电力和非电力。电力能源结构为可再生能源（包括风能、太阳能、水能）为50%～60%，核电及碳捕集 （carbon capture utilization and storage, CCUS）为30%～40%，氢及氨为10%，其中第2项中的CCUS是指带有CCUS的火电，由于日本的核电未来不会占太高比例，因而火电可能不低于20%～30%。对于运输、产业和民生等以往使用非电力能源领域，首先要尽量电力化（像汽车、船舶和飞机的电动化等），电力需求要增加30%～50%；其次对难以电力化的用能，可利用绿氢、绿氨、绿电合成燃料和生物质燃料等能源；而对于不可避免要使用一定程度化石燃料产生的碳排放，用植树和直接空气碳回收贮藏（direct air carbon capture storage，DACCS）等方式弥补。规划还选定了14个优先发展的产业，与能源相关的产业有海洋风电、燃料氨、氢能和核能，与运输和制造相关的有汽车及蓄电池、船舶、飞机和碳中和[13-14]。规划还强调，在实现碳中和过程中，要继续重视和推进各行业的节能技术，保证社会经济和环境的持续稳定运行，以及政府创造良好的环境以利于民间资本积极投资参与等基本原则。

该规划中第5个优先发展的产业是汽车和蓄电池，对于汽车动力的重点是电动化和碳中和燃料化。要求最晚在2030年代中期实现新销售乘用车要全部电动车，但这里电动车并不是仅指纯电动车（battery electric vehicle，BEV），而是包含插电混动汽车（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）和非插电混动汽车（hybrid electric vehicle，HEV），因而统称为xEV[15]。对于重型车，规划中尚未提出具体技术路线，只是说将在2021年夏季前提出方案。对于碳中和燃料，重点是生物质燃料和氢燃料，氢燃料也包括由氢和捕集CO2合成制取的各种电力液体合成燃料（e-fuel），2050年e-fuel价格要降至汽油价格以下。车用蓄电池要大幅度降低成本，以使2030年电动车达到与汽油车相同的生产经济性。关于车用化石燃料是否还存在的问题，规划虽未提及，但日本低碳社会战略研究中心综合各方研究结果认为，基于高效汽油机和混合动力的汽油车加上DACCS的零碳排汽车行驶单位千米的成本约为5.7日元，与BEV的2.8日元、燃料电池汽车（fuel cell electric vehicle,FCEV）的3.7日元相比，是可接受的选择方案之一[16]。

对于氢和氨燃料，除各自作为优先发展产业外，还在汽车、船舶和飞机3个优先产业中都有涉及。规划提出要扩大氢产能，降低成本，除发电用氢外，氢还用于燃料电池汽车和氢还原炼钢，同时在船舶产业方面将液化天然气（liquefied natural gas, LNG）、氢、氨和可再生甲醇作为船舶运输零碳排放燃料，其中氢主要用于小型船舶的燃料电池和大型船的氢内燃机。关于燃料氨的应用，2030年要实现20%氨混烧发电实用化，并面向2050年不断提高发电的氨混烧比率，同时提出研制船舶用大型氨内燃机。另外，在飞机产业方面，提出要发展生物质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。

日本经济产业省在2021年7月发布了《碳循环利用技术路线》的修订版[17]，进一步明确将CO2作为一种资源来利用的观念，同时强调实现这一目标需要产学官携手和国际合作，以及各种节能技术也是碳循环利用中的关键部分，碳循环利用的技术路线如图6所示。图中设想了4类燃料：第1类液体燃料，即合成燃料，包括e-fuel和可持续航空燃料（sustainable aviation fuel，SAF）；第2类液体燃料，即微细藻类生物质燃料，包括SAF和柴油；第3类液体燃料，即藻类之外的生物质燃料，包括甲醇制汽油（methanol to gasoline，MTG）、乙醇等，在后面的技术细则中还将柴油、航油、碳酸二甲酯（dimethyl carbonate , DMC）、氧 亚 甲 基 醚（oxymethylenether,OME）也列入；第4类燃料是气体燃料，包括甲烷、丙烷和二甲醚。这4类燃料的发展规划，基本都是在2030年要确立新的制备技术，将制备过程的碳排放降至石油产品以下，并开始掺烧（与现有石油产品掺混使用），在2040后成本降至与石油产品相同或更低，制备过程的碳排放降至石油产品的一半以下。

由上可以看出，日本明确提出2050年实现碳中和目标的时间并不算早，但很快就制定了具体技术路线，是目前主要先进国家中第1个由国家统一制定并有具体技术路线和实施措施的碳中和战略规划。日本将这次能源革命看作是一次发展机遇，将碳作为一种新的资源载体。日本对未来车用能源的规划，主要是乘用车的电动化和燃料的碳中和化。作为一个汽车电动化全球领先的国家，日本并不是一味强调电动车，制定的技术路线是一个有产业和技术继承性的比较合理可行的技术路线。将碳中和的合成燃料生产成本在2050年前降至目前汽车燃料的成本以下，以及将氢和氨作为船舶等大型内燃机的碳中和燃料优先发展，这对难以电动化的重型车和船舶用内燃机给出了可行的替代技术路线，对工程机械和农用机械等其他用途内燃机也有借鉴意义。还实事求是地考虑了少量不可避免要用化石燃料的情况，采用植树碳汇和直接捕集CO2来补偿的对策。同时，强调节能技术在实现碳中和目标和过程中的重要性。

1.4 中国

2020年9月，中国在七十五届联合国大会上承诺CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”。2020年12月，中国在气候峰会上进一步宣布，到2030年，单位GDP CO2排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%，森林蓄积量将比2005年增加60亿m3，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿kW以上。对中国而言，2060年实现碳中和意味着减少化石能源依赖、缓解能源安全危机，通过采用光伏发电、风能发电以及氢能存储、氢电转化等技术提高可再生能源使用比例，是能源供给由资源依赖变为技术依赖的重要机遇。碳中和将成为推动中国经济未来40年可持续发展的重要驱动力。

与美、欧、日等发达国家或地区相比，中国面临的减碳压力更大。欧洲、美国和日本分别于1990年、2007年和2013年实现碳达峰，而中国目前仍处于工业化、城镇化进程中，一次能源消费和碳排放还处于增长阶段，从2030年碳达峰到2060年碳中和只有短短的30年，需要付出更加艰巨的努力。为了实现“双碳”目标，需要从供给侧（如能源、工业和农业等）和需求侧（如交通、建筑等）同步减碳。如在能源生产端增加清洁生产绿电和绿电解水制绿氢；在能源消费端，实现交通和工业领域的电动化和氢能化；而针对水泥、炼钢等领域难以实现完全脱碳，需结合碳捕集对冲。

图7 给出了中国基于本世纪末全球温升2.0 ℃ 和1.5 ℃目标导向的温室气体排放及构成，其中工业、电力是2大主要的碳排放行业，其次是交通和建筑行业[18]。表1给出了2020年、2030年和2050年基于2.0 ℃和1.5 ℃ 目标导向的温室气体排放量控制额度。2050年相比2020年，基于2.0 ℃ 和1.5 ℃ 目标导向的温室气体排放量将分别降低70%和90%[18]。

表1 中国不同时间温室气体排放量， e[CO2] / 亿t

2020年10月，中国汽车工程学会发布《中国节能与新能源汽车路线图2.0》[19]，进一步确认了全球汽车技术“低碳化、信息化、智能化”发展方向，提出了面向2035年中国汽车产业发展目标，包括中国汽车产业碳排放将于2028年前后先于国家碳减排承诺提前达峰，至2035年碳排放总量较峰值下降20%以上，形成自主、完整的产业链；自主品牌纯电动（BEV）和插电混动汽车（PHEV）产品技术水平和国际同步，新能源汽车占汽车总销量的50%以上，其中BEV占新能源汽车的95%（见图8）。

综上所述，作为全球第1大碳排放国的中国，2020年承诺“双碳”目标，对全球温室气体排放控制是一剂强心剂，增加了全球实现《巴黎协议》目标的信心和决心。中国实现“双碳”的挑战主要来自工业和电力2大领域，两者碳排放占比超过70%，而交通领域的碳排放占比（约10%）远低于全球平均交通碳排放占比（超过20%），加上中国汽车产业较早启动电动化和智能化技术应用，因此中国交通领域实现“双碳”目标压力相对不大，预计可以在2028年和2050年前后分别实现碳达峰和碳中和。

2 内燃机低碳和零碳技术路径分析

内燃机燃料的低碳化和零碳化是一个较为漫长的过程，中国内燃机量大面广，近中期主要采用低碳技术，即通过燃料低碳化和燃烧高效化尽早实现碳达峰；中远期主要开发全生命周期零碳（即碳中和）燃料发动机的节能减排技术，并在不同场景进行推广应用。

2.1 内燃机低碳技术分析

2.1.1 燃料低碳化

燃料低碳化是指内燃机采用低碳燃料替代高碳燃料，如重型卡车采用低碳的压缩或液化天然气（compressed natural gas / liquefied natural gas, CNG/LNG）发动机或汽油压燃（gasoline compression ignition，GCI）发动机替代高碳的柴油机，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，从源头上降低内燃机的碳排放。

研究汽、柴油的低碳替代燃料需要从全生命周期了解燃料生产和使用过程各环节碳排放，从每一个环节尽力降低碳排放。图9是美国阿贡国家实验室采用GREET模型测算的基于全生命周期不同碳氢燃料温室气体排放强度[21]。汽、柴油的碳排放强度分别为92.8 g/MJ和91.1 g/MJ。在汽油中掺入以玉米秸秆为原材料的第2代生物乙醇，E85的碳排放强度可以降至29.6 g/MJ。由天然气制取的甲醇碳排放强度比传统汽柴油略高。可再生能源获得的绿电甲醇的碳排放强度可以低至1.8 g/MJ。由于制取的原材料不同，生物柴油的碳排放强度在16.3～32.6 g/MJ之间。生物质制取的二甲醚（DME），其碳排放强度低至4.9 g/MJ。通过可再生电力制氢、CO2捕捉、Fischer-Tropsch合成的绿电合成燃料（e-fuel）的碳排放强度仅为0.6 g/MJ。

此外，石油开采和汽、柴油炼制过程中也存在很大的减排空间。最新研究表明，全球的平均原油开采的碳排放强度(CO2eq)约为10.3 g /MJ[22]。通过回收原油开采过程中产生的伴生气，并严格管控其他废气的燃烧和排放，可以将原油开采过程中的碳排放强度(CO2eq)降低到5.8 g /MJ。以目前世界原油开采量计算，这能大约每年减少CO2排放10亿t，约为目前全球CO2排放总量的2.8%。原油炼制过程也伴随着CO2的排放，目前中国汽、柴油炼制过程的碳排放强度平均分别约为11.7 g/MJ和8.7 g/MJ。

2.1.2 燃烧高效化

燃烧高效化是指通过组织内燃机的油气混合和燃烧过程来提高燃烧效率和循环热效率。提高燃烧效率需要保证燃料与氧气充分接触，把燃料的化学能[低热值(low heat value, LHV） ]尽可能全部转化为热能，目前内燃机的燃烧效率在正常运行工况下已接近100%，提升空间不大。提高热效率主要是通过提高压缩比、工质绝热指数和燃烧等容度以及减少泵气损失等来实现。

柴油机由于采用稀燃、压燃和质调节模式，压缩比（15～17）和工质绝热指数较高，泵气损失较小，因此具有较高的热效率。目前车用量产柴油机通过采用高增压、高喷射压力、高EGR等技术，其峰值有效热效率接近50%，通过采用隔热、涡轮复合增压、余热回收、超低摩损和电气化、智能化等技术，正在朝55%～60%的峰值有效热效率迈进。

目前车用汽油机由于采用化学计量比混合气点燃和量调节模式，受爆震（knock）限制，压缩比处于10～13范围，部分负荷泵气损失较大，因此其热效率较柴油机热效率低（目前量产汽油机有效热效率为36%～41%）。显然，车用汽油机还有较大的热效率提升空间，尤其是混动专用汽油机，由于有电机助力，混合动力对汽油机的动力性要求降低，因此混动专用汽油机可以采用高压缩比（15左右，可匹配高辛烷值汽油RON ≥ 98）、超膨胀比循环（如Atkinson循环或Miller循环）、高冷却废气再循环系统(exhaust gas recirculation, EGR) 、低温燃烧、长冲程等节能技术提升热效率（图10），目前比亚迪、广汽、吉利、东风等企业都开发出了峰值有效热效率超过41%的混动专用汽油机，正在朝45%峰值有效热效率目标迈进。

车用汽油机在提升热效率的同时受排放法规的限制，经历过早期的化油器理想混合气模式（本质是通过稀燃实现节能），到2000年国1排放法规的实施，通过采用进气道电控喷射（PFI）技术实现化学计量比混合燃烧，通过采用三效催化剂（three-way catalyst，TWC）后处理系统满足不断加严的排放法规，再到采用缸内直喷（gasoline direct injection，GDI）技术实现高压缩比、化学计量比混合气燃烧，在保证TWC和汽油机颗粒过滤器（gasoline particulate filter, GPF）降低排放的同时，可以提升GDI汽油机热效率。未来汽油机实现45%以上的有效热效率，需要采用稀燃技术；实现50%以上有效热效率，则需要采用稀燃加压燃（gasoline compression ignition, GCI）技术[24]（图11）。汽油机稀燃后处理技术是成熟的，可以采用类似柴油机的后处理技术路线，即TWC + LNT（lean NOxtrap） / SCR（selective catalytic reduction） + GPF + CUC（clean-up catalyst），为了解决未来日趋严格的低温冷起动排放要求，可能还需要增加电加热催化器（electrically heated catalyst, EHC）或碳氢捕集器 （hydrocarbon trap，HCT）（图12）[25]，后处理成本会有所增加。

2.2 内燃机零碳燃料技术分析

内燃机零碳技术的本质是燃烧碳中和燃料实现全生命周期的零碳排放。碳中和燃料有3种主要的来源（见图13）：1） 直接光合作用得到的生物质燃料（含有C、H和O组分），如乙醇、生物柴油等；2） 通过绿电（太阳能、风能、水能等可再生能源发电）电解水得到绿氢（H2），绿氢还可以与氮气（N2）合成得到绿氨（NH3），绿氨可以看成是绿氢的能源载体；3） 采用绿氢与直接空气碳捕集（direct air capture，DAC）获得的CO2合成得到各种电力合成液体燃料（e-fuel），如合成甲醇、合成汽油、合成煤油和合成柴油等。下面对这3种零碳燃料的制备技术和应用效果进行简单介绍。

2.2.1 生物质燃料制备及应用

目前，全球应用最广泛的生物质燃料是乙醇和生物柴油，目前国际上乙醇约1亿t的年产量，生物柴油约5 000万t。生物质燃料产业正处于从1代（以粮食和甘蔗为原料）和1.5代（以木薯、甜高粱等非粮作物和木本油料植物为原料）为主，向2代（以农林废弃物和木质纤维素为原料）乃至3代（含油微藻为原料生产的加氢柴油等）升级转换时期[26]。生物乙醇可以用含淀粉（玉米、小麦、薯类等）、纤维素（秸秆、林木等）或糖质（甘蔗、糖蜜等）等原料经发酵蒸馏制成。生物柴油是一种长链脂肪酸的单烷基酯，是由植物油（如菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等）、动物油（如鱼油、猪油、牛油、羊油等）、废弃油脂或微生物藻类等与甲醇或乙醇经酯转化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。生物柴油的制备方法主要有催化合成法、生物酶法、工程微藻法和超临界法[27]，其中催化合成法是量产成熟度最高的生物柴油制备方法。生物燃料具有碳中性，也可成为负碳排放（比如甘蔗汁制作乙醇，甘蔗渣融入土壤形成碳汇）。根据国家能源局2012年发布的《交通用生物燃料技术路线图》 报告，到2050年，全球27%交通燃料将采用生物质燃料，同时带来21亿t的CO2减排量[28]。

国内外学者针对生物质燃料在内燃机上的应用及从矿井到车轮（well to wheel, WTW）的全生命周期减排潜力开展了大量研究。乙醇辛烷值高，含氧量高达35%，但粘度低、汽化潜热高；生物柴油十六烷值高，含氧量约10%，粘度高，但凝点低。由于单一燃料理化特性的差异，会影响发动机启动性、润滑性和雾化质量。通过调制“鸡尾酒”的方法将醇类和酯类燃料融合，可以得到理化特性优于汽柴油的常温液体燃料。王建昕等[29]研究对比了不同生物质混合燃料的燃烧和排放特性，获得了新型燃料配方，发现采用生物柴油作为乙醇和柴油的助溶剂可有效降低碳烟排放[30]，采用生物柴油-戊醇-柴油的混合燃料也获得了高效低排放效果[31]。WANG Yu等[32]采用GREET模型对来自玉米芯的燃料乙醇全生命周期分析表明，与汽油相比，燃料乙醇最低可以减少20%的CO2排放。罗祎青等[33]应用全生命周期分析方法分析了微藻生物柴油整个生产过程的碳平衡，发现生物柴油整个生产加工过程中固定的CO2量大于产生的CO2量。

综上，全球有较为丰富的生物质资源，利用不同生物质燃料的特异性互补进行主动燃料调质设计，可以大幅度降低碳烟和CO2排放，在实现碳中和目标中可发挥重要作用。

2.2.2 氢燃料理化特性及制备

1） 氢的理化特性。氢在常温常压下是一种极易燃烧的气体，无色透明、无臭无味且难溶于水，在-253 ℃时变成无色液体，-259 ℃时变为雪花状固体。氢气是世界上已知密度最小的气体，只有空气的1/14。氢气是相对分子质量最小的物质，还原性较强，常作为还原剂参与化学反应。氢气渗透性很强，常温下就可透过橡皮和乳胶管，而在高温、高压下可透过钯、镍、钢等金属薄膜。当钢暴露于一定温度和压力的氢气中时，渗透于钢晶格中的原子氢在缓慢的变形中引起脆化作用，给氢气的储存和运输带来较大困难。氢气具有可燃性，在点燃或加热的条件下，容易与多种物质发生化学反应。氢气在空气中发生燃烧的浓度范围为4%～75%，在氧气中燃烧浓度范围4%～94%，低于或超过这个浓度，即使在高压下也不会燃烧或爆炸，氢气的燃点为400 ℃。氢的理化特性见表2所示[34]。

2） 绿氢燃料制备技术。根据氢气的生产方式不同，氢气被分为多种类型。目前约95%的氢气是通过一种称为蒸汽—甲烷重整的过程从天然气中产生的，是成本最低的制氢方式，但会产生大量的碳排放，以这种方式生产的氢气被认为是 “灰氢”。当这些碳排放被捕获并储存或再利用时，这种方式生产的氢气被称为 “蓝氢” 。而“绿氢”是利用可再生能源，如风电能、光伏电能、水电能或地热电能等，通过电解水生产获得，没有碳排放（见图14）。

目前有3种水电解制氢的方法：碱性水电解制氢（alkaline water electrolysis , AEL）、质子交换膜水电解制氢（proton exchange membrane electrolysis , PEMEL）和固体氧化物水电解制氢(solid oxide electrolysis cell,SOEC)，如表3所示。其中，AEL技术最为成熟，生产成本较低，国内单台最大产氢量为1 000 m3/h；PEMEL流程简单，能效较高，国内单台最大产氢量为50 m3/h，但因使用贵金属电催化剂等材料，成本偏高；SOEC采用水蒸气电解，高温环境下工作，能效最高，但尚处于实验室研发阶段。

表3 3种水电解制氢的方法对比[36]

2.2.3 氨燃料理化特性及制备

1） 氨的理化特性。氨气（NH3）是无色气体，有刺激气味，分子量17.03，相对密度0.771 4 g/L，熔点-77.7 ℃，沸点-33.35 ℃，自燃点 651.11 ℃，蒸气压1.013 08 MPa (25.7 ℃) （见表4）。氨是氢能的良好载体，氨的运输存储较氢更容易。氨气在298.15 K、0.9 MPa条件下可完全液化，且液氨密度 （602 kg/m3）远大于液氢（71 kg/m3），液氨的含氢密度（106.4 kg/ m3）和体积低热值 （11.213 GJ/ m3）也都超过液氢（70.8 kg/ m3、9.168 GJ/ m3）[37]，使得液氨罐 （1 MPa） 体积能量密度达到液氢罐 （70 MPa）的2.5倍[38]。此外，在182天存储期，氨气的存储费用（以每千克H2计）仅为0.54 USD，氢气存储费用高达14.95 USD / kg[35]，氨气单位能量价格（氨为13.3 USD/GJ，氢气为35.2 USD/GJ，汽油为29.1 USD/ GJ）[39]更低，使得氨气经济竞争力更强，因此氨气被认为是极具前景的碳中和燃料。目前全球氨气年产量超过2亿t[40]，氢气全球年产量约0.7亿t[41]。氨气产业链与基础设施均已成熟，因此氨气作为碳中和燃料具有大规模推广应用的基础。

表4 氨与氢、汽油、柴油等燃料理化特性对比

2） 绿氨燃料的制备。工业制氨绝大部分是在高温（573～873 K）、高压（10～35 MPa)和催化剂（铁系，活性组分为单质铁）条件下，由氮气和氢气按Haber-Bosch工艺合成制得。氮气主要来源于空气；制取绿氨的氢气主要来源于水的电解，即绿氢（见图14）。

2.2.4 电力合成液体燃料（e-fuel）制备及应用

e-fuel是指将水电解生成的H2与直接从空气捕集(DAC)的CO2，通过催化反应得到的甲醇、汽油和柴油等合成液体燃料。e-fuel可以继续使用现有的汽油和柴油加油站等基础设施，以及最大限度的保留同内燃机相关的产业供应链，无需布局新的充电站和加氢站就可以实现碳中和。e-fuel涉及的产业链（图15）包括可再生发电、制氢、碳捕集、合成燃料制备、内燃机使用等，此外还包括电力、氢气、CO2、燃料的存储与运输等。

目前全球范围并没有企业实现大规模的e-fuel生产，因此针对e-fuel的生产成本和价格评估主要是基于现有文献数据进行预测。考虑到技术的不确定性，e-fuel生产各环节成本预测波动较大，但总体上目前e-fuel的价格是市售燃料的数倍甚至数十倍，其中电解制H2价格主导e-fuel成本，而燃料形式（氢气、甲醇、二甲醚/DME、汽油、柴油）对成本影响较小[42]（图16）。未来绿氢制造的大规模推广，以及碳税等政策的制定，有可能大幅降低e-fuel价格，使其具有市场竞争优势。其中甲醇、二甲醚/DME和甲醇制汽油/MTG的价格相差不大（图17），是未来较为理想的几种内燃机零碳燃料。

目前比较受关注的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。这3种燃料的合成技术已经研究多年，较为成熟且具备量产能力，下面简单介绍这3种合成燃料的制备技术。

1） 直接合成甲醇。采用绿氢与CO2直接合成甲醇，已得到产业应用（CRI公司）[43]（图18）。反应过程是一个放热过程，能耗较低。反应主要基于CZA催化剂（CuO/ZnO/Al2O3），通过调节不同催化剂组分比例和反应温度压力，实现不同的甲醇产量和纯度。

2） 甲醇制汽油（MTG）。MTG技术源自20世纪70年代ExxonMobil公司，技术成熟且有相关产业，生成的汽油与化石汽油差异小，组分比例、辛烷值、碳氢比、密度等特性与现有市售汽油相当。甲醇首先通过非晶型氧化铝催化剂脱水，形成二甲醚 (DME)、甲醇和水的平衡混合物。DME 反应器的产物进入MTG 反应器，其中的甲醇和 DME 通过专有催化剂反应完全脱水，生成轻烯烃和水。在MTG 反应器条件下，轻烯烃低聚为更重烯烃，然后通过各种反应路径合成为烷烃、环烷烃和甲基化芳烃等工艺，最终得到汽油（图19）[44]。

3） Fischer-Tropsch合 成 柴 油。Fischer-Tropsch（F-T）技术由20世纪20年代德国科学家发明，SASOL公司最早商业化，技术成熟，主要与煤产业相关；反应物、反应温度、催化剂决定产物分布。低温F-T采用Co或Fe催化剂（200～280 °C），主要产物为烷烃（柴油、石蜡）；低温F-T柴油应用最广，十六烷值高，以支链烷烃为主，几乎不含芳烃。高温F-T采用Fe催化剂 （300～340 °C ），除烷烃外生成烯烃、含氧有机物（图20）[45]。

内燃机使用e-fuel燃料的最大好处是不用改变现有燃料供给基础设施以及现有内燃机制造产业链。e-fuel内燃机面临的最大挑战是燃料成本高问题，由于e-fuel燃料制备要以绿氢为基础，因此其炼制工艺必然比制备氢更为复杂，成本更高，尤其是目前电解水制氢成本较高（参见图17），导致e-fuel内燃动力汽车的使用成本相比同规格的BEV和FCEV更高，因此e-fuel内燃机的应用场景主要是难以电动化或对燃料价格不敏感的交通动力装置，如长途车用动力、船舶动力以及航空动力等。未来随着制氢成本的降低，e-fuel内燃机的应用场景会不断扩大。

2.3 内燃机实现零碳排放的可行性分析

如前所述，内燃机排放CO2的原因是使用了化石燃料，而碳中和燃料的使用将使内燃机发生质的变革。作为世界最大汽车公司掌门人的丰田章男[47]在2021年9月代表日本汽车工业协会的讲话中，明确提出了“汽车碳中和的敌人是碳，而不是内燃机”的观点，这也是日本汽车工业界的共识。多项研究结果表明，如果从全生命周期分析，目前不同国家和地区的电动车碳排放可能并不低于以内燃机为动力的汽车。图21给出了日本政府2018年在《汽车新时代战略会议中期报告》[15]中给出的不同动力系统汽车全生命周期碳排放对比（基于2017年国际能源署（International Energy Agency，IEA）数据），以普通汽油车为比较基准，其碳排放换算系数为100，则混合动力车为52，中国和印度的电动车分别为62和73，这是因为中印两国的发电能源中煤炭占比分别为70%和75%，以及电动车和蓄电池在制造过程中的碳排放明显高于燃油车和混动车，而电动车在发电能源主要为可再生能或核能的挪威和法国使用，换算系数分别只有1和4。由此说明，在一个国家的发电能源中化石燃料占较大比重时，即使作为理想新能源汽车的电动车也不是低碳或零碳的，只能伴随着不断低碳化的电力供应而逐步实现碳中和。

结合上述关于低碳和零碳燃料的未来发展，可形成图22所示的发展过程，即碳中和燃油车与电动车BEV同时达到零碳排放的目标。图中评价指标是全生命周期的碳排放，在中国现阶段可以粗略将混动车HEV（带有高效汽油机）与电动车BEV的碳排水平视为同等或略高；至2030年前后，由于采用低碳燃料（CNG/LNG等低碳化石燃料）和生物质混合燃料（乙醇汽油、甲酯柴油等），以及内燃机效率的进一步提高，燃油车的碳排放显著降低；至2040年前后，随着各种碳中和燃料的应用（以高比例掺混使用），燃油车碳排放进一步降低；最终在2050年前后，由于各种碳中和燃料生产技术成熟及成本降低，加之内燃机效率的显著提高（高达50%～60%），燃油车可以实现零碳排放。另一方面，电动车BEV也随着电力能源的不断脱碳，其碳排放也不断降低，最终在电力能源达到零碳排放时，电动车也实现真正的零碳排放。尽管这一设想是针对汽车或混动车的，但可以拓展到所有内燃机使用领域，即只要燃料实现了碳中和，则内燃机也就实现了零碳排放。可以说，当内燃机开始使用碳中和燃料时，它也可以称之为新能源内燃机，它所搭载的汽车也可以称为新能源汽车。

3 氢、氨内燃机研究现状及需要解决的关键技术

为了满足碳中和要求，内燃机必须在未来5—10年能够燃烧碳中和燃料，这需要能源行业和内燃机行业一起合作，解决内燃机碳中和燃料供给和高效清洁燃烧的关键技术问题。从碳中和燃料成本看，如果加氢基础设施有保障，内燃机直接烧氢更可行，而且在使用寿命和成本上比质子膜燃料电池（PEMFC）动力有优势。如果加氢基础设施没有保障，内燃机直接烧氨（绿氨可以看作绿氢的液态能源载体）也是一条可行的零碳技术路线，尽管绿氨燃料的制备来自于绿氢，但无需加氢储氢等基础设施，氨内燃机综合效益较氢内燃机高。

3.1 氢内燃机

氢气在内燃机上的应用可追溯到20世纪30年代[48]。氢气内燃机的氢气喷射方式有进气道喷射（port fuel injection，PFI）和缸内直喷（direct injection, DI）2种方式。对于PFI方式成本较低，但容易回火。此外，由于氢气占据进气的体积，也会导致PFI氢内燃机升功率的提高受限。

目前，典型的氢内燃机样机有马自达公司氢气转子发动机（图23）[49]和宝马公司汽油版氢-汽油发动机：汽油/氢气双燃料供应，氢气进气道喷射[50]，最高热效率42%，最高有效平均压力（brake mean effective pressure，BEMP）0.8 MPa。KEYOU公司柴油版氢内燃机[51]，采用气道喷射、火花点燃，同时压缩比降低为12，最高热效率超过40%。联电和博世联合研究的进气道喷射/缸内直喷氢内燃机[52]，氢气在高压直喷模式下，可实现39%的峰值有效热效率（图24）。结合混合动力的仿真结果表明，在混合动力发动机常用工况点下，NOx排放可低于10 ppm。国内高校和企业也针对氢内燃机开展了大量的研究。北京理工大学氢气专用发动机研究表明[53]，在混合气浓度接近当量比的条件下，在三效催化剂（TWC）中可用氢气直接还原NOx排放，实现氢内燃机NOx的近零排放。

氢内燃机目前有3种燃烧模式：火花点燃（spark ignition, SI），均质混合气引燃（homogeneous charge induced ignition, HCII）、均质混合气压燃（homogeneous charge compression ignition, HCCI）。最常用的是第1种SI燃烧模式。在当量比结合废气再循环（EGR）和三效催化剂（TWC）条件下，可以实现NOx的近零排放。但这种燃烧模式容易发生早燃、回火和爆震，限制了发动机负荷的提高[54]。在SI模式下，对于自然吸气发动机因氢气占进气体积和燃烧容易爆震，相比于汽油，氢内燃机的峰值输出功率会减少35%以上[55]。第2种HCII燃烧模式是采用柴油等高活性燃料来引燃缸内的氢气混合气，这种氢内燃机一般是由压燃式发动机改造而来。氢气在动力输出中的比例可以灵活调整，但是氢气的比例受到最高压升率和末端混合气自燃的限制。研究表明[56-57]，在中低负荷下，氢气的能量输出占比最高在30%～40%，而在大负荷工况下，氢气的能量输出占比限制在6%～25%。第3种是HCCI燃烧模式，由于氢气的扩散系数较高，容易快速形成均质混合气，发动机在混合气当量比极低的条件下运行，可实现高热效率（指示热效率45%[58]）和近零NOx排放[59]。但在HCCI燃烧模式下，氢内燃机负荷低，提高负荷NOx排放会增高。

氢气具有较高的自燃温度，RON值≥ 130[60]，其MON比RON低很多[61]。但在当量比条件下，氢气的最小着火能量比常规的碳氢燃料低一个数量级，这导致氢气在火花点火前容易出现早燃现象。而氢气较低的点火能量也使得氢发动机火花点火后容易发生末端混合气自燃，进而引起爆震，尤其在较浓混合气和高进气压力条件下，更容易发生爆震。为了抑制爆震，进气压力和混合气浓度都不能过高，这就限制了氢发动机功率密度的提升。由于氢气具有高的层流火焰速度，快速燃烧放热容易导致较高的缸内燃烧温度和压力。为了抑制爆震，氢发动机常采用稀薄燃烧策略，这导致缸内“高温、富氧”的环境，使得NOx排放高。进一步通过采用稀燃+高EGR的方式降低缸内的燃烧温度，可以降低缸内NOx。在稀燃条件下，需要采用稀燃NOx净化装置如氮氧化物吸附器（lean NOxtraps, LNT）或选择催化还原器（selected catalytic reduction, SCR）等降低氢发动机尾气NOx排放，才能满足未来更严格的排放法规。但在稀燃条件下，氢发动机的动力性受到很大影响，为了弥补动力性不足，需要匹配增压器提高进气充量。

总之，氢内燃机在技术上是完全可行的，但在使用过程中，还需要解决氢气喷射系统、专用润滑油、氢脆等的安全性和可靠性问题。

3.2 氨内燃机

氨内燃机的应用也可追溯到20世纪30年代[62]。第二次世界大战期间，由于石油短缺，氨燃料火花点火内燃机开始用于军事用途[63]；进入21世纪后，随着温室效应加剧，氨内燃机的研究又重新展开，但点火难与燃烧慢的问题提高了氨内燃机的开发难度。

为了解决氨气燃烧难的问题，目前氨气在发动机上的应用研究多采取高活性燃料引燃的方式，常见的高活性燃料包括柴油、二甲醚、氢气等（见图25）。

Gross等[64]研究了压燃发动机缸内直喷氨气、二甲醚混合燃料的发动机性能，发现引入氨气后，发动机运转工况变窄，无法实现高负荷运行，这是因为氨气低热值较低（18.6 MJ/kg，为柴油的44%），需要2.26倍质量流量的氨气才可实现相同的能量输出，但氨气更高的汽化潜热会使得缸内温降达到100 ℃，降温效应减缓了化学反应，而氨气的低火焰传播速度与高自燃温度会进一步恶化燃烧，限制了发动机的高负荷运行。A. J. Reiter等[65]在四缸柴油机进气道中引入氨气并探究其对燃烧排放性能的影响，发现氨气能量占比为40%～60%时有效燃油消耗率最低；引入氨气后，CO与HC排放增多, 着火延迟期延长，压力峰值降低；另外，当氨气能量占比低于40 %时，NOx排放低于原机，NOx排放曲线如图26所示。

为了解决氨气燃烧慢的问题，还可以采用氢气作为氨气的活性增强剂。F. R. Westlye等[66]研究了体积占比80 %氨气+ 20 %氢气掺混燃烧的NOx排放，发现在化学当量比条件下，氨氢掺混燃烧的NOx排放低于碳氢燃料；随着当量比降低，碳氢燃料NOx排放逐步降低，但氨氢燃烧的NOx排放则会产生另一个峰值，增加的NOx排放并非源自高温反应，而是来自燃料氮。A.Hayakawa等[67]研究表明，相对于化学当量比燃烧，氨气浓燃条件下的NOx排放会显著降低，如图27所示。另外，氨也可以添加到汽油机中进行燃烧，如图28所示。

C. S. Mørch等[68]在点火发动机进气道中同时引入氨气、氢气并研究发动机性能变化，结果表明，混合燃料中掺混10 % 体积占比的氢气时，发动机热效率最高，且由于燃料辛烷值的升高，发动机可运行在更大压缩比条件下，这使得氨氢燃料发动机热效率超过汽油原机效率。C. Lhuillier等[69]的研究也发现氢气体积占比10%～20 %时，发动机热效率最高，这是因为当氢气过多时，会使得燃烧温度过高，散热损失增大；而氢气过少时，会导致燃烧速度太慢，等容度降低，这都不利于发动机热效率的提高。M. Pochet等[70]的研究表明，在氨的体积分数为15%时，氨/氢混合物抗自燃性增强，并且能使最高压升率相比于氢气降低50%以上，使燃烧持续期从曲柄转角(crank angle, CA) 3°增加到7°。

氢气部分掺混有效改善氨燃烧，而这部分氢气有望通过氨气在线重整制取。S. Sittichompoo等[72]的研究表明，铂铑催化剂在500～600 ℃环境中可保证14.94 g/h流量的氨气完全分解为氮气、氢气。M. F. Ezzat等[73]则开发了一种氨气在线制氢的新型系统，系统采用氨电解质电池(ammonia electrolyte cell, AEC)制氢，通过热电发电机(thermoelectricity generator, TEG)利用温差发电并为电解质电池供电，最后通过氢气掺混来实现内燃机中氨气的稳定燃烧，如图29所示。

总之，氨内燃机往往需要与其他高活性燃料混合燃烧，才能获得优良的燃烧和排放性能，其混合气形成和燃烧组织难度更大。氨内燃机实现高效清洁燃烧，还需解决以下关键科学和技术问题：

1） 高温高压宽浓度范围下氨燃料燃烧化学反应动力学机理。目前国际上缺少对于氨燃料内燃机条件下燃料燃烧热解、氧化和NOx生成机理的研究，尚无适用于高温（800 ～1 200 K）高压（2.0 ～6.0 MPa）宽浓度范围（当量比φ = 0.5 ～ 2.0）下的氨燃料燃烧化学反应动力学机理。一方面，由于氨气活性较低，使得其自身在低热力学状况下的层流火焰速度及滞燃期测量难度极大；另一方面，为获取高热力学状况条件下火焰速度及滞燃期，需借助快速压缩机(rapid compression machine, RCM)、激波管等燃烧器形成高温高压的初始热力学状况，难点在于形成基础燃烧所需的稳定精确的高温高压热力学状况。

2） 氨内燃机高效清洁燃烧组织。相比于传统碳氢燃料，氨气反应活性低、自燃温度高，其层流火焰速度低、最小点火能高，这限制了氨气在发动机上的使用。氢活性基射流点火引燃氨混合气燃烧（H-A）是解决氨点火难和燃烧慢这一关键问题的有效手段[74]，结合汽、柴油机燃烧优点，提出多点预混燃烧（multipoint premixed combustion, MPC）概念，如图30所示。通过高活性燃料高温燃烧气体注入主燃室中，形成多个点火源，引燃低反应活性预混合气并引发强湍流，利用湍流打碎火焰来加快燃烧速度，可以实现可靠的点火过程并提高燃烧速度从而实现爆而不震的点燃-压燃过程。这种氨内燃机较柴油机还有一个显著的成本优势是：不需要高压共轨、高压油泵、高压油嘴和DPF等来实现高效燃烧和零碳排放。

3） 氨在内燃机上的应用还存在零部件腐蚀问题。美国科埃帕默公司[75]针对氨与不同材料的相容性研究表明，铜、黄铜、青铜、钛、氟橡胶、天然橡胶被严重腐蚀；而304不锈钢、316不锈钢、铝、碳钢、铸铁、丁腈橡胶、全氟橡胶、氯丁橡胶等受氨气影响微弱。Gray等[76]还针对氨气与润滑油的相容性进行了研究，发现润滑油受氨气影响较小，其变质程度与使用碳氢燃料相当。已有的研究表明，氨气应用于发动机时需更换包含铜、锌合金的少部分零部件, 以及某些橡胶密封件，除此之外，常规发动机设计可以满足氨气在发动机上的使用。

4） 尽管氨可以作为NOx后处理的还原剂，但仍需考虑开发针对氨燃烧特性的高效、耐久SCR装置。另一方面，尾气中未燃氨会散发出刺激性气味，因此在尾气处理中还必须考虑采用吸附、催化氧化/催化分解等技术来大幅度降低氨进入大气环境的比例，并同时考虑与废气再循环相关措施的交联与控制策略，实现对大气环境的零影响。

5） 事故与泄露的安全措施。液氨作为车用燃料的储存和燃料供应系统须考虑汽车碰撞安全问题。由于氨常温下会迅速气化、有一定毒性并具有刺激性气味，其安全措施不能简单照搬过去的LPG/CNG或者氢气储存系统，需从主动和被动防护两个方面加强安全设计，并充分考虑氨泄露后的保护措施。当然这一安全问题，在氢内燃机中同样重要。

4 总结与展望

1） 2020年中国承诺“双碳”目标，碳中和成为全球共识和未来发展目标，是由工业文明向生态文明发展的必然选择，将给人类社会和经济带来全方位的影响，既有挑战，也有机遇。中国将在40年内实现碳中和，压力巨大，但从长远看，碳中和也是我国减少石油依赖，从根本上解决能源安全的一次重大战略机遇。中国能源将由过去主要依靠油气等化石能源进口的资源依赖型国家，转变为未来主要依靠水能、风能、光能等可再生能源的技术依赖型国家，从而实现可持续发展。

2） 内燃机是一种量大面广的道路、非道路移动机械和国防装备动力装置，在实现碳中和的过程中，其节能减排技术的应用将起到立竿见影的减碳作用。特别需要指出，混合动力可以使内燃机经常运行在高效区，峰值和系统总热效率可以大幅度提升，是非常有效的低碳节能技术。柴油机通过“三高”（高增压、高喷射压力、高EGR）结合低散热和余热回收技术，有效热效率可突破55%。汽油机作为轻型车用混合动力，未来通过稀燃、压燃等节能技术，有效热效率仍有20%～30%的提升空间，可以达到柴油机相应的热效率水平。

3） 在碳中和背景下，随着绿电应用比例越来越高，纯电动车越来越接近全生命周期零碳排放，而内燃机随着本身节能减排技术的不断进步，以及不断增加碳中和燃料应用的比例，也可以逐步实现内燃机全生命周期的零碳排放。生物质燃料、绿氢、绿氨和绿电合成液态燃料等碳中和内燃机，既可以与电机一起用于混合动力解决纯电动车的里程焦虑和充电焦虑，也可以用于长途运输重卡动力、非道路动力以及船舶动力以解决充电不便问题。

4） 中国有一定量的乙醇、生物柴油等生物质资源，有乙醇汽油和生物柴油在内燃机上大规模应用的经验，也有较好的生物质燃料制备技术和产业基础，可以形成一定规模的内燃机所需生物质液态碳中和燃料。在碳中和背景下，国家应更加重视和加大对生物质燃料产业的支持力度，加大生物燃料普及应用的推广力度，使其在实现碳中和过程中发挥重要作用。

5） 在加氢基础设施有保障的地区，氢内燃机应该与氢燃料电池动力各自发挥特长和优势。氢内燃机制造产业链完备，相比氢燃料电池在技术成熟度、耐久性和成本等方面具有优势，因此大力开发和使用氢内燃机是一种较低成本的动力碳中和解决方案。氢内燃机既可以用作轻型车混动专用动力，也可以用作重卡动力和非道路动力。目前氢内燃机技术推广应用尚有诸多问题需要解决，包括绿氢制备-运输-安全，以及氢内燃机氢气喷射、燃烧爆震、回火、早燃和NOx排放等应用技术问题。

6） 内燃机燃用绿氨是另外一条可行的碳中和之路，其优势是无需专门的供氢基础设施，而液氨燃料的制备、存储和输运均方便，适用于长途重卡和船舶动力，但其实际应用需要解决氨内燃机着火难、燃烧慢以及NOx排放等技术问题。氨在线制氢实现氨氢混合燃烧是氨内燃机实现高效燃烧的一条可行的技术路线。

7） 在电解水制氢的成本能够得到有效控制的条件下，内燃机可以直接使用电力合成液体燃料（e-fuel）包括直接合成甲醇、甲醇制汽油（MTG）、Fischer-Tropsch合成柴油等，此方案无需对现有内燃机生产及燃料存储输运设施进行更新，是内燃机实现碳中和的理想路径和选择。在电解水技术进入大规模实用阶段时，e-fuel的减碳优势会更加突出，有可能会在对使用成本不敏感的高端内燃动力装置中率先得到应用。