氢内燃机能否延续柴油机的辉煌

李 霖 黄 磊

(东风商用车技术中心，湖北武汉，430056)

为达成运输板块碳中和，重卡行业内已基本达成共识：未来，纯电动卡车和氢燃料电池卡车将全面取代柴油卡车。但在此之前的数十年，由可持续生物燃料和氢气等替代燃料提供动力的内燃机将占据相当一部分市场份额。一方面，目前的纯电动和燃料电池技术尚未准备好满足许多重型车辆在恶劣条件下(尤其是非铺装道路)所需的高功率要求，例如采矿卡车，而氢内燃机(H-ICE)恰恰适用于这些应用场景。另一方面，如何继续利用现有的内燃机技术和生产设施也是当前面临的严峻课题，已经有一些重卡主机厂和发动机供应商将开发的目标瞄准了氢内燃机，期待着此举能够延长内燃机的寿命。

氢内燃机可以采用零碳燃料，且与现有车辆相兼容。因其对车辆改动很少，初始应用成本较低、车辆续驶里程长、加氢时间短、动力总成安装通用性强以及最终用户熟悉程度高等优势，氢内燃机在车辆上的应用有望进一步加速。

1 氢内燃机的优劣势

氢气和可以在与当前柴油发动机基本相同的内燃机中燃烧。虽然氢内燃机仍会排放氮氧化物(NO)，需要进行类似于柴油发动机的后处理。但一些氢内燃机生产商认为，氢内燃机的运行条件可实现比柴油发动机低得多的NO生成，因此可以认为是零影响。事实上，由于废气处理要求较低，它们可能比柴油发动机更便宜(尽管需要进一步研发该技术)。

(1)氢内燃机的优势包括：

· 使用绿氢时可实现CO零排放；

· 使用蓝氢时有一定的CO排放；

· 采用SCR后处理时可控制NO排放水平；

· 原理及结构类似柴油机(但需要储氢罐)；

· 与传统柴油机尺寸相当；

· 较低的有效载荷损失和空间要求；

· 加氢时间15~30 min (取决于储氢量)；

· 较低的成本；

· 较高的热和振动耐受性。

(2)氢内燃机的劣势包括：

· 有NO排放；

· 发动机需要适当更改；

· 增加了储氢罐；

· 需要氢配送和加注基础设施支持。

目前已知的零排放技术路线主要为：纯电动汽车(BEV)、氢燃料电池电动汽车(FCEV)、氢内燃机(H-ICE)和生物燃料或合成燃料内燃机(如果使用可持续碳源)，这4种零排放技术各自具有不同的优点和缺点，导致不同车型的适用性水平不同。下表从CO强度、空气质量、油井-车轮效率、动力总成资本支出、限制条件等方面对这4种技术路线进行了对比：

表1 4种零排放技术路线对比

氢内燃机可以利用现有的柴油机产品及技术，但仍需要做出一些适应性变更，通常包括下列部件：

· 活塞、压缩比、气门、座圈；

· 点火系统；

· 带H喷射器的进气系统、H燃料供给；

· EGR系统、涡轮增压器；

· 催化转化器(H-SCR)；

· 控制系统。

氢内燃机可以在多种应用中发挥作用，为FCEV和BEV提供补充解决方案。尤其是重型卡车和其他高负荷应用，如采矿、海运和铁路。氢内燃机的优势包括：较低的有效载荷损失和空间要求，比BEV卡车更快的补能时间，较低的成本，以及较高的热和振动耐受性。

各种车辆细分市场可以从这些优势中受益，包括：

· 轻型车辆，如挂车；

· 中型车辆，如中型运输车和消防车；

· 重型车辆，如混凝土卡车；

· 采矿和施工车辆，如履带式推土机、挖掘机和自卸卡车；

· 农业车辆，如收割机械和拖拉机。

2 氢内燃机开发动向

包括主机厂、发动机供应商、工程服务公司和氢内燃机初创公司在内的一些公司已经开始研究氢内燃机，作为其公路和非公路零排放解决方案的一部分。

此外，还有一些参与者正在积极开发氢内燃机、燃料电池和电池的混合解决方案，以最大限度地提高可变负载模式的效率。

2.1 达夫

达夫开发的“H创新卡车(HInnovation Truck)”是迄今为止唯一一款依靠氢内燃机运行的卡车，这款XF氢内燃机卡车被评为了2022年的年度创新卡车。达夫正在紧锣密鼓地对车辆进行开发、测试和完善，力图早日将其推向市场。

图1 DAF的H2创新卡车

图2 改造后的PACCAR MX-13发动机

目前正在测试中的达夫XF氢内燃机卡车采用了一台改造过的PACCAR MX-13发动机，车桥和变速箱采用新一代达夫XF卡车的标配。对内燃机的更改包括用发动机火花塞替换喷油单元、更换活塞以实现更好的燃烧、安装电动涡轮增压器以及用氢气喷射系统替换进气口。与燃料电池氢解决方案相比，内燃机具有瞬态能力(无需大型储能系统)。其他优点包括所需的冷却能力较低和对氢气纯度的敏感性较低。

这种做法比重新开发一台氢内燃机来说成本更低，也能让保有量巨大的柴油发动机看到未来的曙光。据达夫的描述，氢内燃机版本的MX-13动力表现依旧出色。除了发动机的声音相比柴油发动机更小之外，差别基本不大。同时，得益于车辆的采埃孚TraXon变速箱，平顺性方面十分不错。

图3 H2创新卡车的底盘布置

在底盘左侧，原用于安装柴油油箱的位置都随着柴油箱的消失而被让出，取而代之的是4个尺寸巨大的液氢罐，可容纳 90 L/10 kg的氢气，以 350 bar的压力加注。车辆采用了复合碳纤维储氢罐。在目前，全球能生产这种罐体的厂家不多，而且制造价格十分高昂，这也是需要面对的问题。

底盘的右侧仍然是空的，将来，可以在那里安装后处理系统，使动力总成满足欧VII 甚至更高的排放标准。目前，H概念卡车的续航里程可以达到 120 km，但达夫认为它可以达到更实用的600 km。

在路上行驶的感觉很像柴油发动机卡车，驾驶体验的差异也不大。

达夫估计，H概念卡车准备上市还需要5~7年的时间。到那时，如果定价合适，没有理由认为它不会成功——但它将面临来自“传统”氢卡车甚至电动卡车的强大阻力。然而，这一发展最重要的意义并不是这辆卡车的销售潜力。相反，这可能意味着内燃机仍然为运输业提供了巨大的潜力，尤其是在重型长途运输领域。

2.2 康明斯

康明斯认为，电动动力和燃料电池动力总成应用前景可期，与此同时，借助可靠的内燃机技术，以绿氢为燃料的氢内燃机将成为未来零排放解决方案的重要补充。

2021年7月，康明斯宣布开始测试氢燃料内燃机。概念验证测试是建立在康明斯现有的气体燃料应用技术和动力系统基础之上，目标是创造一个新的动力解决方案。在概念验证测试之后，该公司计划在各种公路和非公路应用中对发动机进行评估。

图4 康明斯X15H氢内燃机

2021年9月，康明斯公司宣布其H-ICE氢燃料内燃机计划，开始开发中型6.7 L和重型15 L氢燃料发动机。新的15 L平台将为车辆总重高达44 t的长途卡车和其他重型应用卡车提供氢燃料发动机。6.7 L氢发动机的开发将集中于中型卡车、公共汽车和建筑应用，如挖掘机和轮式装载机。

2022年5月 9日，在加州举办的ACT Expo 展会上，康明斯展示了其最新的15 L氢内燃机X15H。X15H发动机基于康明斯最新的适用于多种燃料的发动机平台，该平台的发动机气缸垫下方的大部分零部件结构相似，而气缸垫上方则根据不同燃料的类型，采用不同的零部件组合。

2021年 7月开始的氢内燃机测试已实现了设定的功率和扭矩目标，其中型发动机扭矩超 810 ftlbs，马力超290 hp(编者注：hp，英制马力，1 hp约为746 W)。此外，更先进的原型机测试也将很快开展。依托康明斯全球强大的生产基地布局，可快速实现规模化生产，预计将于2027年全面投产。

2.3 西港

2022年5月3日，西港燃料系统公司(Westport Fuel Systems)推出了一种新型氢HPDI燃料系统，可以在重型卡车发动机中燃烧氢气，几乎没有碳排放，且动力性能还优于柴油发动机。

西港在一辆演示卡车上展示了其氢内燃机用HHPDI燃料系统，通过改善原有的LNG HPDI系统，在经过改造的内燃机中燃烧氢气，几乎没有碳排放，性能优于基础柴油发动机机型。展示的动力系统包括一台OEM基础发动机、HPDI 2.0喷油器和相关软件，以及一台低温高压泵，储氢罐可能安装在驾驶室后部。

新的 HHPDI 燃料系统基于西港公司的HPDI(高压喷射)燃料系统技术，之前西港已经做到在重卡上使用生物甲烷和天然气等替代燃料运行，并且其功率、扭矩、效率和性能丝毫不逊于柴油发动机。现在西港公司将原有HPDI燃料系统进行优化调整，实现支持燃烧氢气运行，不仅能满足更严苛的排放法规，而且动力表现更为突出。

类似于柴油发动机，西港的HHPDI燃料系统也采用压燃式燃烧，但不能直接燃烧氢气进行做功，它需要借助其他燃料引燃氢气。

西港在HHPDI燃料系统中设计了一种双同心针喷油器，一个喷油嘴上有内外两圈喷孔，内侧喷孔可以喷出少量柴油，外侧喷孔可以喷射大量氢气，这套喷油器是西港的专利产品，也是其HHPDI燃料系统的核心技术之一。

氢内燃机的做功过程大致可以分为两步：首先，在压缩行程上止点前往气缸中喷入少量柴油，柴油被压燃作为先导点火；然后将大量氢气高压喷射到柴油火焰中，氢气作为主燃料燃烧做功。

HHPDI燃烧保留了基础发动机的高压缩比，氢气燃烧做功不会超过发动机机械极限，却可以产生比柴油发动机更高的峰值扭矩和功率。另外，由于柴油先导点火，在压缩行程结束前才喷射氢气，氢气持续燃烧的时间比较长，不容易造成发动机爆震，这也解决了氢气燃料的一个重大缺陷。

图5 配备H2 HPDI燃料系统的演示卡车

引燃燃料目前采用柴油，不过Westport表示正在努力消除未来对柴油引燃的需求。由于使用柴油作为引燃燃料，所以排放总量减少了98%，而不是100%，而且仍需要一个小型的柴油箱和后处理系统。

Westport HHPDI的亮点：

· 功率和扭矩：比基础柴油发动机的功率和扭矩高20%；

· 效率：比基础柴油发动机的热效率高5%~10%；

· 涡轮增压13 L直列六缸发动机；

· 燃料：氢气，采用引燃点火燃料(柴油)；

· 四循环，压缩点火，直接喷射。

2.4 Keyou

2022年4月，Keyou，一家致 力于开发创新的氢能技术的德国公司展示了两辆配备氢发动机的商用车辆——一辆18 t的卡车和一辆12 m城市公交车，这两款车都基于现有的柴油发动机平台开发。核心是KEYOU获得专利的KEYOU-inside系统，未来将主要用于改造现有车辆。

自 2015 年以来，KEYOU一直在开发可用于将传统内燃机转变为无排放物氢发动机的氢气相关技术、组件和燃烧过程。在此过程中，KEYOU已成功地从柴油发动机平台开发出迄今为止世界上最高效的氢气发动机。展示的两款原型车均基于KEYOU开发的7.8 L氢发动机。18 t卡车基于戴姆勒 Actros 底盘。

集成工作于 2022年 1 月开始，由来自欧洲特种车辆制造市场领导者Vilshofen的 Paul Nutzfahrzeuge GmbH负责。继成功地将发动机集 成到车辆中之后，计划在慕尼黑附近进行首次试驾。预计最早将于2022年夏天完成对示范车的批准，以使这辆 18 t卡车在公共道路上行驶以进行示范运行。

12 m长的城市公交车以及18 t重的卡车将在2022年9月的IAA交通运输展上首次亮相。

为了与柴油车辆相提并论，配备氢发动机的车辆必须满足对标柴油机的众多参数。除了价格，重点是续驶里程、鲁棒性和日常使用的适用性。这是车队运营商在不必放弃其商业模式的情况下走向“绿色”的唯一途径。

KEYOU开发氢发动机和改造车辆的方式缩小了“零排放”和成本效益之间的差距。例如：这两种车型的续航里程都超过 500 km。发动机的输出功率为 210 kW，不仅提供了足够的动力，而且在苛刻的 WHTC 参考循环中仍低于欧盟定义的零排放 CO限值。此外，这些产品无需昂贵的废气后处理装置，即可很容易地满足欧VI排放标准，而这在以前被认为是绝对必要的。下一步是在试验车道和公共道路上证明这些值。

为了实现商用车板块的气候保护目标，针对现有车辆的解决方案也必不可少。KEYOU所开发技术的一大优点在于它可以应用到现有市场。这是因为该技术不仅耐用、可靠且不依赖于稀土，而且还为最终客户提供了与柴油相当的成本结构——尤其是总体成本。只需要对底层基础发动机进行少量更改，并且现有的内燃机基础设施可以用于发动机和车辆的生产。

与其他制造商不同，KEYOU 并不打算生产自己的车辆和发动机。相反，这家总部位于慕尼黑的氢能专家正专注于新车和现有车辆的进一步开发和改造。未来 10 到 15 年，全球仍将生产数百万辆柴油车，尤其是商用车板块。

2022年的整车试验结束后，KEYOU计划在2023年底与先锋客户一起进行密集的用户试验。试验期间将针对各种应用场景，在真实条件下进行技术和车辆测试。到 2024 年，将再增加2个发动机平台，然后将用于更多地应对现有市场上的需求。

图6 配备氢发动机的18 t卡车

图7 配备氢发动机的12 m城市公交车

2.5 国内厂家

除国外厂家外，国内的一些主机厂也启动了对氢内燃机的研究。

2021年12月，玉柴研发出燃氢发动机YCK05N并成功点火运行，面向重卡领域的YCK15N燃氢发动机也会在2022年上半年实现点火。YCK05燃氢发动机的有效热效率媲美氢燃料电池动力，采用了超稀薄清洁燃烧的技术路线、氢气专用SCR后处理、进气道高压多点喷射、小惯量高效涡轮增压器，解决了燃氢发动机易早燃易回火的情况，热效率达到42%，且真正实现零污染排放。

2022年6月8日，由一汽解放自主设计研发的国内首款重型商用车缸内直喷氢气发动机成功点火并稳定运行。氢气发动机排量为13 L，运转功率超500马力，同级排量动力最强，指示热效率突破55%。这款氢气直喷发动机所基于的零碳氢基内燃动力孵化平台，具备氢气单燃料缸内直喷、氢气单燃料缸内和气道混合喷射、氨气和氢气双燃料喷射能力，可灵活转化成氢气、氨气等净零碳燃料产品。

2022年6月15日，中国重汽、潍柴动力联合发布全国首台商业化氢内燃机重卡。该款车型为中国重汽全新一代黄河品牌高端重卡，搭载潍柴动力自主开发的13 L氢内燃机，可商业化应用到港口、城市、电厂、钢厂、工业园区等特殊运输工作场景。潍柴动力自2018年起开始布局氢内燃机技术，这款氢内燃机实现了有效热效率41.8%。

3 结语

从技术角度来看，将普通内燃机改造为氢内燃机相对容易。同时，还可以充分利用成熟的内燃机设计、制造技术及现有的生产设施。绿氢的供应主要有2种方式：通过可再生能源电解制氢再进行配送，或者采用现场制氢的方式。现阶段氢内燃机应用的最大阻力在于氢加注基础设施投入巨大以及氢内燃机卡车的TCO成本显著高于柴油卡车。

依赖于氢燃料电池技术的发展，可能会推动解决这一障碍。尽管这两种技术在某些应用中可能存在竞争，但更有可能的是，这两种技术都有助于增加氢气在未来动力系统组合中的份额，并推动彼此的成功。氢内燃机和氢燃料电池两种动力系统需要(很大程度上)相同的基础设施。因此，每辆H-ICE车辆将有助于降低氢燃料电池的成本，反之亦然。类似地，两种动力系统共享相同的储氢罐技术——占动力系统总成本的很大一部分。允许主机厂和储罐供应商将研发和资本支出分摊到更多的车辆上，将有助于降低所有氢燃料车辆的成本曲线，并支持这两种解决方案的竞争力。

商用车板块减排的最大特点在于其应用场景的多元化，必须通过不同的技术路线和细分产品才能满足相应的需求。在过渡期内，氢内燃机仍是一种可行的技术路线。但长远来看，氢内燃机较低的能源转化效率决定了它最终会被其他两种路线(纯电动和氢燃料电池)代替。

6月初，美国能源部(DOE)发布了一份意向通知，计划提供80亿美元资金，以在美国各地发展区域清洁氢枢纽(HHubs)，加速氢作为清洁能源载体的使用。早在2021年，美国能源部就推出了Hydrogen Shot计划，以在10年内将清洁氢气的成本降至每公斤1美元(“1 1 1”)。政府对氢内燃机卡车以及氢加注基础设施建设给予补贴，大大降低氢内燃机卡车的TCO成本，无疑将加速其推广应用。