零碳排放内燃机，汽车脱碳的重要技术途径

张少华 陈 刚 姚哲皓

(东风商用车有限公司，十堰 442001)

0 前言

为了应对气候环境挑战，减少化石能源消耗，降低温室气体排放，全球汽车行业正加速向电动化转型。

2022年6月29日，欧 盟 批 准 了2035年禁售燃油车的计划。欧盟27国环境部长在经过长时间磋商、讨论之后，最终决定：到 2035 年在欧盟境内禁售燃油车。

尽管27个欧盟国家达成一致批准2035年停售燃油车计划，但其接受了德国政府的例外请求，即允许销售“二氧化碳中和”燃料的零碳排放内燃机汽车。此外，欧盟将在2026年评估是否给使用合成燃料(e-fuel)的汽车或油电混合动力车“开绿灯”。欧盟禁售燃油车决定，或将加速BEV、FCEV、零碳排放内燃机的应用和发展。

零碳排放内燃机作为脱碳方案，正成为BEV、FCEV之外的达成汽车行业碳中和目标的第3条重要技术途径，值得关注。

1 零碳技术赋予内燃机新的生命力

已经诞生了一个多世纪的内燃机，长期以来，因其有害气体排放而受到诟病。在全球碳中和背景下，传统内燃机正面临着被淘汰的危险。内燃机只有另辟蹊径，改用清洁燃料，才能焕然新生。如果内燃机改用氢气，其燃烧产物几乎只有水，不产生二氧化碳，实现了零排放，就完全符合绿色环保的现代理念。

不同于燃油内燃机，氢内燃机的研发人员面临着一些新情况。比如，氢内燃机气缸中的混合气体，很容易因温度过高而提前点燃，甚至在进气门还没关闭之前就被点燃，导致出现回火、爆燃；由于氢内燃机的温度更高，NO的排放比传统内燃机更加突出等。

不过，通过研发人员的努力，采用更加智能的控制系统、高效的空气管理系统、可靠的喷射系统技术以及先进的废气再循环技术，实现了细分技术领域的新突破，较好地应对了氢气点火能量低、燃烧极限宽、燃烧速度快、燃烧温度高以及火花塞电极过热，几乎完美解决了氢内燃机早燃、回火、爆震和NO排放高等技术难题。

不同于氢燃料电池对氢气品质要求较高，氢内燃机可直接使用工业副产氢。具有多种燃料适应性，可掺烧氨、甲醇、天然气等燃料，降低石油对外依赖度。而且，氢内燃机可采用更高压缩比，实现高循环热效率，达到良好的燃料经济性。

氢内燃机还可利用原有的强大工业体系和成熟产业链，具有极佳的生产成本优势，既能缩短相关产品的开发时间，又能加快其商业化进程。

此外，发展氢内燃机，可作为氢燃料电池的良好补充，助推氢能产业整体发展，通过规模效应共同摊薄加氢基础设施成本。

2 厂家竞相研发零碳排放内燃机

氢内燃机，堪称企业研发零碳排放内燃机的最佳代表作之一，作为氢能动力解决方案的一个良好补充手段，愈来愈受到国内外汽车行业的重视。由于氢内燃机具有低成本、零碳排放、燃料效率高及燃料适应性广等特点，正受到空前关注，热度不断上升。

2020年10月，曼恩在发布的未来的电动化战略中表示，除了开发和制造电池驱动的商用车外，还将优先考虑氢能动力，除氢燃料电池之外还包括氢内燃机。

2021年2月，斯堪尼亚宣布放弃氢燃料电池用于重卡，转而与加拿大西港燃料系统合作开发基于HPDI技术的氢内燃机，直接用氢气替代柴油。与此同时，达夫宣布在新一代车型基础之上开发氢内燃机卡车，并展示了达夫XF样车，搭载佩卡 MX-13发动机改装的氢内燃机。道依茨则透露，其TCG 7.8 H氢内燃机(非道路，200 kW)已经通过了初步测试，预计2024年上市。

2021年7月13日，康明斯宣布已开始氢内燃机开发的前瞻测试，旨在进一步探索先进零碳技术发展的新路径。9月23日，康明斯公司宣布，开始开发中型6.7 L和重型15 L氢内燃机。2022年5月9日，在加利福尼亚举办的ACT Expo展会上，康明斯展示了其最新的15 L氢内燃机。该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。作为康明斯推进零碳目标战略的重要组成部分，该发动机可使用清洁、零碳的氢气作为燃料，助力客户加速温室气体减排。2022年6月，康明斯宣布加入氢能发动机联盟，氢能发动机联盟于2022年1月成立，成员包括康明斯、博世、戴姆勒卡车和卡尔斯鲁厄理工学院等汽车公司、行业供应商和学术机构。

2022年7月8日，日 本 丰 田 汽车、日野汽车、五十铃汽车、电装公司(DENSO)、商业合作技术公司(CJPT)五家企业发布消息称，已经启动了有关大型商用汽车的氢内燃机企划项目及基础研究。

近段时间以来，中国企业在零碳排放内燃机方面的诸多研发成果，也闪亮登场。2021年12月21日，玉柴YCK05氢内燃机在北京理工大学成功点火。采用高压多点进气道喷射技术、高效低惯量涡轮增压技术、高效稀薄燃烧技术等多项先进的专项技术，并对整机结构、燃烧和配气等子系统进行了全面优化升级，攻克了氢内燃机易回火、易爆震等技术难题，能广泛应用于公交、市政、环卫、物流配送等场景。

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内燃机成功点火并稳定运行。运转功率超500 PS，指示热效率突破55%，相关产品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。6 月15日上午，在山东重工新科技成果展上，中国重汽和潍柴动力联合发布全国首台商业化氢内燃机重卡，该车搭载潍柴动力自主开发的13 L氢内燃机，实现了有效热效率 41.8%。

2022年6月30日，玉 柴15.93 L 560 PS YCK16H氢内燃机在广西玉林成功点火，采用先进的燃料高压共轨、高压缸内直喷技术和双流道增压技术，可按需求在缸内实现均质燃烧或者分层燃烧。对燃料纯度适应性高，可适配灰氢、绿氢、甲醇在线制氢等多种途径制备的燃料。

2022年7月1日，上海新动力汽车科技股份有限公司首台直喷式氢内燃机在试验认证部试验基地点火成功。该款直喷式氢内燃机排量12.8 L，设计最大马力480 PS，采用缸内氢气直喷技术，热效率高达44%。

毫无疑问，世界各地如火如荼的氢内燃机研发，势必将为相关车型的后续产品化、商业化奠定雄厚的技术基础，并将为全球碳中和做出卓越贡献。

3 结语

为了应对和扭转地球气候变化负面趋势，全球碳中和目标给传统内燃机带来了日益紧迫的减排压力，汽车行业加速向电动化转型。

但是，在这一空前变革的过程中，内燃机并不是夕阳产业、明日黄花，而依然具有强大生命力——零碳排放技术使得它老骥伏枥、堪能大用，有望焕发青春、继续蓬勃发展。它将与BEV、FCEV一道，有效达成汽车行业脱碳。

在国内外车企竞相研发和发布零碳排放内燃机产品的背景下，氢气等碳中和燃料内燃机车型的规划、试验和投产、应用，无疑将加快。随着各大企业零碳排放内燃机的成功点火和研发投放，一个崭新的内燃机时代必将到来。有理由相信，未来，高效、清洁、零碳的内燃机也将在我国交通运输领域发挥更加重要的角色，在能源安全、节能减排、实现双碳目标、保障国民经济高质量发展方面开启新的篇章。