一文概覽氫內燃機發展歷程

氫能的利用方式主要有燃料電池和氫內燃機兩種。

氫燃料電池相比氫內燃機化學能到機械能的能量轉換效率更高，而且省去了內燃機中的機油潤滑系統和散熱系統，但各環節降本之路依舊漫長。

氫內燃機也叫氫燃料發動機，以傳統內燃機為基礎，通過改變燃料供應系統、噴射系統以及燃料等，燃燒氫氣產生動力，從而驅動車輛的行駛。

可以簡單的理解為燒氫氣的發動機，其基本原理與普通的汽油或者柴油內燃機的原理一樣，是基本的汽缸—活塞式的內燃機，同樣是按照吸氣——壓縮——做功——排氣4個沖程來完成化學能對機械能的轉化，只是氫內燃機里的燃料是氫氣。

氫內燃機 VS 氫燃料電池

普通氫燃料內燃機成本是目前的燃料電池價格的1/10甚至1/20，遠低于燃料電池，具有成本優勢。

氫內燃機具有多種燃料適應性，使用的燃料氫氣，對純度的要求不高，可以直接使用工業副產氫，不需要進一步的提純，進一步降低了成本；也可以用氫氣與現有的天然氣、柴油或者汽油進行摻混燃燒。

但是，氫內燃機易發生早燃、回火、工作粗暴和NOx排放高等缺點，以及相較于燃料電池可以直接將化學能轉換為電能，其能量轉換效率較低（廣汽氫內燃機44%，氫燃料電池60%-70%），從而限制了氫內燃機的進一步推廣應用。

就目前量產車來看，氫燃料電池技術發展更迅速，我國已經進入了氫燃料電池汽車的示范推廣階段，促進了氫能基礎設施的建設，以及氫能產業鏈的完善。

這些也有利于氫內燃機的發展。

尤其對中重卡、船機、工程機械等高載荷和高功率密度應用來說，電動解決方案無法滿足其運行要求，氫內燃機或可以為這些應用提供新的零碳解決方案。

從用戶層面來看，由于外觀、聲音、工作方式都與大家熟悉的內燃機相似，且可靠性和耐用性可與柴油發動機相媲美。選擇裝配氫燃料發動機的車輛也是個不錯的選擇，可以避免投資一項全新技術引發潛在風險的擔憂。

客觀來看，在全球能源綠色化的大背景下，不同的動力路線擅長的領域和場景不盡相同，逐漸呈現出百花齊放的市場格局。

氫內燃機作為能夠實現傳統化石能源替代的可行性技術路線，已經引起了決策層、企業端、以及應用層面的重視。不過，目前業界還處于初步探索階段，未來前景如何還有待觀察。

從長期來看，筆者認為在飛機上應用具有很大潛力（航天航空對重量要求高、體積要求較低對氫氣瓶相對友好）。發展歷程

1）海外

氫內燃機的歷史可以追溯到1807年，當時瑞士人伊薩克·代·李瓦茨研發了第一款單缸氫氣內燃機。

1968年，前蘇聯科學院用汽車發動機進行了分別燃用汽油和氫的試驗，改用液氫的結構方案，發動機熱效率提高，熱負荷減輕。

1972年洛斯阿拉莫斯實驗室把一輛別克牌轎車改成液氫汽車，發動機是一臺增壓的六缸四沖程內燃機，充裝一次液氫后行駛274km。

上世紀70年代后，蘇聯、德國、日本、美國、中國都有氫內燃機的技術投入，主要是實驗室產品和概念車。

福特汽車在1997年啟動氫內燃機的開發工作，搭載其2.0L氫氣發動機的轎車車型在2001年發布；

馬自達在2003年發布了雙燃料的Mazda RX-8 Hydrogen RE；

寶馬在2005年量產了基于寶馬7系（E65）的12缸6L氫氣/汽油雙燃料發動機……

2）國內

我國氫發動機的研究開始于20世紀80年代初，國內一些高校和科研單位對內燃機燃氫和燃氫雙燃料內燃機等進行了實驗研究。

浙江大學曾與日本武藏工業大學合作進行液氫發動機的試驗研究，試驗采用了缸內直接噴射，并用模糊神經網絡控制，試驗結果表明氫氣發動機的異常燃燒、動力增加及NOx減少在很大程度上取決于正確的噴氫系統、噴射正時及點火正時。

2006年由北京工業大學、北京益麥斯科技有限公司和北京飛馳綠能電源技術有限公司聯合成功改造了一輛可使用汽油和氫氣混合燃料的1.6L依蘭特轎車。該車在冷啟動、暖機、怠速和小負荷采用純氫氣運行，接近零排放；在中等負荷采用汽油混氫燃燒，排放和油耗進一步降低；在大負荷采用純汽油模式，確保了車輛在高負荷的動力性。

北京理工大學對氫內燃機的研究走在國內前列，氫內燃機研究課題組于2006年正式成立。孫柏剛教授帶領團隊用了6個月建立第一個實驗室，如今已形成穩定的科研隊伍。“十一五”期間與長安汽車集團合作，承接了國防科工委和科技部863節能與新能源汽車重大專項課題，開展了多項有關氫發動機內容的研究。

2007年研制的國內第一臺氫內燃發動機，在長安集團點火成功。隨后在2008年的北京國際車展上，長安汽車發布了中國首款氫動力概念跑車“氫程”。“氫程”搭載的是增壓中冷氫內燃機，直接以壓縮氫氣為燃料，其性能不僅可以達到汽油機的水平，效率上還比同排量的汽油機高30%以上，HC、CO、CO2排放幾乎為零，完全可實現超低排放并具有良好的低溫啟動性，在一次性加足燃料的情況下巡航距離可達230Km以上。截止到2013年，研制的樣車穩定運行距離超過10,000公里。2018年北理工發布了目前國內唯一的一套可以進行氫燃料內燃機系統開發的專用試驗臺架，是國內少有的能夠進行氫內燃機整機測試的完整實驗平臺

發展現狀

當年只有車企“孤軍奮戰”氫內燃機研發，存在儲氫導致的續航時間短、氫能技術設施不完善導致的加氫難、供應鏈配套少等一系列問題，因此由車企發起的氫內燃機革命似乎在2005年后經歷了漫長的“雪藏期”。

直到近年才重新回歸各大車廠的視野：曼恩的第一臺氫氣內燃機原型機已經在實驗室的臺架上進行測試，道依茨的氫內燃機產品也已經可供預定；豐田在去年6月推出世界上首輛氫內燃機賽車后，于今年2月宣布開發氫燃料發動機，功率可達450馬力（約330kW）。

如果說彼時的氫內燃機研發是各大車廠對于氫氣這種高熱值燃料的嘗試，那么在當今全球綠色變革的大背景下，基于氫能的各路線動力解決方案的研發已經變成了車企和內燃機企業的迫切需求。

1）國內

去年8月，工信部對以“關于鼓勵發展零碳排放氫氣發動機”為主題的建議作出答復，下一步將積極配合相關部門制定氫能發展戰略，研究推動將氫氣內燃機納入其中予以支持。工信部將根據氫氣發動機技術進步和應用推廣情況，進一步評估現行標準體系的適應性和差異性，提前布局相關標準預研，適時推動急需標準制定，有力支撐氫氣汽車科學合理發展。

去年12月，工信部印發《“十四五”工業綠色發展規劃》，再次提出發展氫燃料燃氣輪機。

技術多樣化發展能夠最大程度保障氫能產業發展方向不發生嚴重偏離，因此國內在積極推動燃料電池技術發展的同時，也同樣沒有放棄對氫內燃機的關注。一些跡象表明，國內對氫內燃機領域的探索正悄然興起。

2021年4月，由中國一汽自主設計研發的首款紅旗2.0L氫能專用發動機在研發總院試制所順利下線交付，并于當月在北理工實現點火。該發動機基于中國一汽最先進的第三代汽油機產品平臺自主研發，發動機排量2升，目標熱效率大于42%。

2021年6月，長城蜂巢動力發布8款全新發動機。在氫氣發動機方面，長城表示將于2025年推出氫氣發動機，熱效率為42%，最大功率為120千瓦（163馬力），最大扭矩230牛米，搭載氫氣專用直噴系統、高壓耐腐蝕氫氣供給系統等多項新技術。

2021年9月，廣汽集團自主研發的首款氫氣發動機點火成功。該發動機基于廣汽第四代發動機平臺自主研發，廣汽集團擁有完全自主知識產權，采用了多種新技術，以確保發動機平穩運行，熱效率可達44%。

2020年，玉柴集團已經完成了50%熱效率內燃機的技術研發工作。2021年12月，玉柴集團在北理工發布中國首臺商用車燃氫發動機YCK05。該燃氫發動機采用高壓多點進氣道噴射技術、高效低慣量渦輪增壓技術、氫氣專用SCR后處理、高效稀薄燃燒技術等多項先進的專項技術，并對整機結構、燃燒和配氣等子系統進行全面優化升級，攻克了燃氫發動機易回火、易爆震等技術難題，熱效率達到42%，能廣泛應用于公交、市政、環衛、物流配送等場景。此外，面向重卡領域的YCK15N燃氫發動機預計將于在2022年上半年實現點火且穩定運行。預計在2024年7月份商用車第四階段油耗標準執行前后，50%熱效率發動機將實行量產。

2）海外

據美國環保局中重卡溫室氣體排放模型（GEM）測算，一臺由氫內燃機驅動的2027 8級臥鋪半掛車，相比同類型的柴油發動機車輛每年可減少二氧化碳排放144公噸。當前，包括豐田、寶馬、康明斯、川崎等在內的多家企業正在積極進行氫內燃機研發。

世界上第一輛氫內燃機賽車就出自豐田手筆。

2021年5月21日開始的富士24小時耐力賽上，豐田將氫燃料電池量產車MIRAI的氫氣儲存罐裝進豐田卡羅拉掀背版賽車中，發動機則是來自GR Yaris的G16E-GTS 1.6T L3發動機，并與電裝合作開發了氫氣專用噴油嘴和火花塞，發動機將直接燃燒氫氣產生動力。

2021年7月，康明斯宣布開始氫內燃機開發的前瞻測試。此項概念驗證測試基于康明斯行業領先的氣體燃料應用和動力鏈技術基礎，旨在進一步探索先進零碳技術發展的新路徑。

2021年9月，康明斯宣布其氫燃料內燃機（H2-ICE）計劃正在開始開發中型6.7升和重型15升發動機。

康明斯公司發動機業務總裁Srikanth Padmanabhan表示：“雖然電池-電動和燃料電池-電動動力系統都非常有前景，但內燃機成熟技術中的綠色氫配對技術也可為未來的零排放解決方案提供重要補充。”

近日，空客舉行新聞發布會，宣布其與 CFM 發動機公司（美國 GE 與法國賽鋒合資組建的發動機公司）合作開發和測試氫內燃機。該項目的目標是在 2026 年前開始使用空客 A380 飛機進行飛行測試，以支持空客零排放項目的目標。

A380 載裝 Passport 發動機的 H2 空中試驗機將在 2026 年底前試飛，這將使技術選擇在 2027 年前最終確定。空客第一架零排放飛機的配置將在本世紀末決定。空客正在研究三到四種配置，乘客在 100 到 150 人之間，航程在1800 到 3600 公里之間。每一種配置都與特定的技術選擇有關——一些與氫燃料電池有關，另一些與直接氫氣燃燒有關。

發展現狀

氫內燃機領域展開布局的企業多以汽車零部件巨頭及車企為主。

原因在于：車用內燃機作為我國碳排放“大戶”以及交通運輸的主要動力，面臨著雙碳目標下新舊動能轉換的“大考”，大部分汽車零部件巨頭及車企均加快了技術探索的步伐，而集合了“發動機＋氫能”基因的氫內燃機成為這些企業的重要突破點。

氫燃料發動機結構與現有內燃機相似，車企和內燃機企業可以發揮在內燃機方面的技術優勢，甚至保留整條內燃機產業鏈條，可以輕松地將氫內燃機裝配到現有車輛系統中，大多數零部件和軟件可以保持不變。

因此，氫內燃機的研發推進，對主機廠具備極大的吸引力。