氫燃料內燃機技術解析

氫燃料內燃機的開發歷史及當時的技術局限

氫燃料內燃機最早的研究可以追溯到20世紀30年代末，自20世紀70年代以來，氫內燃機逐步在汽車工業中得到重視。包括寶馬、大眾、馬自達、曼等在內的汽車公司將氫燃料內燃機應用于車用領域，其中寶馬更是開發了示范車隊。但是，由于種種原因最終在21世紀初逐步放棄了氫內燃機的開發。

首先，當時寶馬采用液態儲氫技術來解決氫燃料內燃機的供氫問題。但液態儲氫技術不僅帶來氫氣液化的高成本，而且還存在液態氫蒸發的問題難以解決。該技術路線目前尚未在車用儲氫技術中得到應用。

第二，氫內燃機的系統熱效率低于汽油機和燃料電池。較低的系統熱效率主要是由于較窄的稀薄燃燒區域和較低的幾何壓縮比。為了實現更高的系統熱效率，需要在更高的負荷區域實現稀薄燃燒，這對于自然吸氣發動機來說是很難實現的。同時還需要專門設計的氫氣噴油器來提供足夠的氫氣質量流量。此外，為了抑制爆震和表面點火等非正常燃燒，較低的幾何壓縮比（9.5左右）進一步限制了熱效率的提升。上述兩個缺點使得氫氣內燃機的熱效率潛力沒有得到充分挖掘。

第三，由于液態儲氫的使用和系統效率低導致氫燃料內燃機車輛的續駛里程遠低于汽油車輛，NEDC下純氫驅動的續駛里程僅200km。

第四 ，早期開發的氫燃料內燃機功率扭矩較低，無法與汽油發動機相提并論。由于采用自然吸氣的氫氣進氣道噴射，因此缸內混合熱值較低，最大功率和扭矩受到限制，如寶馬的氫燃料內燃機升功率僅32kw/L。

第五，由于實現均勻混合氣稀薄燃燒的工況范圍較窄，因此，原始NOx排放較高。即使使用了NOx后處理裝置，整車的NOx排放仍然是美國超低排放(SULEV)的3.9%，沒有實現零排放。

第六，氫氣基礎設施的缺乏對于氫內燃機的應用起到了非常重要的限制作用，特別是用于液態儲氫的加氫站更少。

綜合上述六個原因，早期氫內燃機的技術不成熟和基礎設施缺乏導致大多數汽車公司放棄了開發計劃，未能實現量產。

相比20年前，氫燃料內燃機的技術進步和可行性

近20年來，燃料電池和內燃機均取得了很大的技術進步。這些技術進步將有助于解決上述氫燃料內燃機面臨的六個關鍵問題。

首先，氫燃料內燃機可以使用已經在燃料電池中獲得應用的高壓儲氫技術。高壓儲氫是當前車用儲氫的主流技術，有效避免了液態儲氫的問題。在乘用車上，700bar高壓儲氫技術已經在燃料電池中得到了應用。

第二，系統熱效率可以大幅提高，短期內有望達到45%的有效熱效率。熱效率的提高，一方面是由于增壓技術在液體燃料內燃機中的進步，可以幫助氫燃料內燃機在更大工況范圍下實現Lambda>2.5的稀薄燃燒。另一方面，通過單缸雙氫氣噴嘴氣道噴射或者缸內直噴氫氣解決了大負荷區域供氫量的問題。此外，當前應用在高壓縮比(12)增壓汽油機中的技術也可以應用在氫燃料內燃機中，如米勒循環、活塞冷卻、水套和活塞優化設計等，從而提高氫燃料內燃機的幾何壓縮比。

第三，動力總成電氣化技術結合上述的高壓儲氫和高熱效率氫燃料內燃機，將有效提高整車的續駛里程。使用已在汽油機乘用車中獲得應用的串并聯混合動力技術，氫燃料內燃機的整車NEDC續航有望超過700km。

第四，由于缸內直噴氫氣噴射技術和渦輪增壓技術的進步，氫燃料內燃機升功率和升扭矩均獲得了很大提升，2.0L排量即可以滿足乘用車和輕型商用車的使用需求。如圖2所示，相比BMW在2006年發布的世界第一款批產氫燃料內燃機，當前的增壓直噴氫燃料內燃機的升功率和升扭矩均大幅增加。

圖2 缸內直噴和增壓技術使得氫燃料內燃機的升功率和升扭矩大幅提高

第五，如圖3所示，原始HC和CO排放值達到了汽車工業用排放測試設備的最小測試極限。同時，由于實現了Lambda>2.5的均勻混合氣稀薄燃燒，原始NOx排放在接近一半的工況下達到了小于10ppm的水平，如圖4所示。如果采用混合動力技術（如串并聯混動），則可以將發動機工況點控制在NOx小于10ppm的區域。而為了實現整車近零排放，可以沿用在柴油機領域應用較為成熟SCR后處理技術。

圖3  2.0L缸內直噴、渦輪增壓氫燃料內燃機的原始HC和CO排放

圖4  2.0L缸內直噴、渦輪增壓氫燃料內燃機的原始NOx排放及混合動力總成下發動機運行工況點(WLTC)

第六 ，當前適合高壓儲氫的加氫站建設速度明顯加快。今年1月到5月，國內新增了越來越多的加氫站。

總結

氫燃料內燃機的零碳排放特性使其成為實現汽車低碳化發展的重要技術路徑之一。過去20年來在燃料電池、內燃機以及混合動力總成的技術進步，使得氫燃料內燃機可以充分利用現有產業基礎，促進其在車用動力中的應用。同時，氫燃料內燃機具備的成本優勢，將有助于提高氫氣的使用需求，從而推動氫基礎設施的建設。