氫燃料內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)歷史及當(dāng)時(shí)的技術(shù)局限

氫燃料內(nèi)燃機(jī)最早的研究可以追溯到20世紀(jì)30年代末，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，氫內(nèi)燃機(jī)逐步在汽車(chē)工業(yè)中得到重視。包括寶馬、大眾、馬自達(dá)、曼等在內(nèi)的汽車(chē)公司將氫燃料內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用于車(chē)用領(lǐng)域，其中寶馬更是開(kāi)發(fā)了示范車(chē)隊(duì)。但是，由于種種原因最終在21世紀(jì)初逐步放棄了氫內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)。

首先，當(dāng)時(shí)寶馬采用液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)來(lái)解決氫燃料內(nèi)燃機(jī)的供氫問(wèn)題。但液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)不僅帶來(lái)氫氣液化的高成本，而且還存在液態(tài)氫蒸發(fā)的問(wèn)題難以解決。該技術(shù)路線目前尚未在車(chē)用儲(chǔ)氫技術(shù)中得到應(yīng)用。

第二，氫內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)熱效率低于汽油機(jī)和燃料電池。較低的系統(tǒng)熱效率主要是由于較窄的稀薄燃燒區(qū)域和較低的幾何壓縮比。為了實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)熱效率，需要在更高的負(fù)荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)稀薄燃燒，這對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)是很難實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)還需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的氫氣噴油器來(lái)提供足夠的氫氣質(zhì)量流量。此外，為了抑制爆震和表面點(diǎn)火等非正常燃燒，較低的幾何壓縮比（9.5左右）進(jìn)一步限制了熱效率的提升。上述兩個(gè)缺點(diǎn)使得氫氣內(nèi)燃機(jī)的熱效率潛力沒(méi)有得到充分挖掘。

第三，由于液態(tài)儲(chǔ)氫的使用和系統(tǒng)效率低導(dǎo)致氫燃料內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的續(xù)駛里程遠(yuǎn)低于汽油車(chē)輛，NEDC下純氫驅(qū)動(dòng)的續(xù)駛里程僅200km。

第四 ，早期開(kāi)發(fā)的氫燃料內(nèi)燃機(jī)功率扭矩較低，無(wú)法與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)相提并論。由于采用自然吸氣的氫氣進(jìn)氣道噴射，因此缸內(nèi)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(nèi)燃機(jī)升功率僅32kw/L。

第五，由于實(shí)現(xiàn)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(chē)的NOx排放仍然是美國(guó)超低排放(SULEV)的3.9%，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)零排放。

第六，氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏對(duì)于氫內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用起到了非常重要的限制作用，特別是用于液態(tài)儲(chǔ)氫的加氫站更少。

綜合上述六個(gè)原因，早期氫內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)不成熟和基礎(chǔ)設(shè)施缺乏導(dǎo)致大多數(shù)汽車(chē)公司放棄了開(kāi)發(fā)計(jì)劃，未能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

相比20年前，氫燃料內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和可行性

近20年來(lái)，燃料電池和內(nèi)燃機(jī)均取得了很大的技術(shù)進(jìn)步。這些技術(shù)進(jìn)步將有助于解決上述氫燃料內(nèi)燃機(jī)面臨的六個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

首先，氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以使用已經(jīng)在燃料電池中獲得應(yīng)用的高壓儲(chǔ)氫技術(shù)。高壓儲(chǔ)氫是當(dāng)前車(chē)用儲(chǔ)氫的主流技術(shù)，有效避免了液態(tài)儲(chǔ)氫的問(wèn)題。在乘用車(chē)上，700bar高壓儲(chǔ)氫技術(shù)已經(jīng)在燃料電池中得到了應(yīng)用。

第二，系統(tǒng)熱效率可以大幅提高，短期內(nèi)有望達(dá)到45%的有效熱效率。熱效率的提高，一方面是由于增壓技術(shù)在液體燃料內(nèi)燃機(jī)中的進(jìn)步，可以幫助氫燃料內(nèi)燃機(jī)在更大工況范圍下實(shí)現(xiàn)Lambda>2.5的稀薄燃燒。另一方面，通過(guò)單缸雙氫氣噴嘴氣道噴射或者缸內(nèi)直噴氫氣解決了大負(fù)荷區(qū)域供氫量的問(wèn)題。此外，當(dāng)前應(yīng)用在高壓縮比(12)增壓汽油機(jī)中的技術(shù)也可以應(yīng)用在氫燃料內(nèi)燃機(jī)中，如米勒循環(huán)、活塞冷卻、水套和活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)等，從而提高氫燃料內(nèi)燃機(jī)的幾何壓縮比。

第三，動(dòng)力總成電氣化技術(shù)結(jié)合上述的高壓儲(chǔ)氫和高熱效率氫燃料內(nèi)燃機(jī)，將有效提高整車(chē)的續(xù)駛里程。使用已在汽油機(jī)乘用車(chē)中獲得應(yīng)用的串并聯(lián)混合動(dòng)力技術(shù)，氫燃料內(nèi)燃機(jī)的整車(chē)NEDC續(xù)航有望超過(guò)700km。

第四，由于缸內(nèi)直噴氫氣噴射技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)的進(jìn)步，氫燃料內(nèi)燃機(jī)升功率和升扭矩均獲得了很大提升，2.0L排量即可以滿(mǎn)足乘用車(chē)和輕型商用車(chē)的使用需求。如圖2所示，相比BMW在2006年發(fā)布的世界第一款批產(chǎn)氫燃料內(nèi)燃機(jī)，當(dāng)前的增壓直噴氫燃料內(nèi)燃機(jī)的升功率和升扭矩均大幅增加。

圖2 缸內(nèi)直噴和增壓技術(shù)使得氫燃料內(nèi)燃機(jī)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(dá)到了汽車(chē)工業(yè)用排放測(cè)試設(shè)備的最小測(cè)試極限。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)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(dá)到了小于10ppm的水平，如圖4所示。如果采用混合動(dòng)力技術(shù)（如串并聯(lián)混動(dòng)），則可以將發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)控制在NOx小于10ppm的區(qū)域。而為了實(shí)現(xiàn)整車(chē)近零排放，可以沿用在柴油機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟SCR后處理技術(shù)。

圖3  2.0L缸內(nèi)直噴、渦輪增壓氫燃料內(nèi)燃機(jī)的原始HC和CO排放

圖4  2.0L缸內(nèi)直噴、渦輪增壓氫燃料內(nèi)燃機(jī)的原始NOx排放及混合動(dòng)力總成下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)(WLTC)

第六 ，當(dāng)前適合高壓儲(chǔ)氫的加氫站建設(shè)速度明顯加快。今年1月到5月，國(guó)內(nèi)新增了越來(lái)越多的加氫站。

總結(jié)

氫燃料內(nèi)燃機(jī)的零碳排放特性使其成為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)低碳化發(fā)展的重要技術(shù)路徑之一。過(guò)去20年來(lái)在燃料電池、內(nèi)燃機(jī)以及混合動(dòng)力總成的技術(shù)進(jìn)步，使得氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以充分利用現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，促進(jìn)其在車(chē)用動(dòng)力中的應(yīng)用。同時(shí)，氫燃料內(nèi)燃機(jī)具備的成本優(yōu)勢(shì)，將有助于提高氫氣的使用需求，從而推動(dòng)氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。