国内对氢内燃机领域的探索正悄然兴起。

近期,国内多家商用车和零部件企业相继发布氢内燃机研发成果。诸如,一汽解放自主设计开发的国内首款重型商用车缸内直喷氢气发动机已实现平稳运行;中国重汽、潍柴动力联合发布全国首款配装13L氢内燃机的重卡车型。除此之外,玉柴YCK16H燃氢发动机、上海新动力首台直喷式氢气发动机也已成功点火。纵观全球市场,今年5月,康明斯对外展示了一款15L氢内燃机产品,并随后宣布加入氢能发动机联盟。据悉,该联盟成员还有博世、戴姆勒卡车和卡尔斯鲁厄理工学院等。

短短几个月内,氢内燃机产品密集发布,它为何突然就火了?


氢内燃机何以大火

事实上,氢内燃机并不是一个新鲜事物,早在上世纪70年代,就有大批汽车企业和科研机构投入到相关研究中,经过几十年的努力,虽取得了一定成果,但并没有一款氢能发动机量产上市。沉寂许久后,氢内燃机于近两年才逐渐回归到各大车企的视野之中。

在业内人士看来,在纯电动、燃料电池技术大行其道的当下,商用车和内燃机企业重新将注意力转向氢内燃机的研发,这与全球性碳中和目标紧密相关。

在全球节能减排的大趋势下,汽车及交通行业加快推进减碳、脱碳进程势在必行。商用车行业作为助力减碳任务的主战场,正面临着新旧动能转换的“大考”。长期来看,电动化无疑是商用车产业达成“双碳”目标的核心路径,但中短期内,内燃机在道路交通运输领域,仍具有不可替代的重要作用。在此背景下,传统车企和内燃机企业积极寻求转型升级,发展内燃机燃料多元化技术路线,推动内燃机应用低碳清洁新能源,已成为业内共识。

“面对多种技术路线之争,各大头部企业并没有‘一意孤行’,而是积极在做‘多选题’,这是很好的趋势,有利于企业从容应对市场变化,也能最大程度避免产业发展方向严重偏离。”天津大学教授姚春德指出,氢能是“双碳”战略目标下,实现能源转型升级的重要支撑,基于氢能的各种技术路线的研发,已成为车企和内燃机企业的迫切需求。作为氢能在车用领域发展的重要路径,氢内燃机既能满足减排要求,又可以充分利用现有内燃机行业的研发、制造、供应链资源,快速实现量产,并在最终成本上做到与传统内燃机接近,这是其他新能源技术都无法比拟的。

“氢内燃机最为突出的是成本优势和推广优势。”工信部甲醇汽车推广应用专家指导委员会秘书长魏安力进一步分析称,一方面,氢内燃机具有多燃料适应性,可以使用纯氢为燃料,也可通过与锂电池配合,形成混动方案,能有效降低对石油的依赖性;另一方面,可以使内燃机资源得到最大化利用,延长生产装备生命周期。氢内燃机保留了传统内燃机的主要架构和系统,不需要重新构建产业链,其技术实现的难度和成本投入远小于燃料电池。

此外,从使用角度来看,氢内燃机没那么“娇贵”,对氢气的纯度要求不高,也不依赖稀有金属,而且在高负荷区具有较高的综合效率,对于承担货物运输的中重卡来说,氢内燃机是更经济、更高效的选择。今年全国两会上,全国人大代表、广西玉柴机器股份有限公司新品试制装配工段工段长许燕妮也提出,氢内燃机成本低、加氢快,而且无里程焦虑,具有在商用车全领域应用的潜力。

潍柴动力技术部门相关负责人表示,在原有内燃机产业链基础上,以氢气作为燃料来实现“零碳排放”,对于助力实现“双碳”目标、推动内燃机产业持续升级,以及推动商用车能源多元化发展具有重要意义。


氢气缸内燃烧技术提升

多年前,氢内燃机受到冷落,原因是多方面的,比如技术难度大、燃烧效率低、扶持力度小、加氢站建设滞后等。如今,在“双碳”目标的指引下,沉寂多时的氢内燃机正迎来新的发展机遇。

在配套基础设施方面,近年来,在国家利好政策的助力下,氢能产业实现了快速发展,同时也促进了氢能基础设施建设以及氢能产业链的不断完善,这为氢内燃机的发展打下了良好基础。

在政策支持层面,去年8月,工信部在对十三届全国人大四次会议第5736号建议的答复中表示,下一步将积极配合相关部门制定氢能发展战略,研究推动将氢内燃机纳入其中予以支持;工信部印发的《“十四五”工业绿色发展规划》中再次提出,发展氢燃料燃气轮机。

对于氢内燃机未来的应用前景,国内外企业都非常看好,并给予了很大的期待。“作为氢燃料电池、动力电池及可再生天然气动力链的有效补充,氢能发动机项目将为公路运输行业实现可持续发展,提供更多潜在的技术选择。”康明斯副总裁、发动机事业部总工程师白纳川(Jonathon White)说道。

据了解,目前欧洲几乎所有的主流商用车和零部件企业都在关注或已开始对氢内燃机展开可行性研究。与此同时,我国的氢内燃机研发也取得了较大进展和突破。

“从综合成本、性能、可靠性、耐久性等方面来看,氢内燃机相较燃料电池更具优势。但与此同时,由于氢气点火能量低、燃烧速度快、燃烧温度高,使得氢内燃机容易发生早燃、回火和爆燃等问题,而且在燃烧效率方面也存在一定劣势。”姚春德告诉记者,从目前国内面世的氢内燃机产品公开信息来看,上述的痛点问题很多都已经被攻克,并且在热效率方面也有所突破,相关机型基本都采用高压共轨喷射、分层燃烧和稀薄燃烧等技术,让氢气在气缸内充分燃烧,提高整车的动力性和经济性。

具体来看,一汽解放自主研发的缸内直喷氢气发动机采用了氢气分层超稀薄燃烧技术、弥勒循环滚流氢气混合技术等,能够大幅提高热效率并解决回火问题,保障氢气发动机稳定高效运转,运转功率超过500马力(约合368kW),指示热效率突破55%;玉柴YCK16H采用了燃料高压共轨、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分层燃烧,动力性更强、热效率更高、稳定性更好;潍柴13L氢内燃机有效热效率达41.8%,采用的多项专有技术有效解决了氢气异常燃烧难题。

业内专家指出,国内氢内燃机的成功点火,为商用车和内燃机行业释放了积极信号。各大车企巨头未雨绸缪、做好技术储备,既可更好地应对市场和产业变局,还能占领技术制高点,在竞争激烈的市场中独占鳌头。


商业化之路仍很漫长

氢内燃机作为实现传统化石能源替代的可行性技术路线,已引起业内的广泛关注。国内外车企和内燃机企业的纷纷布局,也说明氢内燃机在商用车领域具有较为广阔的发展前景。不过,目前氢内燃机产业仍处于起步阶段,想要实现商业化,还需面临诸多挑战。

“氢内燃机在商业化推广上,同样遇到了氢燃料电池所面临的问题。比如氢气的运输、存储,以及加氢站成本高昂等制约因素。另外,从效率方面来看,氢内燃机的热效率依然是短板,相关技术有待进一步突破。”姚春德表示,只有技术难题被攻克,基础设施更完备,氢内燃机才有可能实现大规模推广应用。

在业内专家看来,想要氢内燃机实现商业化落地,需建立完善的产业生态,而这并不是一家厂商就能解决的,需要相关部门统筹规划,让制氢、储氢、运氢成为一个成熟且完善的产业链,以此降低各个环节的成本。同时,合理的政策鼓励和支持是必不可少的推动因素。

麦肯锡全球董事合伙人方寅亮也指出,氢内燃机技术路线的成熟,仅靠实验室数据是不够的,离不开商业化探索,虽然短期氢能在汽车上的应用还要克服诸多问题,但与纯电等目前的主流新能源汽车技术路线一样,都是值得坚持投入的长期事业。