在全球節(jié)能減排的大背景下，交通運輸行業(yè)加快推進(jìn)減碳、脫碳進(jìn)程已迫在眉睫。氫能已成為商用車和內(nèi)燃機(jī)企業(yè)競逐的焦點。其中，氫內(nèi)燃機(jī)不但能滿足減排要求，而且在使用成本上可與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相媲美。這一獨特優(yōu)勢，使其在眾多新能源動力技術(shù)競爭中脫穎而出，成為眾多企業(yè)優(yōu)先采納的解決方案。

01 氫內(nèi)燃機(jī)的定義

氫內(nèi)燃機(jī)是一種利用氫氣作為燃料的內(nèi)燃機(jī)。與傳統(tǒng)的汽油或柴油內(nèi)燃機(jī)不同，氫內(nèi)燃機(jī)燃燒氫氣時產(chǎn)生的主要排放物是水蒸氣，因此它被認(rèn)為是一種清潔的能源技術(shù)。氫氣通過與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出能量，推動發(fā)動機(jī)的活塞運動，從而產(chǎn)生動力。

氫內(nèi)燃機(jī)的研究和發(fā)展可以追溯到19世紀(jì)初。瑞士人伊薩克·代·李瓦茨在1807年制成了世界上第一款氫氣內(nèi)燃機(jī)。然而，由于當(dāng)時技術(shù)水平的限制，氫氣內(nèi)燃機(jī)并未得到廣泛應(yīng)用。1968年，前蘇聯(lián)科學(xué)院用汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)行了分別燃用汽油和氫的試驗，改用液氫的結(jié)構(gòu)方案，發(fā)動機(jī)熱效率提高，熱負(fù)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(fā)動機(jī)是一臺增壓的六缸四沖程內(nèi)燃機(jī)，充裝一次液氫后行駛274km。上世紀(jì)70年代后，蘇聯(lián)、德國、日本、美國、中國都有氫內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)投入，主要是實驗室產(chǎn)品和概念車。

例如，寶馬公司從1978年開始研發(fā)以氫氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車，并成功推出了幾代氫燃料內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的轎車。

02 氫內(nèi)燃機(jī)的工作原理

氫內(nèi)燃機(jī)的工作原理與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)類似，但其燃料供給系統(tǒng)和燃燒過程有所不同。在氫內(nèi)燃機(jī)中，氫氣通常以氣態(tài)形式儲存，并通過精確控制的噴射系統(tǒng)注入到燃燒室中。由于氫氣的

燃燒速度非常快，因此需要對點火時機(jī)和混合氣的濃度進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)，以確保發(fā)動機(jī)運行的平穩(wěn)和效率。

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

03 氫內(nèi)燃機(jī)的構(gòu)造

氫內(nèi)燃機(jī)的構(gòu)造和汽柴油內(nèi)燃機(jī)類似。部分設(shè)備需要為了應(yīng)用氫氣而進(jìn)行改良。

素材來源：寶馬汽車（AI生成背景）

1、改進(jìn)的燃燒系統(tǒng)氣門和氣門座：由于氫氣的特殊性質(zhì)，氫內(nèi)燃機(jī)需要硬化氣門和氣門座，以提高耐久性和抗腐蝕性。連桿：更堅固的連桿用于承受更高的燃燒壓力。火花塞：非鉑金尖頭火花塞，因為鉑金在高溫下可能會與氫氣發(fā)生反應(yīng)。點火線圈：更高電壓的點火線圈，以確保氫氣能夠可靠地點燃。

2、燃料供給系統(tǒng)噴油器：專為氣體而不是液體設(shè)計的噴油器，用于將氫氣精確地噴射到燃燒室內(nèi)。進(jìn)氣歧管：改良的進(jìn)氣歧管，以優(yōu)化氫氣與空氣的混合。增壓器：正壓增壓器，幫助提高進(jìn)氣效率。

3、發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)電子控制單元（ECU）：用于精確控制氫氣的噴射量和點火時機(jī)，以優(yōu)化燃燒效率和排放。

4. 其他改進(jìn)曲軸阻尼器：更大的曲軸阻尼器，以吸收燃燒過程中產(chǎn)生的振動。缸墊材料：更強(qiáng)的缸墊材料，以應(yīng)對氫氣燃燒產(chǎn)生的高溫。發(fā)動機(jī)油：高溫發(fā)動機(jī)油，以保護(hù)發(fā)動機(jī)內(nèi)部部件免受高溫影響。

04 氫內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)勢

此外，氫氣的補(bǔ)充過程比充電電池快得多，這使得氫內(nèi)燃機(jī)在某些應(yīng)用場景中具有明顯的優(yōu)勢。

圖片來源：濰柴動力

高效：氫氣的能量密度高，意味著它可以提供較高的能量輸出，這意味著在相同體積或重量下，氫內(nèi)燃機(jī)可以提供更長的行駛距離。

低成本：氫內(nèi)燃機(jī)的成本相對較低，特別是與氫燃料電池相比。氫內(nèi)燃機(jī)的裝置成本與汽油機(jī)相當(dāng)，而且大部分零部件可以與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)通用，這大大降低了開發(fā)和生產(chǎn)的成本。此外，氫內(nèi)燃機(jī)對氫氣燃料的純度要求較低，無需深度提純，這也進(jìn)一步降低了成本。

環(huán)保：氫內(nèi)燃機(jī)的排放物主要是水蒸氣，幾乎沒有其他有害物質(zhì)，如二氧化碳、一氧化碳和碳煙顆粒，因此對環(huán)境友好。

適用性和兼容性高：氫內(nèi)燃機(jī)可以沿用現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)體系進(jìn)行開發(fā)，大部分零部件與現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)成熟產(chǎn)品通用。這意味著氫內(nèi)燃機(jī)可以在現(xiàn)有的生產(chǎn)線中制造，無需大規(guī)模的投資建設(shè)新的工廠和設(shè)備。

無冷啟動問題：氫內(nèi)燃機(jī)不需要熱機(jī)，不存在冷啟動問題，具有較好的燃料經(jīng)濟(jì)性。這對于寒冷地區(qū)的車輛使用尤為重要。

05 氫內(nèi)燃機(jī)存在的問題

雖然氫內(nèi)燃機(jī)有諸多優(yōu)勢，但其自身發(fā)展依然存在不少問題。首先是氫內(nèi)燃機(jī)的化學(xué)計量空燃比為34:1，這意味著需要兩倍的空氣來完成燃燒產(chǎn)生能量，在相同氣缸容量下，汽油機(jī)的功率是氫內(nèi)燃機(jī)的兩倍以上，為了抵消這種功率損失，氫發(fā)動機(jī)必須變大，加上發(fā)動機(jī)材料的改良可能導(dǎo)致的重量增加，也會影響車輛的經(jīng)濟(jì)性。其次就是老生常談的安全性問題，氫氣必須減溫或者加壓讓其以液態(tài)方式儲存，這對材料的要求非常高，不過這不是不能解決的問題。另外一個就是防止泄漏的問題，畢竟氣態(tài)下的氫氣極不穩(wěn)定，所以需要安裝特殊的傳感器進(jìn)行監(jiān)控。未來技術(shù)升級可能用金屬儲氫來彌補(bǔ)氫氣泄露的問題。金屬儲氫擁有的能量9倍于普通氫，極有可能成為未來航天界的新型燃料，至于民用化應(yīng)用，則可能再需要些時日。

06 國內(nèi)氫內(nèi)燃機(jī)的政策支持

去年8月，工信部對以“關(guān)于鼓勵發(fā)展零碳排放氫氣發(fā)動機(jī)”為主題的建議作出答復(fù)，下一步將積極配合相關(guān)部門制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略，研究推動將氫氣內(nèi)燃機(jī)納入其中予以支持。工信部將根據(jù)氫氣發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用推廣情況，進(jìn)一步評估現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系的適應(yīng)性和差異性，提前布局相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研，適時推動急需標(biāo)準(zhǔn)制定，有力支撐氫氣汽車科學(xué)合理發(fā)展。去年12月，工信部印發(fā)《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》，再次提出發(fā)展氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)。技術(shù)多樣化發(fā)展能夠最大程度保障氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向不發(fā)生嚴(yán)重偏離，因此國內(nèi)在積極推動燃料電池技術(shù)發(fā)展的同時，也同樣沒有放棄對氫內(nèi)燃機(jī)的關(guān)注。一些跡象表明，國內(nèi)對氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的探索正悄然興起。

07 氫內(nèi)燃機(jī)相關(guān)企業(yè)

氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域展開布局的企業(yè)多以汽車零部件巨頭及車企為主。原因在于：車用內(nèi)燃機(jī)作為我國碳排放“大戶”以及交通運輸?shù)闹饕獎恿?，面臨著雙碳目標(biāo)下新舊動能轉(zhuǎn)換的“大考”，大部分汽車零部件巨頭及車企均加快了技術(shù)探索的步伐，而集合了“發(fā)動機(jī)＋氫能”基因的氫內(nèi)燃機(jī)成為這些企業(yè)的重要突破點。 

一汽解放：

2021年4月，由中國一汽自主設(shè)計研發(fā)的首款紅旗2.0L氫能專用發(fā)動機(jī)在研發(fā)總院試制所順利下線交付，并于當(dāng)月在北理工實現(xiàn)點火。該發(fā)動機(jī)基于中國一汽最先進(jìn)的第三代汽油機(jī)產(chǎn)品平臺自主研發(fā)，發(fā)動機(jī)排量2升，目標(biāo)熱效率大于42%。2023年10月16日，一汽解放表示，將不斷加大氫內(nèi)燃機(jī)方面的研發(fā)投入，在2022年首發(fā)點火后，一直在推進(jìn)開發(fā)工作，目前已進(jìn)入整車試制階段，計劃2024年3月交付用戶示范運行。

 廣汽集團(tuán)：

2021年9月，廣汽集團(tuán)自主研發(fā)的首款氫氣發(fā)動機(jī)點火成功。該發(fā)動機(jī)基于廣汽第四代發(fā)動機(jī)平臺自主研發(fā)，廣汽集團(tuán)擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，采用了多種新技術(shù)，以確保發(fā)動機(jī)平穩(wěn)運行，熱效率可達(dá)44%。 

玉柴集團(tuán)： 

2020年，玉柴集團(tuán)已經(jīng)完成了50%熱效率內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)研發(fā)工作。2021年12月，玉柴集團(tuán)在北理工發(fā)布中國首臺商用車燃?xì)浒l(fā)動機(jī)YCK05。該燃?xì)浒l(fā)動機(jī)采用高壓多點進(jìn)氣道噴射技術(shù)、高效低慣量渦輪增壓技術(shù)、氫氣專用SCR后處理、高效稀薄燃燒技術(shù)等多項先進(jìn)的專項技術(shù)，并對整機(jī)結(jié)構(gòu)、燃燒和配氣等子系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化升級，攻克了燃?xì)浒l(fā)動機(jī)易回火、易爆震等技術(shù)難題，熱效率達(dá)到42%，能廣泛應(yīng)用于公交、市政、環(huán)衛(wèi)、物流配送等場景。

康明斯：

2021年7月，康明斯宣布開始?xì)鋬?nèi)燃機(jī)開發(fā)的前瞻測試。此項概念驗證測試基于康明斯行業(yè)領(lǐng)先的氣體燃料應(yīng)用和動力鏈技術(shù)基礎(chǔ)，旨在進(jìn)一步探索先進(jìn)零碳技術(shù)發(fā)展的新路徑。2021年9月，康明斯宣布其氫燃料內(nèi)燃機(jī)（H2-ICE）計劃正在開始開發(fā)中型6.7升和重型15升發(fā)動機(jī)。

德國道依茨股份 ：

道依茨公司是一家有超百年歷史的全球領(lǐng)先動力系統(tǒng)獨立制造廠商，于1864年創(chuàng)立于德國科隆，先后開發(fā)了世界上第一臺往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、四沖程內(nèi)燃機(jī)、礦用內(nèi)燃機(jī)車、風(fēng)冷柴油機(jī)。來源：商用車診斷儀公眾號、電能車志等。