＊祝勇 黃翔 陳昊 倪培永 張學(xué)文*

（1.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司乘用車(chē)分公司 上海 201804）

（2.南通大學(xué) 江蘇 226019）

1.概述

當(dāng)前社會(huì)能源體系建立在以石油、天然氣等一次性能源上，伴隨著能源需求提升，環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問(wèn)題日漸突出。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)大力發(fā)展太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能等綠色能源，我國(guó)也提出了在2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。大多數(shù)可再生能源因其固有的隨機(jī)性和波動(dòng)性，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的光能、風(fēng)能等損失。氫作為化學(xué)儲(chǔ)能型能源，可以有效回收廢棄能量，以及高能量密度（140MJ/kg，煤炭4.5倍，石油3倍）和清潔無(wú)污染的特性被視為未來(lái)能源技術(shù)方向[1-2]。

2.為什么選擇氫內(nèi)燃機(jī)

氫能源利用方式很多，其中以氫燃料電池和氫內(nèi)燃機(jī)最受關(guān)注。氫燃料電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，直接將氫燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能源利用率高、工況平穩(wěn)、能實(shí)現(xiàn)零排放，一度被認(rèn)為是氫能源最有效的利用方式。但氫氣純度要求高（99.99%），依賴(lài)于稀有金屬鉑，以及尚未完善的工業(yè)體系，以致于氫燃料電池的價(jià)格一直居高不下。在可以預(yù)見(jiàn)時(shí)間段內(nèi)，氫燃料電池很難通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)來(lái)滿(mǎn)足全社會(huì)需求。相反，氫內(nèi)燃機(jī)雖然在能源利用、排放方面有所不足，但在結(jié)構(gòu)上和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)差距不大，氫內(nèi)燃機(jī)的生產(chǎn)可以依托于現(xiàn)有的工業(yè)體系，在低成本進(jìn)行批量化生產(chǎn)。從整體上看，在氫能源利用方面，氫內(nèi)燃更有希望在汽車(chē)行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)使用。

(1)使用氫能源的優(yōu)勢(shì)

①降低當(dāng)?shù)匚廴尽?/p>

②減少全球二氧化碳排放。

③解決石油、天然氣等不可再生能源對(duì)人類(lèi)發(fā)展的制約問(wèn)題。

(2)相對(duì)于氫燃料電池，氫內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)勢(shì)

①大部分零件與汽油機(jī)/柴油機(jī)相同，物料成本低約為1.3萬(wàn)元。

②可使用現(xiàn)有生產(chǎn)線，節(jié)約成本。

③耐久性高，約為30萬(wàn)公里。

④對(duì)氫氣純度要求低，不依賴(lài)稀有金屬。

總得來(lái)看，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)在于成本和產(chǎn)業(yè)化前景。

3.氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

截至目前，氫內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，早在2000年，福特汽車(chē)就正式開(kāi)始?xì)鋬?nèi)燃機(jī)研究，隨后國(guó)外如寶馬、馬自達(dá)等汽車(chē)公司，國(guó)內(nèi)如長(zhǎng)安汽車(chē)等公司先后投入資金進(jìn)行氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)。

氫內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，在深入研究過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)回火、氫脆、排放等問(wèn)題相繼出現(xiàn)。因?yàn)檐?chē)載儲(chǔ)氫問(wèn)題無(wú)法解決、氣道噴氫導(dǎo)致動(dòng)力不足、加氫站不完善等問(wèn)題，寶馬等汽車(chē)公司先后放棄了氫內(nèi)燃機(jī)在汽車(chē)使用上的探索。在之后的時(shí)間里，氫內(nèi)燃機(jī)在汽車(chē)運(yùn)用上的發(fā)展陷入停滯。雖然如此，但國(guó)內(nèi)外對(duì)于氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)上的研究從未間斷，隨著時(shí)間推移，技術(shù)和材料有了突破性發(fā)展，車(chē)載儲(chǔ)氫、燃燒、排放等問(wèn)題得到有效解決，氫內(nèi)燃機(jī)在近幾年被重新予以重視。2019年，上汽集團(tuán)和博世集團(tuán)分別發(fā)布了2.0T的缸內(nèi)直噴增壓氫內(nèi)燃機(jī)。隨后的2021年里，豐田公司的氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)豐田-卡羅拉在日本富士賽道進(jìn)行了24h拉力賽，國(guó)內(nèi)，一汽、廣汽、長(zhǎng)城等汽車(chē)公司也分別推出不同型號(hào)的缸內(nèi)直噴增壓氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)樣品。

總體上，氫內(nèi)燃機(jī)的研究可以分為兩階段。第一個(gè)階段是2000年-2007年，以寶馬汽車(chē)公司為代表的氣道噴氫內(nèi)燃機(jī)階段；第二個(gè)階段是從2019年至今，由上汽集團(tuán)和博世引領(lǐng)的缸內(nèi)直噴氫內(nèi)燃機(jī)階段。

4.氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)問(wèn)題及發(fā)展現(xiàn)狀

(1)車(chē)載儲(chǔ)氫

有關(guān)于氫氣儲(chǔ)存的問(wèn)題一直以來(lái)都是氫能源相關(guān)技術(shù)研究的難題，氫氣分子尺寸小，容易滲透到儲(chǔ)存罐體材料中將材料氫化，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象；同時(shí)，氫氣易燃、易爆的性質(zhì)制約了氫能源的應(yīng)用場(chǎng)景[3]。尤其是在車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)上，需要在有限空間內(nèi)存儲(chǔ)足夠量氫能源燃料保證續(xù)航能力，更是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。目前，氫氣儲(chǔ)存方式研究方向主要有高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫三大類(lèi)。

早在十九世紀(jì)末，鍛造金屬容器就被用與氫氣儲(chǔ)存，儲(chǔ)氫壓力達(dá)12M。由于氫分子很容易滲入鋼瓶中腐蝕鋼瓶，產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，氣瓶在高壓下有爆裂風(fēng)險(xiǎn)[4]，所以不用于車(chē)載儲(chǔ)氫。1963年，Brunswick公司研發(fā)出塑料內(nèi)膽玻璃纖維全纏繞復(fù)合高壓氣瓶。2001年，Quantum成功研發(fā)出采用聚乙烯內(nèi)膽碳纖維全纏繞結(jié)構(gòu)，工作壓力為70MPa的高壓儲(chǔ)氫瓶。

在車(chē)載領(lǐng)域，運(yùn)用最廣泛的儲(chǔ)氫技術(shù)是高壓儲(chǔ)氫氣瓶。隨著車(chē)載儲(chǔ)氫應(yīng)用需求不斷提高，輕質(zhì)高壓是對(duì)儲(chǔ)氫瓶的最終要求。目前，高壓儲(chǔ)氫容器已經(jīng)由全金屬（Ⅰ型瓶）發(fā)展到塑料內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（Ⅳ型瓶）。不同類(lèi)型高壓儲(chǔ)氫氣瓶比較見(jiàn)表1。

表1 不同類(lèi)型儲(chǔ)氫瓶對(duì)比[3]

Ⅰ型儲(chǔ)氫罐因?yàn)榧兘饘傩再|(zhì)不適用于車(chē)載儲(chǔ)氫，目前Ⅲ型和Ⅳ型是復(fù)合材料制氫氣瓶的主流。主要由內(nèi)膽和碳纖維材料組成（如圖1），纖維材料呈環(huán)狀或螺旋狀纏繞在內(nèi)膽外圍，能有效提高內(nèi)膽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在汽車(chē)領(lǐng)域，Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶已經(jīng)在國(guó)外成功商用；我國(guó)對(duì)于高壓儲(chǔ)氫研究起步較晚，受碳纖維技術(shù)和纖維纏繞加工技術(shù)所限，目前仍致力于Ⅲ型儲(chǔ)氫瓶發(fā)展。

圖1 高壓復(fù)合儲(chǔ)氫罐結(jié)構(gòu)

(2)爆燃、早燃及回火

氫內(nèi)燃機(jī)存在的問(wèn)題和其優(yōu)勢(shì)密不可分。氫氣燃燒時(shí)傳播速度極快（大約為汽油燃燒時(shí)的9倍），會(huì)導(dǎo)致燃燒時(shí)間過(guò)短，燃燒做功時(shí)間短，無(wú)法克服壓縮功，容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，即產(chǎn)生爆燃問(wèn)題；其次，因?yàn)闅錃馊键c(diǎn)低，內(nèi)燃機(jī)中火花塞電機(jī)過(guò)熱、熱沉積物等都會(huì)導(dǎo)致氫氣發(fā)生自然，出現(xiàn)早燃問(wèn)題；同時(shí)因?yàn)槿紵齻鞑ニ俣瓤?，此時(shí)進(jìn)氣門(mén)未關(guān)閉，火焰會(huì)進(jìn)入進(jìn)氣管，發(fā)生回火現(xiàn)象。

目前，各公司推進(jìn)直噴技術(shù)，直接在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)噴氫氣，不僅消除了氫氣占用氣缸容積的問(wèn)題，還大幅提高了氫內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性，與進(jìn)氣道噴射相比，直噴氫內(nèi)燃機(jī)可以在進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉后噴氫，避免氫氣回流導(dǎo)致的回火問(wèn)題。缸內(nèi)直噴和進(jìn)氣道噴射比較見(jiàn)表2[5]。

表2 缸內(nèi)直噴和進(jìn)氣道噴氫特點(diǎn)比較

選用缸內(nèi)直噴氫內(nèi)燃機(jī)，會(huì)因?yàn)榛旌掀鞣植坎痪?，過(guò)早點(diǎn)火會(huì)產(chǎn)生早燃、爆震現(xiàn)象[6]。S.Verhelst總結(jié)了爆震強(qiáng)度和未燃混合器質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的關(guān)系，可以總結(jié)出，氫內(nèi)燃機(jī)抑制爆震主要方法有：優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)、優(yōu)化噴射策略、采用EGR和噴水降低干缸內(nèi)溫度、利用增壓技術(shù)，提升爆震邊界[7]。

(3)排放

氫內(nèi)燃機(jī)理論上有H2、HC、CO、CO2、NO五種排放產(chǎn)物，其中CO、CO2、HC這三種污染物由機(jī)油燃燒產(chǎn)生，排放濃度均較小。作為氫內(nèi)燃機(jī)主要排放物，是氮?dú)?、氧氣在氣缸高溫下反?yīng)形成，排放量最高可達(dá)0.02g/kW·h[8]，所以，控制的排放是控制氫內(nèi)燃機(jī)排放的重點(diǎn)。目前，降低排放的手段主要有以下幾種。

①稀薄燃燒和噴射參數(shù)優(yōu)化

氫內(nèi)燃機(jī)排放量與過(guò)量空氣系數(shù)λ密切相關(guān)。當(dāng)λ達(dá)到2.5時(shí)，達(dá)到零界點(diǎn)（如圖2）。

圖2 空氣系數(shù)對(duì)排放的影響

因此，控制過(guò)量空氣系數(shù)是減少氫內(nèi)燃機(jī)排放最有效的方式。為保證內(nèi)燃機(jī)燃燒穩(wěn)定性，λ一般小于3.3，所以λ取2.5～3.3之間時(shí)，既能使排放歸零，又能保證氫氣燃燒的穩(wěn)定性。通過(guò)機(jī)械增壓或者渦輪增壓提高進(jìn)氣壓力以保證氫內(nèi)燃機(jī)在稀薄燃燒下的動(dòng)力性，使氫內(nèi)燃機(jī)始終保持在λ＞2.5的工況下工作，此時(shí)排放通常小于0.1g/kW·h。

T.Wanner等人對(duì)噴射相位對(duì)排放的研究，得出在部分負(fù)荷下噴射提前，排放降低；而在大負(fù)荷工況下，推遲噴射會(huì)導(dǎo)致排放降低。這是因?yàn)樵诓糠止r下，整體燃燒稀薄，提前噴射可使混合氣混合時(shí)間延長(zhǎng)形成低濃度均勻混合氣，降低排放；在大負(fù)荷工況下，推遲噴射可使缸內(nèi)混合氣出現(xiàn)分層，避開(kāi)高排放階段降低排放[9]。

②EGR技術(shù)和噴水技術(shù)

EGR即廢氣再循環(huán)技術(shù)，通過(guò)EGR技術(shù)，提高進(jìn)氣比熱，能顯著降低燃燒溫度和燃燒速率，從而有效降低排放[10]。C.Bleechmore對(duì)比了冷熱EGR對(duì)氫氣內(nèi)燃機(jī)的影響，在化學(xué)當(dāng)量比濃度下，排放分別降低87%和93%。同時(shí)使用冷EGR會(huì)對(duì)燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，平均有效壓力循環(huán)變動(dòng)系數(shù)從1.7%上升到了2.6%。

噴水技術(shù)在原理和EGR技術(shù)類(lèi)似，但相對(duì)于EGR技術(shù)，噴水技術(shù)能更精準(zhǔn)的調(diào)控燃燒工質(zhì)和控制燃燒溫度，且不會(huì)大幅度影響內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力性能。噴水技術(shù)按照噴射方式可分為進(jìn)氣道噴水和缸內(nèi)直噴兩種形式。

③后處理技術(shù)

除了上述缸內(nèi)降低排放的手段外，還需要在缸外進(jìn)一步處理排放物，使氫內(nèi)燃機(jī)能滿(mǎn)足日益嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)。

在日本東京城市大學(xué)，提出了一種新型的尾氣排放后處理技術(shù)，一種兩段式氮氧化物存儲(chǔ)還原系統(tǒng)（NSR）和氧化催化劑（DOC）組合系統(tǒng)，該系統(tǒng)的工作原理是利用未完全燃燒的氫氣或是在后處理系統(tǒng)中噴入低壓氫氣在NSR中還原，其中DOC系統(tǒng)負(fù)責(zé)氧化未反應(yīng)完全的氧氣和在還原過(guò)程中產(chǎn)生的氨氣。從文獻(xiàn)[11]中可知，NOx的凈化率可以達(dá)到98%，而氫氣的消耗量只增加0.2%～0.5% NOX。這套后處理技術(shù)在整車(chē)運(yùn)行上得到的效果更為明顯，可使循環(huán)排放從1.07g/kW·h降低至0.08g/kW·h。

在文獻(xiàn)[12]中，kang對(duì)LNT（lean trap）、SCR（selective catalytic reduction）后處理技術(shù)進(jìn)行研究，利用發(fā)動(dòng)機(jī)混合器濃度變化進(jìn)行周期性吸附-催化-還原和化學(xué)反應(yīng)徹底去除少量NOx排放，實(shí)現(xiàn)雙零排放。

5.總結(jié)

近年來(lái)，氫內(nèi)燃機(jī)在實(shí)際使用方面已經(jīng)取得了重大的進(jìn)展，氫內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)業(yè)化前景比較明朗，短期內(nèi)，氫內(nèi)燃機(jī)比氫燃料電池更適合用于實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰目標(biāo)的手段。

氫內(nèi)燃機(jī)在儲(chǔ)氫、燃燒、排放等方面的問(wèn)題已經(jīng)有了比較好的解決方案，為氫內(nèi)燃機(jī)未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化提供了有力支撐。但同時(shí)，就當(dāng)前技術(shù)形式下，國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)氫技術(shù)、氫氣噴射技術(shù)還需要進(jìn)一步提升，并且由于氫燃料和柴油、汽油燃料的差異性，應(yīng)當(dāng)盡早根據(jù)氫燃料特性，擺脫原有內(nèi)燃機(jī)的框架，建立新的氫內(nèi)燃體系。