摘要：盡管電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)發(fā)展迅速，但是內(nèi)燃機(jī)行業(yè)仍具有發(fā)展?jié)摿?。中?guó)內(nèi)燃機(jī)市場(chǎng)規(guī)模在2022年達(dá)到約3 500億元人民幣，同比增長(zhǎng)超過(guò)10%。技術(shù)創(chuàng)新是行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，內(nèi)燃機(jī)廠商正響應(yīng)下游行業(yè)對(duì)多元化清潔燃料的需求，推動(dòng)產(chǎn)品研發(fā)向燃料和動(dòng)力多元化發(fā)展。內(nèi)燃機(jī)行業(yè)正面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)應(yīng)對(duì)新能源汽車(chē)挑戰(zhàn)，新型內(nèi)燃機(jī)技術(shù)如氫內(nèi)燃機(jī)、電子合成燃料內(nèi)燃機(jī)等將成為行業(yè)發(fā)展的重要方向。

關(guān)鍵詞：新能源內(nèi)燃機(jī)；行業(yè)趨勢(shì)；應(yīng)用分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U461 收稿日期：2024-12-02

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.003

1 行業(yè)發(fā)展背景

商用車(chē)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的運(yùn)輸支撐以及交通領(lǐng)域節(jié)能減碳的關(guān)鍵力量，其低碳轉(zhuǎn)型一直是全國(guó)兩會(huì)備受矚目的議題。2024 年兩會(huì)期間，多位專(zhuān)家建言獻(xiàn)策：全國(guó)人大代表、全國(guó)政協(xié)委員、吉利控股集團(tuán)董事長(zhǎng)李書(shū)福表示“商用車(chē)的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型‘減碳’潛力較大，氫燃料技術(shù)與商用車(chē)低碳化緊密結(jié)合，正在為我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)提前實(shí)現(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)提供新動(dòng)能”；全國(guó)人大代表、玉柴股份設(shè)備智能物聯(lián)技術(shù)高級(jí)主任工程師李海樺圍繞氫燃料內(nèi)燃機(jī)研發(fā)提出“，建議設(shè)立國(guó)家級(jí)的氫燃料內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域的科技研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)，支持突破氫燃料內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)”；全國(guó)人大代表、奇瑞控股集團(tuán)黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)尹同躍圍繞建立碳足跡管理法規(guī)、推進(jìn)E-fuel綠色合成燃料發(fā)展等熱點(diǎn)問(wèn)題提出了意見(jiàn)。

綜上，新能源內(nèi)燃機(jī)技術(shù)作為商用車(chē)低碳轉(zhuǎn)型的重要發(fā)展方向之一，將在政策扶持、技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)和示范運(yùn)營(yíng)等多方支持下，迎來(lái)難得的市場(chǎng)機(jī)遇和更廣闊的發(fā)展空間，為推動(dòng)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型作出重要貢獻(xiàn)。

目前，全球主要國(guó)家對(duì)新能源內(nèi)燃機(jī)相關(guān)界定較少，僅歐盟與美國(guó)基本明確將氫內(nèi)燃機(jī)劃分為零排放范圍內(nèi)，其余法規(guī)多止步于直接碳排管控，對(duì)應(yīng)用碳捕獲等新興綠色技術(shù)制備的全生命周期內(nèi)碳排近零的甲醇、天然氣、E-fuel等燃料的內(nèi)燃機(jī)無(wú)優(yōu)勢(shì)。然而，隨著各國(guó)對(duì)保障能源安全訴求的不斷提高和應(yīng)對(duì)氣候變化工作的不斷深入，各類(lèi)低碳、零碳燃料的鼓勵(lì)引導(dǎo)機(jī)制不斷完善，全生命周期碳排正逐步替代直接碳排成為衡量燃料對(duì)環(huán)境影響的核心參數(shù)。因此，圍繞新能源內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用的減碳潛力，建立科學(xué)模型其市場(chǎng)潛力，成為爭(zhēng)取政策支持和行業(yè)發(fā)聲的重要前提。

2 研究主要方法

本研究旨在全面評(píng)估新能源內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展?jié)摿?，明確其定義、應(yīng)用范圍及技術(shù)路線。研究邊界聚焦于燃用零碳燃料或全生命周期零碳排燃料的內(nèi)燃機(jī)，包括氫內(nèi)燃機(jī)、氨內(nèi)燃機(jī)、甲醇內(nèi)燃機(jī)和燃用e-Fuel的內(nèi)燃機(jī)。通過(guò)多元回歸、LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、多項(xiàng)Logit離散選擇模型、AHP層次分析法和TCO評(píng)估框架，結(jié)合專(zhuān)家訪談和用戶調(diào)研，構(gòu)建了一個(gè)科學(xué)系統(tǒng)的評(píng)估體系，圍繞工業(yè)及日用品運(yùn)輸、大宗商品運(yùn)輸?shù)?0余類(lèi)中重型貨車(chē)典型場(chǎng)景，預(yù)測(cè)2026—2030年新能源內(nèi)燃機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模、技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)性，為新能源內(nèi)燃機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和政策建議。

新能源內(nèi)燃機(jī)商用車(chē)應(yīng)用潛力評(píng)估分三個(gè)步驟開(kāi)展。a.新能源商用車(chē)發(fā)展規(guī)模的推導(dǎo)，基于《中國(guó)商用車(chē)市場(chǎng)預(yù)測(cè)模型體系及2035預(yù)測(cè)課題》中對(duì)商用車(chē)整體發(fā)展規(guī)模判斷的導(dǎo)入研究成果，結(jié)合國(guó)家“雙碳目標(biāo)”等政策要求，以及基于市場(chǎng)發(fā)展情況的正向預(yù)測(cè)分別界定新能源內(nèi)燃機(jī)商用車(chē)的發(fā)展區(qū)間；b.在技術(shù)路線選擇上，細(xì)化車(chē)型場(chǎng)景定義，以不同場(chǎng)景的新能源內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用潛力聚合出整體結(jié)果；c.通過(guò)行業(yè)專(zhuān)家打分判斷，校驗(yàn)評(píng)估結(jié)果。

3 評(píng)估進(jìn)展分析

3.1 國(guó)外新能源內(nèi)燃機(jī)定義

內(nèi)燃機(jī)/整車(chē)端，搭載氫內(nèi)燃機(jī)整車(chē)多被認(rèn)定為零排放車(chē)輛，其余新能源內(nèi)燃機(jī)缺少相關(guān)定義。歐盟定義CO2排放量低于3 g/（t·km）或1 g/（p·km）的重型商用車(chē)為零排放重型車(chē)輛，氫內(nèi)燃機(jī)可被視為零排放；CO2排放量低于重型車(chē)輛所屬車(chē)輛子組中的參考排放量的一半為低排放重型車(chē)輛。與歐盟類(lèi)似，而美國(guó)EPA新提議的整車(chē)CO2排放標(biāo)準(zhǔn)基于性能劃分，不強(qiáng)制要求任何特定技術(shù)，故將氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)歸類(lèi)為零排放車(chē)輛（仍需滿足EPA的NOx、PM和N2O限值）。而美國(guó)加州最為嚴(yán)格，零排放車(chē)輛（ZEV）定義為在任何可能的駕駛模式和駕駛條件下均不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體排放和氣體污染物；近零排放汽車(chē)（NZEV）包括插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和可通過(guò)傳導(dǎo)或感應(yīng)式充電源在車(chē)外對(duì)電池進(jìn)行充電的混合動(dòng)力汽車(chē)。

燃料端，多通過(guò)能源消費(fèi)稅方式給予零碳、低碳車(chē)用燃料鼓勵(lì)。歐盟燃料分類(lèi)定義包括以下類(lèi)別：

a.零排放燃料：電、氫氣、氨氣。

b.可再生燃料：生物質(zhì)燃料、由可再生能源生產(chǎn)的合成燃料。

c.不可再生替代燃料和過(guò)渡性礦物燃料：氣態(tài)天然氣（壓縮天然氣（CNG））和液化形式（液化天然氣（LNG）），以及液化石油氣（LPG）和不可再生能源生產(chǎn)的合成燃料。

零碳/低碳燃料鼓勵(lì)方式為能源稅（消費(fèi)稅）。2021年，歐盟對(duì)能源稅進(jìn)行調(diào)整，首先引入了全新的稅率結(jié)構(gòu)，基于燃料和電力的能源含量和環(huán)境績(jī)效確定稅率而不是能源體積，其次，將更多產(chǎn)品與環(huán)節(jié)納入范圍。根據(jù)環(huán)境績(jī)效排名，傳統(tǒng)化石燃料，如柴油、汽油以及不可持續(xù)的生物燃料，在用作汽車(chē)燃料時(shí)將受到10.75歐元/GJ的最高最低稅率的約束，在用于取暖時(shí)將受到0.9歐元/GJ的最高最低稅率的約束。該比率也可作為其他類(lèi)別的參考比率。第二類(lèi)稅率適用于天然氣、液化石油氣和非生物來(lái)源的不可再生燃料等燃料。在10年的過(guò)渡期內(nèi)，參考稅率的2/3將適用于這一類(lèi)別，然后按與傳統(tǒng)化石燃料相同的稅率征稅。第三類(lèi)稅率適用于可持續(xù)但不是先進(jìn)的生物燃料，適用參考費(fèi)率的一半；第四類(lèi)稅率適用于電力（無(wú)論其用途如何）、先進(jìn)的可持續(xù)生物燃料和沼氣，以及可再生氫等非生物來(lái)源的可再生燃料。低碳?xì)浜拖嚓P(guān)燃料也將在10年的過(guò)渡期也享受相同的稅率。

美國(guó)燃料端的定義如下，從美國(guó)交通部的定義來(lái)看，替代燃料類(lèi)別包含變性乙醇、電力、天然氣、液化石油氣、氫、源自生物材料的燃料（如生物柴油）、甲醇、其他酒類(lèi)、煤衍生液體燃料。替代燃料鼓勵(lì)方式為CAFé積分優(yōu)惠，計(jì)算CAFé積分時(shí)，使用替代燃料車(chē)型享受0.15的燃料除數(shù)獎(jiǎng)勵(lì)。

3.2 國(guó)內(nèi)政策規(guī)劃

中國(guó)政府高度重視氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，通過(guò)“十四五”規(guī)劃和相關(guān)政策文件，明確了氫能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略地位和發(fā)展目標(biāo)。中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)投資現(xiàn)狀顯示，行業(yè)融資以早期輪次為主，但隨著政策推動(dòng)和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，大額融資項(xiàng)目逐漸出現(xiàn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了動(dòng)力。

2023年5月，工信部公開(kāi)征求對(duì)《工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2023版）》［1］的意見(jiàn)，指出重點(diǎn)制定氫燃料內(nèi)燃機(jī)等氫能技術(shù)和裝備標(biāo)準(zhǔn)。

2023年8月，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委等六部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2023版）》［2］，氫內(nèi)燃機(jī)名列氫能應(yīng)用之中。我國(guó)基本建立起甲醇車(chē)用燃料標(biāo)準(zhǔn)體系，車(chē)用氫燃料內(nèi)燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)起草中。

2024年4月23日，十四屆全國(guó)人大常委會(huì)第九次會(huì)議對(duì)《中華人民共和國(guó)能源法（草案）》進(jìn)行了審議，其中，氫能被正式列入，與石油、煤炭、天然氣等并列作為能源進(jìn)行管理?！鞍褮淠芗{入《能源法（草案）》［3］，標(biāo)志著在法律層面對(duì)氫能作為能源的認(rèn)可，氫能的能源屬性得到進(jìn)一步明確，這也相當(dāng)于為氫能產(chǎn)業(yè)修建了一條‘高速公路’，氫能將駛?cè)搿燔?chē)道’?！睒I(yè)內(nèi)人士表示，在頂層規(guī)劃設(shè)計(jì)引領(lǐng)下，各地在出臺(tái)針對(duì)氫能扶持政策過(guò)程中，有了更有力的依據(jù)。同時(shí)，氫能產(chǎn)業(yè)有望以更高的優(yōu)先級(jí)獲得扶持與發(fā)展，在更廣泛的場(chǎng)景中得到推廣應(yīng)用，加速對(duì)傳統(tǒng)化石能源的替代。

3.3 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況

新能源內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局主要集中在氫內(nèi)燃機(jī)和綠色甲醇技術(shù)。濰柴、玉柴等傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)企業(yè)在氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域布局，吉利則深耕綠色甲醇整車(chē)研發(fā)。全球綠色甲醇項(xiàng)目集中在歐美、東亞，中國(guó)產(chǎn)能較少但規(guī)劃項(xiàng)目眾多。氫內(nèi)燃機(jī)研發(fā)以低壓缸內(nèi)直噴為主流，甲醇商用車(chē)市場(chǎng)主要由吉利占據(jù)，銷(xiāo)量增長(zhǎng)迅速。整體上，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局處于研發(fā)階段，尚未形成市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。

近三年來(lái)，全球產(chǎn)業(yè)鏈在新能源內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域正迅速發(fā)展。上游關(guān)鍵零部件供應(yīng)商如博世集團(tuán)和博格華納公司正積極研發(fā)氫能內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，中游制造商如濰柴動(dòng)力和玉柴股份在氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)上取得突破，國(guó)外企業(yè)如康明斯和Westport西港公司也在氫內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域取得進(jìn)展，下游整車(chē)制造商如中國(guó)重汽和東風(fēng)柳汽已推出搭載氫內(nèi)燃機(jī)的商用車(chē)型，國(guó)際企業(yè)如德國(guó)曼恩商用車(chē)和沃爾沃集團(tuán)也在積極布局氫內(nèi)燃機(jī)卡車(chē)市場(chǎng)。

整體來(lái)看，新能源內(nèi)燃機(jī)技術(shù)正逐步成熟，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)均在積極推動(dòng)技術(shù)商業(yè)化和市場(chǎng)應(yīng)用。

3.4 學(xué)術(shù)層面減碳潛力研究總結(jié)

本文從甲醇和氫能兩個(gè)方面對(duì)學(xué)術(shù)層面減碳潛力的研究情況進(jìn)行分析。

a.甲醇。使用環(huán)節(jié)碳排放優(yōu)勢(shì)不明顯，全生命周期與甲醇來(lái)源高度相關(guān)。選取市場(chǎng)主銷(xiāo)同等質(zhì)量的甲醇牽引車(chē)和柴油牽引車(chē)進(jìn)行對(duì)比。按照車(chē)輛消耗1 L柴油產(chǎn)生2.6 kgCO2尾排，消耗1 L甲醇產(chǎn)生1.087 kgCO2尾排核算，其結(jié)果如表1所示，甲醇牽引車(chē)平均CO2排放要高出柴油車(chē)12%。從全生命周期來(lái)看，天大采用甲醇/柴油組合燃料（甲醇替代料35%～40%），采用生物質(zhì)甲醇、焦?fàn)t氣和CO2制甲醇三種工藝的全生命周期碳排放要優(yōu)于純柴油，而使用煙煤、合成氨聯(lián)產(chǎn)等方式全生命周期碳排放要明顯高于純柴油。

b.氫能。在使用環(huán)節(jié)為零排放，全生命周期使用光伏、水力發(fā)電制氫排放表現(xiàn)最佳。張碩等［4］研究表明，基于光伏電解水制氫路徑的FCHCV的節(jié)能減排效果較好，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面效益較低。到2035年，基于光伏電解水制氫的FCHCV的全生命周期碳排放較DHCV（柴油重型商用車(chē)）低79.09%；但基于混合電力電解水制氫的FCHCV的全生命周期化石碳排放量較DHCV高10.47%。ZijunYang［5］研究表明，使用水力發(fā)電制氫全生命周期碳排放要顯著低于使用國(guó)家電網(wǎng)電解制氫以及汽油、柴油和純電動(dòng)等技術(shù)路線。

4 結(jié)語(yǔ)

在“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，新能源內(nèi)燃機(jī)成為大勢(shì)所趨。尤其是對(duì)于重型商用車(chē)，通過(guò)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型難以覆蓋復(fù)雜多樣的場(chǎng)景需求，新能源內(nèi)燃機(jī)將會(huì)扮演重要的角色。政策引領(lǐng)和技術(shù)革新是推動(dòng)新能源內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?。氫能產(chǎn)業(yè)建設(shè)逐步完善，為氫能汽車(chē)加速推廣提供了有力條件。

現(xiàn)階段加氫站建設(shè)主要分布在城郊，首批氫能汽車(chē)將以城市短途車(chē)輛為主，優(yōu)先發(fā)展城建自卸、攪拌、載貨、環(huán)衛(wèi)等；隨著氫走廊的布局建設(shè)，中期內(nèi)氫能汽車(chē)的運(yùn)距將延長(zhǎng)，可擴(kuò)展中長(zhǎng)途運(yùn)輸車(chē)輛；現(xiàn)有政策、補(bǔ)貼僅圍繞氫燃料電池發(fā)布，北京市已計(jì)劃將氫內(nèi)燃機(jī)車(chē)納入氫能汽車(chē)推廣車(chē)型。相關(guān)單位已啟動(dòng)氫內(nèi)燃機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、政策的研討，將會(huì)陸續(xù)發(fā)布，氫內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)也將進(jìn)入快車(chē)道。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

程明，男，1981年生，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)技術(shù)、動(dòng)力工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。