國內(nèi)對氫內(nèi)燃機領(lǐng)域的探索正悄然興起。
近期，國內(nèi)多家商用車和零部件企業(yè)相繼發(fā)布氫內(nèi)燃機研發(fā)成果。諸如，一汽解放自主設(shè)計開發(fā)的國內(nèi)首款重型商用車缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動機已實現(xiàn)平穩(wěn)運行;中國重汽、濰柴動力聯(lián)合發(fā)布全國首款配裝13L氫內(nèi)燃機的重卡車型。除此之外，玉柴YCK16H燃氫發(fā)動機、上海新動力首臺直噴式氫氣發(fā)動機也已成功點火。縱觀全球市場，今年5月，康明斯對外展示了一款15L氫內(nèi)燃機產(chǎn)品，并隨后宣布加入氫能發(fā)動機聯(lián)盟。據(jù)悉，該聯(lián)盟成員還有博世、戴姆勒卡車和卡爾斯魯厄理工學(xué)院等。
短短幾個月內(nèi)，氫內(nèi)燃機產(chǎn)品密集發(fā)布，它為何突然就火了?
氫內(nèi)燃機何以大火
事實上，氫內(nèi)燃機并不是一個新鮮事物，早在上世紀70年代，就有大批汽車企業(yè)和科研機構(gòu)投入到相關(guān)研究中，經(jīng)過幾十年的努力，雖取得了一定成果，但并沒有一款氫能發(fā)動機量產(chǎn)上市。沉寂許久后，氫內(nèi)燃機于近兩年才逐漸回歸到各大車企的視野之中。
在業(yè)內(nèi)人士看來，在純電動、燃料電池技術(shù)大行其道的當(dāng)下，商用車和內(nèi)燃機企業(yè)重新將注意力轉(zhuǎn)向氫內(nèi)燃機的研發(fā)，這與全球性碳中和目標緊密相關(guān)。
在全球節(jié)能減排的大趨勢下，汽車及交通行業(yè)加快推進減碳、脫碳進程勢在必行。商用車行業(yè)作為助力減碳任務(wù)的主戰(zhàn)場，正面臨著新舊動能轉(zhuǎn)換的“大考”。長期來看，電動化無疑是商用車產(chǎn)業(yè)達成“雙碳”目標的核心路徑，但中短期內(nèi)，內(nèi)燃機在道路交通運輸領(lǐng)域，仍具有不可替代的重要作用。在此背景下，傳統(tǒng)車企和內(nèi)燃機企業(yè)積極尋求轉(zhuǎn)型升級，發(fā)展內(nèi)燃機燃料多元化技術(shù)路線，推動內(nèi)燃機應(yīng)用低碳清潔新能源，已成為業(yè)內(nèi)共識。
“面對多種技術(shù)路線之爭，各大頭部企業(yè)并沒有‘一意孤行’，而是積極在做‘多選題’，這是很好的趨勢，有利于企業(yè)從容應(yīng)對市場變化，也能最大程度避免產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向嚴重偏離。”天津大學(xué)教授姚春德指出，氫能是“雙碳”戰(zhàn)略目標下，實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型升級的重要支撐，基于氫能的各種技術(shù)路線的研發(fā)，已成為車企和內(nèi)燃機企業(yè)的迫切需求。作為氫能在車用領(lǐng)域發(fā)展的重要路徑，氫內(nèi)燃機既能滿足減排要求，又可以充分利用現(xiàn)有內(nèi)燃機行業(yè)的研發(fā)、制造、供應(yīng)鏈資源，快速實現(xiàn)量產(chǎn)，并在最終成本上做到與傳統(tǒng)內(nèi)燃機接近，這是其他新能源技術(shù)都無法比擬的。
“氫內(nèi)燃機最為突出的是成本優(yōu)勢和推廣優(yōu)勢。”工信部甲醇汽車推廣應(yīng)用專家指導(dǎo)委員會秘書長魏安力進一步分析稱，一方面，氫內(nèi)燃機具有多燃料適應(yīng)性，可以使用純氫為燃料，也可通過與鋰電池配合，形成混動方案，能有效降低對石油的依賴性;另一方面，可以使內(nèi)燃機資源得到最大化利用，延長生產(chǎn)裝備生命周期。氫內(nèi)燃機保留了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的主要架構(gòu)和系統(tǒng)，不需要重新構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈，其技術(shù)實現(xiàn)的難度和成本投入遠小于燃料電池。
此外，從使用角度來看，氫內(nèi)燃機沒那么“嬌貴”，對氫氣的純度要求不高，也不依賴稀有金屬，而且在高負荷區(qū)具有較高的綜合效率，對于承擔(dān)貨物運輸?shù)闹兄乜▉碚f，氫內(nèi)燃機是更經(jīng)濟、更高效的選擇。今年全國兩會上，全國人大代表、廣西玉柴機器股份有限公司新品試制裝配工段工段長許燕妮也提出，氫內(nèi)燃機成本低、加氫快，而且無里程焦慮，具有在商用車全領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。
濰柴動力技術(shù)部門相關(guān)負責(zé)人表示，在原有內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)上，以氫氣作為燃料來實現(xiàn)“零碳排放”，對于助力實現(xiàn)“雙碳”目標、推動內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)持續(xù)升級，以及推動商用車能源多元化發(fā)展具有重要意義。
氫氣缸內(nèi)燃燒技術(shù)提升
多年前，氫內(nèi)燃機受到冷落，原因是多方面的，比如技術(shù)難度大、燃燒效率低、扶持力度小、加氫站建設(shè)滯后等。如今，在“雙碳”目標的指引下，沉寂多時的氫內(nèi)燃機正迎來新的發(fā)展機遇。
在配套基礎(chǔ)設(shè)施方面，近年來，在國家利好政策的助力下，氫能產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了快速發(fā)展，同時也促進了氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及氫能產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善，這為氫內(nèi)燃機的發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)。
在政策支持層面，去年8月，工信部在對十三屆全國人大四次會議第5736號建議的答復(fù)中表示，下一步將積極配合相關(guān)部門制定氫能發(fā)展戰(zhàn)略，研究推動將氫內(nèi)燃機納入其中予以支持;工信部印發(fā)的《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中再次提出，發(fā)展氫燃料燃氣輪機。
對于氫內(nèi)燃機未來的應(yīng)用前景，國內(nèi)外企業(yè)都非常看好，并給予了很大的期待。“作為氫燃料電池、動力電池及可再生天然氣動力鏈的有效補充，氫能發(fā)動機項目將為公路運輸行業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，提供更多潛在的技術(shù)選擇。”康明斯副總裁、發(fā)動機事業(yè)部總工程師白納川(Jonathon White)說道。
據(jù)了解，目前歐洲幾乎所有的主流商用車和零部件企業(yè)都在關(guān)注或已開始對氫內(nèi)燃機展開可行性研究。與此同時，我國的氫內(nèi)燃機研發(fā)也取得了較大進展和突破。
“從綜合成本、性能、可靠性、耐久性等方面來看，氫內(nèi)燃機相較燃料電池更具優(yōu)勢。但與此同時，由于氫氣點火能量低、燃燒速度快、燃燒溫度高，使得氫內(nèi)燃機容易發(fā)生早燃、回火和爆燃等問題，而且在燃燒效率方面也存在一定劣勢。”姚春德告訴記者，從目前國內(nèi)面世的氫內(nèi)燃機產(chǎn)品公開信息來看，上述的痛點問題很多都已經(jīng)被攻克，并且在熱效率方面也有所突破，相關(guān)機型基本都采用高壓共軌噴射、分層燃燒和稀薄燃燒等技術(shù)，讓氫氣在氣缸內(nèi)充分燃燒，提高整車的動力性和經(jīng)濟性。
具體來看，一汽解放自主研發(fā)的缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動機采用了氫氣分層超稀薄燃燒技術(shù)、彌勒循環(huán)滾流氫氣混合技術(shù)等，能夠大幅提高熱效率并解決回火問題，保障氫氣發(fā)動機穩(wěn)定高效運轉(zhuǎn)，運轉(zhuǎn)功率超過500馬力(約合368kW)，指示熱效率突破55%;玉柴YCK16H采用了燃料高壓共軌、高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)和雙流道增壓技術(shù)，可按需求在缸內(nèi)實現(xiàn)均質(zhì)燃燒或分層燃燒，動力性更強、熱效率更高、穩(wěn)定性更好;濰柴13L氫內(nèi)燃機有效熱效率達41.8%，采用的多項專有技術(shù)有效解決了氫氣異常燃燒難題。
業(yè)內(nèi)專家指出，國內(nèi)氫內(nèi)燃機的成功點火，為商用車和內(nèi)燃機行業(yè)釋放了積極信號。各大車企巨頭未雨綢繆、做好技術(shù)儲備，既可更好地應(yīng)對市場和產(chǎn)業(yè)變局，還能占領(lǐng)技術(shù)制高點，在競爭激烈的市場中獨占鰲頭。
商業(yè)化之路仍很漫長
氫內(nèi)燃機作為實現(xiàn)傳統(tǒng)化石能源替代的可行性技術(shù)路線，已引起業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外車企和內(nèi)燃機企業(yè)的紛紛布局，也說明氫內(nèi)燃機在商用車領(lǐng)域具有較為廣闊的發(fā)展前景。不過，目前氫內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，想要實現(xiàn)商業(yè)化，還需面臨諸多挑戰(zhàn)。
“氫內(nèi)燃機在商業(yè)化推廣上，同樣遇到了氫燃料電池所面臨的問題。比如氫氣的運輸、存儲，以及加氫站成本高昂等制約因素。另外，從效率方面來看，氫內(nèi)燃機的熱效率依然是短板，相關(guān)技術(shù)有待進一步突破。”姚春德表示，只有技術(shù)難題被攻克，基礎(chǔ)設(shè)施更完備，氫內(nèi)燃機才有可能實現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。
在業(yè)內(nèi)專家看來，想要氫內(nèi)燃機實現(xiàn)商業(yè)化落地，需建立完善的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，而這并不是一家廠商就能解決的，需要相關(guān)部門統(tǒng)籌規(guī)劃，讓制氫、儲氫、運氫成為一個成熟且完善的產(chǎn)業(yè)鏈，以此降低各個環(huán)節(jié)的成本。同時，合理的政策鼓勵和支持是必不可少的推動因素。
麥肯錫全球董事合伙人方寅亮也指出，氫內(nèi)燃機技術(shù)路線的成熟，僅靠實驗室數(shù)據(jù)是不夠的，離不開商業(yè)化探索，雖然短期氫能在汽車上的應(yīng)用還要克服諸多問題，但與純電等目前的主流新能源汽車技術(shù)路線一樣，都是值得堅持投入的長期事業(yè)。
