近日，北汽首臺氫內(nèi)燃機點火成功，向?qū)崿F(xiàn)高效零碳發(fā)動機邁出了關鍵的一步。據(jù)悉，北汽研究總院與北京工業(yè)大學成立聯(lián)合工作小組，完成氫內(nèi)燃機關鍵系統(tǒng)的仿真分析和設計開發(fā)工作。首臺氫內(nèi)燃機在北汽完成試制、裝配后，雙方團隊在北工大試驗室共同開展燃燒開發(fā)工作。
圖源北汽集團
該氫內(nèi)燃機基于榮獲“中國心”2021年度十佳發(fā)動機大獎的魔核1.5T發(fā)動機進一步優(yōu)化而成，它主要采用了適應氫氣燃料的噴嘴及導軌、氫專用渦輪增壓器、氫專用機油、耐磨損耐氫的氣門與閥座等關鍵技術。在魔核發(fā)動機優(yōu)異的性能基礎上進一步提升，熱效率目標達45%。
圖源北汽集團
2021年，北京汽車正式推出魔核動力平臺的1.5T發(fā)動機，并搭載于新一代自主產(chǎn)品——北京魔方上。行業(yè)首款量產(chǎn)搭載VGT增壓器技術，不僅讓魔核動力擁有138kW最大功率、305 N·m最大扭矩；更是同級別產(chǎn)品NVH性能“天花板”，其怠速噪聲僅為57.5dB；無懼-40℃海拉爾極寒與火焰山50℃酷暑，魔核動力擁有超過40000小時全場景測試，以超過行業(yè)最高的標準保障行業(yè)頂尖可靠性水平，為用戶提供安心愉悅的用車體驗。
在氫能動力領域，由北汽福田聯(lián)合清華大學和億華通公司研發(fā)完成的國內(nèi)首款燃料電池客車平臺化產(chǎn)品已在2022北京冬奧會上完成服務保障工作，并首次形成國內(nèi)具有自主知識產(chǎn)權的燃料電池客車產(chǎn)業(yè)鏈。該技術突破了大功率石墨板燃料電池發(fā)動機設計關鍵技術，石墨板電堆功率密度國內(nèi)率先達到2.22kW/L；并首創(chuàng)了極寒環(huán)境冷啟動和綜合執(zhí)管理技術，形成了8m-12m全系列燃料電池客車產(chǎn)品。
此次首臺氫內(nèi)燃機成功點火，是北汽集團于今年6月發(fā)布“BLUE 衛(wèi)藍計劃”后的一次重要成果落地。根據(jù)計劃，北汽集團將全力在2025年實現(xiàn)碳達峰，2050年實現(xiàn)產(chǎn)品全面脫碳、運營碳中和。
作為中國汽車產(chǎn)業(yè)版圖中的重要組成、首都工業(yè)經(jīng)濟的重要支撐，北汽集團順應汽車“新四化”的發(fā)展趨勢，超前謀劃布局新能源汽車產(chǎn)業(yè)，積極開展智能互聯(lián)、大數(shù)據(jù)等前瞻技術研究和產(chǎn)業(yè)化探索，打造自主品牌核心競爭力，為建設科技強國、汽車強國貢獻力量。
內(nèi)燃機示意圖，圖源視覺中國
氫內(nèi)燃機的歷史可以追溯到1807年，當時瑞士人伊薩克·代·李瓦茨研發(fā)了第一款單缸氫氣內(nèi)燃機。我國氫發(fā)動機的研究開始于20世紀80年代初，國內(nèi)一些高校和科研單位對內(nèi)燃機燃氫和燃氫雙燃料內(nèi)燃機等進行了實驗研究。
2007年6月18日，我國自主研制的第一臺高效低排放氫內(nèi)燃機在重慶長安汽車集團成功地實現(xiàn)點火。高效低排放氫內(nèi)燃機是國家“863”計劃唯一立項的氫燃料重點項目，它的成功點火標志著我國氫內(nèi)燃機研究技術已經(jīng)獲得了突破性的進展，為氫內(nèi)燃機的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎。
近年來，在國家利好政策的助力下，氫能產(chǎn)業(yè)尤其是氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)得到了較快發(fā)展。與此同時，作為減碳技術路線的有效補充，被“冷落”多年的氫內(nèi)燃機也開始受到行業(yè)的關注。
氫內(nèi)燃機(hydrogen internal combustion engine)，也叫氫燃料發(fā)動機，以傳統(tǒng)內(nèi)燃機為基礎，通過改變?nèi)剂瞎到y(tǒng)、噴射系統(tǒng)以及燃料等，燃燒氫氣產(chǎn)生動力，從而驅(qū)動車輛的行駛?？梢院唵蔚睦斫鉃闊龤錃獾陌l(fā)動機，其基本原理與普通的汽油或者柴油內(nèi)燃機的原理一樣，是基本的汽缸—活塞式的內(nèi)燃機，同樣是按照吸氣——壓縮——做功——排氣4個沖程來完成化學能對機械能的轉(zhuǎn)化，只是氫內(nèi)燃機里的燃料是氫氣。
氫內(nèi)燃機工作原理，圖源氫能觀察
“氫能并不是燃料電池的專屬，上世紀50年代，內(nèi)燃機領域就已開始將氫能作為燃料進行應用研究。”內(nèi)燃機行業(yè)專家魏安力表示，氫內(nèi)燃機與燃油車相似，只不過把燃料變成了氫氣，發(fā)動機與此前的汽油發(fā)動機、天然氣發(fā)動機有共通之處。
在魏安力看來，氫內(nèi)燃機更具成本和推廣優(yōu)勢。內(nèi)燃機將氫作為燃料，一方面具有多種燃料適應性，可以使用純氫為燃料，也可以和甲醇摻燒，有效降低對石油依賴；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)燃機的主要架構和系統(tǒng)，不需要重新構建產(chǎn)業(yè)鏈，其技術實現(xiàn)的難度和成本投入遠小于燃料電池。
2022年，在氫能產(chǎn)業(yè)熱度居高不下時，不少企業(yè)開始解鎖氫能的另一種應用形式——氫內(nèi)燃機。
1、一汽集團
2021年4月，由中國一汽自主設計研發(fā)的首款紅旗2.0L氫能專用發(fā)動機在研發(fā)總院試制所順利下線交付，并于當月在北理工實現(xiàn)點火。該發(fā)動機基于中國一汽最先進的第三代汽油機產(chǎn)品平臺自主研發(fā)，發(fā)動機排量2升，目標熱效率大于42%。
2022年6月8日，由一汽解放自主設計研發(fā)的國內(nèi)首款重型商用車缸內(nèi)直噴氫氣發(fā)動機成功點火并穩(wěn)定運行。本款氫氣發(fā)動機屬13L重型發(fā)動機，運轉(zhuǎn)功率超500馬力，指示熱效率突破55%，相關產(chǎn)品具備氫氣單燃料缸內(nèi)直噴、氫氣單燃料缸內(nèi)和氣道混合噴射、氨氣和氫氣雙燃料噴射能力，可靈活轉(zhuǎn)化成氫氣、氨氣等凈零碳燃料產(chǎn)品。
2、濰柴動力
6月15日，在“騰飛吧！山東高端裝備制造”山東重工新科技成果展上，中國重汽·濰柴動力聯(lián)合發(fā)布全國首臺商業(yè)化氫內(nèi)燃機重卡，該車為中國重汽全新一代黃河品牌高端重卡，搭載濰柴動力自主開發(fā)的13L氫內(nèi)燃機，實現(xiàn)了有效熱效率41.8%。
3、廣汽集團
2021年9月，廣汽集團自主研發(fā)的首款氫氣發(fā)動機點火成功。該發(fā)動機基于廣汽第四代發(fā)動機平臺自主研發(fā)，廣汽集團擁有完全自主知識產(chǎn)權，采用了多種新技術，以確保發(fā)動機平穩(wěn)運行，熱效率可達44%。
2022年6月28日，廣汽集團在 2022 廣汽科技日上發(fā)布了1.5L氫內(nèi)燃機，該款1.5L氫燃料發(fā)動機首發(fā)亮相，采用了氫氣缸內(nèi)直噴技術，最高熱效率達到44%，氫耗≤0.84kg/100km，已成功運轉(zhuǎn)超過12000小時，充分展現(xiàn)廣汽集團在氫能動力領域豐富的技術儲備。
4、玉柴集團
2020年，玉柴集團已經(jīng)完成了50%熱效率內(nèi)燃機的技術研發(fā)工作。
2021年12月，玉柴集團在北理工發(fā)布中國首臺商用車燃氫發(fā)動機YCK05。該燃氫發(fā)動機采用高壓多點進氣道噴射技術、高效低慣量渦輪增壓技術、氫氣專用SCR后處理、高效稀薄燃燒技術等多項先進的專項技術，并對整機結構、燃燒和配氣等子系統(tǒng)進行全面優(yōu)化升級，攻克了燃氫發(fā)動機易回火、易爆震等技術難題，熱效率達到42%，能廣泛應用于公交、市政、環(huán)衛(wèi)、物流配送等場景。
2022年6月30日，玉柴YCK16H燃氫發(fā)動機在廣西玉林成功點火。該款發(fā)動機排量達15.93升，最大馬力達560馬力，是目前中國排量最大，馬力最大的燃氫發(fā)動機。玉柴YCK16H的點火成功，標志著玉柴在零碳能源動力系統(tǒng)賽道上又邁出了堅實一步。
5、上海新動力
7月1日，上海新動力汽車科技股份有限公司首臺直噴式氫氣發(fā)動機在試驗認證部試驗基地點火成功，該款直噴式氫氣發(fā)動機排量12.8升，設計最大馬力480馬力，采用領先的缸內(nèi)氫氣直噴技術，熱效率高達44%。
6、東風集團
9月26日，東風汽車集團以“科技強芯·零碳動力·協(xié)同共贏”為主題，在湖北武漢舉辦“龍擎-自主控制系統(tǒng)天然氣發(fā)動機&氫發(fā)動機點火儀式暨東風-中科院生態(tài)中心聯(lián)合實驗室揭牌儀式”活動。
根據(jù)介紹，技術優(yōu)勢方面，龍擎 · 自主控制系統(tǒng)-氫發(fā)動機匹配高耐熱缸蓋、鋼活塞的基礎機，運用氫氣機理開發(fā)、燃燒室型線優(yōu)化、低熱損燃燒技術、噴霧特性與燃燒機理開發(fā)的燃燒系統(tǒng)，同時具有自動控制策略、空氣系統(tǒng)、電控噴射系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)等眾多優(yōu)勢。龍擎·自主控制系統(tǒng)氫發(fā)動機的成功點火預示著東風公司向碳中和邁進了一大步，為實現(xiàn)零碳動力提供了重要選擇，推動汽車行業(yè)盡早實現(xiàn)雙碳目標。
7、北汽集團
10月底，北汽首臺氫內(nèi)燃機點火成功，向?qū)崿F(xiàn)高效零碳發(fā)動機邁出了關鍵的一步。
在業(yè)內(nèi)專家看來，作為氫能汽車的兩個發(fā)展方向，氫內(nèi)燃機與氫燃料電池技術并不沖突，兩者在商用車領域均具有較為廣闊的發(fā)展前景，但同時也都面臨著成本高、配套設施短缺、缺乏完善頂層設計以及產(chǎn)業(yè)鏈薄弱等諸多挑戰(zhàn)。
目前來看，購置、運營乃至車輛全生命周期成本優(yōu)化，是氫能商用車進入發(fā)展快車道的關鍵。但氫氣的儲存和運輸，制氫、注氫的安全問題，以及建設加氫站的高昂成本，都成為推廣氫燃料電池汽車和氫內(nèi)燃機車的障礙。特別是對于氫燃料電池汽車來說，僅是電池和儲氫系統(tǒng)的成本就占到整車的六成以上。若電堆成本、加氫站和氫氣運輸成本無法降到合適的價格區(qū)間，就難以進行大規(guī)模推廣。
當前，在全球能源綠色化的大背景下，不同的動力路線擅長的領域和場景不盡相同，逐漸呈現(xiàn)出百花齊放的市場格局。氫內(nèi)燃機作為能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)化石能源替代的可行性技術路線，已經(jīng)引起了眾多的關注。不過，目前業(yè)界還處于初步探索階段，未來前景如何還有待觀察，氫內(nèi)燃機的商業(yè)化道路任重而道遠。
