科普 | 什么是氫內燃機？

在全球節能減排的大背景下，交通運輸行業加快推進減碳、脫碳進程已迫在眉睫。氫能已成為商用車和內燃機企業競逐的焦點。其中，氫內燃機不但能滿足減排要求，而且在使用成本上可與傳統內燃機相媲美。這一獨特優勢，使其在眾多新能源動力技術競爭中脫穎而出，成為眾多企業優先采納的解決方案。

氫內燃機的定義

氫內燃機是一種利用氫氣作為燃料的內燃機。與傳統的汽油或柴油內燃機不同，氫內燃機燃燒氫氣時產生的主要排放物是水蒸氣，因此它被認為是一種清潔的能源技術。氫氣通過與空氣中的氧氣發生化學反應，釋放出能量，推動發動機的活塞運動，從而產生動力。

氫內燃機的研究和發展可以追溯到19世紀初。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燃機。然而，由于當時技術水平的限制，氫氣內燃機并未得到廣泛應用。1968年，前蘇聯科學院用汽車發動機進行了分別燃用汽油和氫的試驗，改用液氫的結構方案，發動機熱效率提高，熱負荷減輕。

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，發動機是一臺增壓的六缸四沖程內燃機，充裝一次液氫后行駛274km。上世紀70年代后，蘇聯、德國、日本、美國、中國都有氫內燃機的技術投入，主要是實驗室產品和概念車。

例如，寶馬公司從1978年開始研發以氫氣為燃料的內燃機汽車，并成功推出了幾代氫燃料內燃機驅動的轎車。

氫內燃機的工作原理

氫內燃機的工作原理與傳統內燃機類似，但其燃料供給系統和燃燒過程有所不同。在氫內燃機中，氫氣通常以氣態形式儲存，并通過精確控制的噴射系統注入到燃燒室中。由于氫氣的

燃燒速度非常快，因此需要對點火時機和混合氣的濃度進行精細的調節，以確保發動機運行的平穩和效率。

可以簡單的理解為燒氫氣的發動機，其基本原理與普通的汽油或者柴油內燃機的原理一樣，是基本的汽缸—活塞式的內燃機，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化，只是氫內燃機里的燃料是氫氣。

氫內燃機的構造

氫內燃機的構造和汽柴油內燃機類似。部分設備需要為了應用氫氣而進行改良。

素材來源：寶馬汽車（AI生成背景）

1、改進的燃燒系統氣門和氣門座：由于氫氣的特殊性質，氫內燃機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生反應。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、燃料供給系統噴油器：專為氣體而不是液體設計的噴油器，用于將氫氣精確地噴射到燃燒室內。進氣歧管：改良的進氣歧管，以優化氫氣與空氣的混合。增壓器：正壓增壓器，幫助提高進氣效率。

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

4. 其他改進曲軸阻尼器：更大的曲軸阻尼器，以吸收燃燒過程中產生的振動。缸墊材料：更強的缸墊材料，以應對氫氣燃燒產生的高溫。發動機油：高溫發動機油，以保護發動機內部部件免受高溫影響。

氫內燃機的優勢

此外，氫氣的補充過程比充電電池快得多，這使得氫內燃機在某些應用場景中具有明顯的優勢。

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，氫內燃機可以提供更長的行駛距離。

低成本：氫內燃機的成本相對較低，特別是與氫燃料電池相比。氫內燃機的裝置成本與汽油機相當，而且大部分零部件可以與現有內燃機通用，這大大降低了開發和生產的成本。此外，氫內燃機對氫氣燃料的純度要求較低，無需深度提純，這也進一步降低了成本。

環保：氫內燃機的排放物主要是水蒸氣，幾乎沒有其他有害物質，如二氧化碳、一氧化碳和碳煙顆粒，因此對環境友好。

適用性和兼容性高：氫內燃機可以沿用現有的內燃機工業體系進行開發，大部分零部件與現有內燃機成熟產品通用。這意味著氫內燃機可以在現有的生產線中制造，無需大規模的投資建設新的工廠和設備

。無冷啟動問題：氫內燃機不需要熱機，不存在冷啟動問題，具有較好的燃料經濟性。這對于寒冷地區的車輛使用尤為重要。

氫內燃機存在的問題

雖然氫內燃機有諸多優勢，但其自身發展依然存在不少問題。首先是氫內燃機的化學計量空燃比為34:1，這意味著需要兩倍的空氣來完成燃燒產生能量，在相同氣缸容量下，汽油機的功率是氫內燃機的兩倍以上，為了抵消這種功率損失，氫發動機必須變大，加上發動機材料的改良可能導致的重量增加，也會影響車輛的經濟性。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，畢竟氣態下的氫氣極不穩定，所以需要安裝特殊的傳感器進行監控。未來技術升級可能用金屬儲氫來彌補氫氣泄露的問題。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，至于民用化應用，則可能再需要些時日。

國內氫內燃機的政策支持

去年8月，工信部對以“關于鼓勵發展零碳排放氫氣發動機”為主題的建議作出答復，下一步將積極配合相關部門制定氫能發展戰略，研究推動將氫氣內燃機納入其中予以支持。工信部將根據氫氣發動機技術進步和應用推廣情況，進一步評估現行標準體系的適應性和差異性，提前布局相關標準預研，適時推動急需標準制定，有力支撐氫氣汽車科學合理發展。去年12月，工信部印發《“十四五”工業綠色發展規劃》，再次提出發展氫燃料燃氣輪機。技術多樣化發展能夠最大程度保障氫能產業發展方向不發生嚴重偏離，因此國內在積極推動燃料電池技術發展的同時，也同樣沒有放棄對氫內燃機的關注。一些跡象表明，國內對氫內燃機領域的探索正悄然興起。

氫內燃機相關企業

氫內燃機領域展開布局的企業多以汽車零部件巨頭及車企為主。原因在于：車用內燃機作為我國碳排放“大戶”以及交通運輸的主要動力，面臨著雙碳目標下新舊動能轉換的“大考”，大部分汽車零部件巨頭及車企均加快了技術探索的步伐，而集合了“發動機＋氫能”基因的氫內燃機成為這些企業的重要突破點。 

一汽解放：

2021年4月，由中國一汽自主設計研發的首款紅旗2.0L氫能專用發動機在研發總院試制所順利下線交付，并于當月在北理工實現點火。該發動機基于中國一汽最先進的第三代汽油機產品平臺自主研發，發動機排量2升，目標熱效率大于42%。2023年10月16日，一汽解放表示，將不斷加大氫內燃機方面的研發投入，在2022年首發點火后，一直在推進開發工作，目前已進入整車試制階段，計劃2024年3月交付用戶示范運行。

  廣汽集團：

2021年9月，廣汽集團自主研發的首款氫氣發動機點火成功。該發動機基于廣汽第四代發動機平臺自主研發，廣汽集團擁有完全自主知識產權，采用了多種新技術，以確保發動機平穩運行，熱效率可達44%。 

玉柴集團： 

2020年，玉柴集團已經完成了50%熱效率內燃機的技術研發工作。2021年12月，玉柴集團在北理工發布中國首臺商用車燃氫發動機YCK05。該燃氫發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進行全面優化升級，攻克了燃氫發動機易回火、易爆震等技術難題，熱效率達到42%，能廣泛應用于公交、市政、環衛、物流配送等場景。

  康明斯：

2021年7月，康明斯宣布開始氫內燃機開發的前瞻測試。此項概念驗證測試基于康明斯行業領先的氣體燃料應用和動力鏈技術基礎，旨在進一步探索先進零碳技術發展的新路徑。2021年9月，康明斯宣布其氫燃料內燃機（H2-ICE）計劃正在開始開發中型6.7升和重型15升發動機。

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先動力系統獨立制造廠商，于1864年創立于德國科隆，先后開發了世界上第一臺往復式內燃機、四沖程內燃機、礦用內燃機車、風冷柴油機。來源：商用車診斷儀公眾號、電能車志等