氫燃料內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)歷史及當(dāng)時(shí)的技術(shù)局限
氫燃料內(nèi)燃機(jī)最早的研究可以追溯到20世紀(jì)30年代末，自20世紀(jì)70年代以來，氫內(nèi)燃機(jī)逐步在汽車工業(yè)中得到重視。包括寶馬、大眾、馬自達(dá)、曼等在內(nèi)的汽車公司將氫燃料內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用于車用領(lǐng)域，其中寶馬更是開發(fā)了示范車隊(duì)。但是，由于種種原因最終在21世紀(jì)初逐步放棄了氫內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)。
首先，當(dāng)時(shí)寶馬采用液態(tài)儲氫技術(shù)來解決氫燃料內(nèi)燃機(jī)的供氫問題。但液態(tài)儲氫技術(shù)不僅帶來氫氣液化的高成本，而且還存在液態(tài)氫蒸發(fā)的問題難以解決。該技術(shù)路線目前尚未在車用儲氫技術(shù)中得到應(yīng)用。
第二，氫內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)熱效率低于汽油機(jī)和燃料電池。較低的系統(tǒng)熱效率主要是由于較窄的稀薄燃燒區(qū)域和較低的幾何壓縮比。為了實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)熱效率，需要在更高的負(fù)荷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)稀薄燃燒，這對于自然吸氣發(fā)動機(jī)來說是很難實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)還需要專門設(shè)計(jì)的氫氣噴油器來提供足夠的氫氣質(zhì)量流量。此外，為了抑制爆震和表面點(diǎn)火等非正常燃燒，較低的幾何壓縮比（9.5左右）進(jìn)一步限制了熱效率的提升。上述兩個(gè)缺點(diǎn)使得氫氣內(nèi)燃機(jī)的熱效率潛力沒有得到充分挖掘。
第三，由于液態(tài)儲氫的使用和系統(tǒng)效率低導(dǎo)致氫燃料內(nèi)燃機(jī)車輛的續(xù)駛里程遠(yuǎn)低于汽油車輛，NEDC下純氫驅(qū)動的續(xù)駛里程僅200km。
第四 ，早期開發(fā)的氫燃料內(nèi)燃機(jī)功率扭矩較低，無法與汽油發(fā)動機(jī)相提并論。由于采用自然吸氣的氫氣進(jìn)氣道噴射，因此缸內(nèi)混合熱值較低，最大功率和扭矩受到限制，如寶馬的氫燃料內(nèi)燃機(jī)升功率僅32kw/L。
第五，由于實(shí)現(xiàn)均勻混合氣稀薄燃燒的工況范圍較窄，因此，原始NOx排放較高。即使使用了NOx后處理裝置，整車的NOx排放仍然是美國超低排放（SULEV）的3.9%，沒有實(shí)現(xiàn)零排放。
第六，氫氣基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏對于氫內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用起到了非常重要的限制作用，特別是用于液態(tài)儲氫的加氫站更少。
綜合上述六個(gè)原因，早期氫內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)不成熟和基礎(chǔ)設(shè)施缺乏導(dǎo)致大多數(shù)汽車公司放棄了開發(fā)計(jì)劃，未能實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
相比20年前，氫燃料內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和可行性
近20年來，燃料電池和內(nèi)燃機(jī)均取得了很大的技術(shù)進(jìn)步。這些技術(shù)進(jìn)步將有助于解決上述氫燃料內(nèi)燃機(jī)面臨的六個(gè)關(guān)鍵問題。
首先，氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以使用已經(jīng)在燃料電池中獲得應(yīng)用的高壓儲氫技術(shù)。高壓儲氫是當(dāng)前車用儲氫的主流技術(shù)，有效避免了液態(tài)儲氫的問題。在乘用車上，700bar高壓儲氫技術(shù)已經(jīng)在燃料電池中得到了應(yīng)用。
第二，系統(tǒng)熱效率可以大幅提高，短期內(nèi)有望達(dá)到45%的有效熱效率。熱效率的提高，一方面是由于增壓技術(shù)在液體燃料內(nèi)燃機(jī)中的進(jìn)步，可以幫助氫燃料內(nèi)燃機(jī)在更大工況范圍下實(shí)現(xiàn)Lambda>2.5的稀薄燃燒。另一方面，通過單缸雙氫氣噴嘴氣道噴射或者缸內(nèi)直噴氫氣解決了大負(fù)荷區(qū)域供氫量的問題。此外，當(dāng)前應(yīng)用在高壓縮比（12）增壓汽油機(jī)中的技術(shù)也可以應(yīng)用在氫燃料內(nèi)燃機(jī)中，如米勒循環(huán)、活塞冷卻、水套和活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)等，從而提高氫燃料內(nèi)燃機(jī)的幾何壓縮比。
第三，動力總成電氣化技術(shù)結(jié)合上述的高壓儲氫和高熱效率氫燃料內(nèi)燃機(jī)，將有效提高整車的續(xù)駛里程。使用已在汽油機(jī)乘用車中獲得應(yīng)用的串并聯(lián)混合動力技術(shù)，氫燃料內(nèi)燃機(jī)的整車NEDC續(xù)航有望超過700km。
第四，由于缸內(nèi)直噴氫氣噴射技術(shù)和渦輪增壓技術(shù)的進(jìn)步，氫燃料內(nèi)燃機(jī)升功率和升扭矩均獲得了很大提升，2.0L排量即可以滿足乘用車和輕型商用車的使用需求。如圖2所示，相比BMW在2006年發(fā)布的世界第一款批產(chǎn)氫燃料內(nèi)燃機(jī)，當(dāng)前的增壓直噴氫燃料內(nèi)燃機(jī)的升功率和升扭矩均大幅增加。
圖2 缸內(nèi)直噴和增壓技術(shù)使得氫燃料內(nèi)燃機(jī)的升功率和升扭矩大幅提高
第五，如圖3所示，原始HC和CO排放值達(dá)到了汽車工業(yè)用排放測試設(shè)備的最小測試極限。同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了Lambda>2.5的均勻混合氣稀薄燃燒，原始NOx排放在接近一半的工況下達(dá)到了小于10ppm的水平，如圖4所示。如果采用混合動力技術(shù)（如串并聯(lián)混動），則可以將發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)控制在NOx小于10ppm的區(qū)域。而為了實(shí)現(xiàn)整車近零排放，可以沿用在柴油機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟SCR后處理技術(shù)。
圖3 2.0L缸內(nèi)直噴、渦輪增壓氫燃料內(nèi)燃機(jī)的原始HC和CO排放
圖4 2.0L缸內(nèi)直噴、渦輪增壓氫燃料內(nèi)燃機(jī)的原始NOx排放及混合動力總成下發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)（WLTC）
第六 ，當(dāng)前適合高壓儲氫的加氫站建設(shè)速度明顯加快。今年1月到5月，國內(nèi)新增了越來越多的加氫站。
總結(jié)
氫燃料內(nèi)燃機(jī)的零碳排放特性使其成為實(shí)現(xiàn)汽車低碳化發(fā)展的重要技術(shù)路徑之一。過去20年來在燃料電池、內(nèi)燃機(jī)以及混合動力總成的技術(shù)進(jìn)步，使得氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以充分利用現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，促進(jìn)其在車用動力中的應(yīng)用。同時(shí)，氫燃料內(nèi)燃機(jī)具備的成本優(yōu)勢，將有助于提高氫氣的使用需求，從而推動氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。
