整零不约而同展开布局 氢内燃机何以锋芒初露

炎炎盛夏，国内汽车行业也掀起了一波氢内燃机“热”。
　　一直以来，氢能在汽车领域的应用备受关注，而除目前备受关注的燃料电池汽车之外，氢内燃机打开了氢能在汽车行业落地的又一扇窗。今年6月以来，氢内燃机的相关新闻屡见报端，吉利、一汽、广汽、潍柴、玉柴、上海新动力等企业的氢内燃机成果纷纷出炉。一时之间，氢内燃机俨然成为汽车产业链上下游的热门标的。
　　国内外整零企业行动起来
　　对于汽车行业而言，氢内燃机似乎“才露尖尖角”，企业和资本却早已蜂拥“立上头”，一场关于氢内燃机的市场棋局正悄然开局。
　　在乘用车方面，在6月28日举办的广汽科技日上，广汽1.5L氢内燃机首发亮相，同时，该公司还发布了一款全新的氢能源概念车“绿境SPACE”，其动力系统是由1.5L氢发动机＋两挡双电机＋插电式动力电池组成。
　　在商用车领域，整车和零部件企业氢内燃机点火成功的消息此起彼伏。6月8日，由一汽解放自主设计研发的国内首款重型商用车缸内直喷氢气发动机成功点火并稳定运行，运转功率超过368kW，指示热效率突破55％。6月15日，中国重汽和潍柴动力联合发布全国首台商业化氢内燃机重卡，配装潍柴动力自主开发的13L氢内燃机，实现了有效热效率41.8％。6月30日，玉柴YCK16H燃氢发动机在广西玉林点火成功，排量达15.93L，最高功率达412kW。据介绍，这款产品是目前国内排量最大、功率最高的氢发动机，可广泛用于49吨牵引车等重型商用车和分布式能源等场景。7月1日，上海新动力首台直喷式氢气发动机点火成功，排量为12.8升，设计最大功率353kW，热效率高达44％。
　　短短一个月时间里，国内汽车产业链龙头企业不约而同地集中火力发布氢内燃机成果，并非偶然。从全球市场来看，一些整车和零部件企业也闻风而动。今年5月，康明斯正式发布15L氢内燃机，并计划于2027年全面投产，同时还在6月宣布加入氢能发动机联盟。除康明斯外，该联盟汇聚了包括博世、戴姆勒卡车和卡尔斯鲁厄理工学院等整车企业、零部件供应商和学术机构等领域的代表，致力于推动氢内燃机技术研发。此外，领跑燃料电池汽车的丰田也加快了氢内燃机研发的步伐。此前有报道称，丰田与雅马哈合作开发一款5.0L氢动力V8发动机；近日，丰田与日野、五十铃、电装、商用日本伙伴关系技术公司（CJPT）5家企业联合宣布，将共同启动面向大型商用车的氢内燃机的规划和基础研究工作。此外，德国慕尼黑的氢能公司Keyou也在今年4月宣布，将测试两款搭载氢内燃机的商用车，分别是总重18吨重卡与12米的城市客车。
　　成本优势带来突围可能性
　　国内外整零企业竞相跻身氢内燃机赛道，让更多人开始关注到这条技术路线的价值与潜力。
　　在汽车领域，燃料电池与氢内燃机被认为是氢能在动力系统领域突围的两条路径。目前，人们对燃料电池汽车司空见惯，采用这一技术路线的公交车在国内不少城市投入示范运营，相比之下，外界对氢内燃机则十分生疏。
　　“事实上，氢内燃机不是一项全新技术，在上世纪末，氢内燃机与燃料电池的研究基本上同步，德、美等国的汽车企业和科研机构都曾投入其中。不过，受限于材料、技术等因素，氢内燃机并没有得到大规模发展，尤其随着燃料电池技术的快速进步，氢内燃机进入一个相对低潮的阶段，但行业对于氢内燃机的学术研究从未停止过。”国家燃料电池汽车及动力系统工程中心副主任马天才告诉《中国汽车报》记者。
　　为什么最近我们国内氢内燃机这么“热”？马天才认为，一方面，所有的技术都是螺旋式上升的，氢能的发展备受关注，在燃料电池的耐久性、成本、环境适应性面临一些挑战的情况下，产业链又开始转而关注氢内燃机，重启了研发。而除了技术发展的必然趋势外，另一个很重要的原因在于，国家对氢能产业的重视以及“十四五”期间内燃机相关项目得到了支持，更是激发了产业的热情。
　　在节能减排的全球共识下，乘着实现“双碳”目标“东风”，氢能的发展已然站上“风口”。不过，作为氢能在汽车领域的落地路径之一，成本居高不下依然是摆在燃料电池汽车面前的难题之一。燃料电池汽车短时间内无法大规模推广叠加节能减排的现实需求，让沉寂许久的氢内燃机重回大众视野。“对比之下，氢内燃机最大的优势恰恰在于成本。”北京理工大学教授孙柏刚向记者表示，氢内燃机解决了初始的购车成本和未来的使用成本两个问题。
　　“具体而言，内燃机和燃料电池均可以用氢作为能源燃料，从能源转换成动力的过程看，燃料电池是依靠电堆中的氢气与氧气发生电化学反应，产生电能驱动车辆；而氢内燃机的原理类似于传统内燃机，保留了其主要结构与系统，对氢气燃料的成分变化不敏感，因此，在燃料使用要求方面，对氢气纯度的要求较低。同时，氢内燃机不需要贵金属催化剂，也在很大程度上解决了燃料电池技术的高成本问题。未来，氢内燃机应用场景将更宽广，更具成本和推广优势。”玉柴股份总工程师林铁坚表示。
　　“此外，与燃料电池相比，氢内燃机与传统内燃机有比较多的共性技术链，包括一些关键零部件等，可沿用现有内燃机工业体系进行开发，可在原有技术细节优化的基础上快速进入市场，大幅缩短研发周期，技术转化更有成本优势，具备了初步的产业基础。”马天才介绍道。
　　对此，一汽解放发动机事业部（以下简称“发动机事业部”）前瞻技术研究院相关负责人也向记者表示，氢内燃机在全生命周期成本（TCO）方面具备优势，作为主要的产品技术路线之一，发展前景乐观。据介绍，基于对氢内燃机和燃料电池碳中和技术路线发展趋势的判断，发动机事业部前瞻技术研究院布局了燃料电池以及氢内燃机的双产品技术战略，以更好地适应不同细分市场的需求。2021年，发动机事业部同时启动了重、轻型两款氢气发动机相关科研项目开发，其中6HM4重型氢气发动机排量13L，4HB轻型氢气发动机排量2.5L，目前均进入台架性能试验开发研究阶段。
　　落地面临共性与个性挑战
　　“目前来看，氢内燃机的发展还处于最初始的阶段。”孙柏刚表示，虽然企业接连发布氢内燃机点火的消息，不少厂商还推出了一些样机，但后面还有很多艰难的工作要做，比如，基础验证及突破氢气喷嘴等关键零部件瓶颈。目前，行业在可靠性台架验证方面投入的经费和精力仍较少，这些问题解决起来需要时间。
　　“国内零部件供应商已充分意识到车企的需求，并逐渐开始参与到氢内燃机的开发中。不过，相关产业化技术研发可以说只是刚刚起步，现在国内基本还都处于技术研究阶段，产品成熟度比较低，可靠性开发基本也还未启动。”一汽解放发动机事业部前瞻技术研究院相关负责人指出，国内商用车企业开展氢气发动机技术研发基本上始于2020年，快的话今年可以进入性能试验开发阶段，而根据传统柴油和天然气发动机的开发周期和经验，氢内燃机距离产品化研发并具备市场批量应用，至少还要5年的时间。
　　从技术创新和产业发展的实际情况来看，氢内燃机也面临一定的挑战。“氢内燃机在综合成本、使用便利性上具有优势，但与此同时，在性能和可靠性方面存在技术挑战，由于氢气点火能量低、燃烧速度快、燃烧温度高，使其容易发生早燃、回火和爆燃等问题。这几个方面不控制好，氢能发动机无法正常工作。此外，从效率方面来看，氢内燃机的热效率依然是短板，相关技术有待进一步突破。”天津大学教授姚春德说。
　　“如何在可靠性和安全性上做到绝对保障，具有相当大的技术挑战，需要企业在试验开发过程中模拟验证各类故障失效模式。所以，开发氢内燃机的难度和风险要比传统发动机高，挑战也更大。”一汽解放发动机事业部前瞻技术研究院相关负责人表示，“就目前的产品技术而言，燃料电池动力的效率比氢内燃机要高。我们通过现有内燃机研发资源，开发高效率燃氢发动机技术，缩小其与燃料电池动力效率的差距，甚至做到与燃料电池动力相同的效率。”
　　此外，氢内燃机的劣势之一还在于高温燃烧后尾气排放中的氮氧化合物含量。对此，孙柏刚表示，从排放的角度来看，燃料电池是零排放，而氢内燃机增加了一些氮氧化物排放，如何把其降到最低甚至零排放，需要实现传统技术的多方面突破，这也是他和团队目前研究的重点方面。“按我们现在的控制策略，已经可以解决安全问题，也能做到大多数车用工况下氮氧化物的零排放。未来，随着技术的进步和产业的发展，氢内燃机有望突出重围。”孙柏刚对记者说。
　　事实上，无论燃料电池还是氢内燃机，两种技术路线的商业化推广都受制于制氢、储氢、运氢产业链的成熟与配套基础设施建设的完善。“燃料电池与氢内燃机面临的共同问题是氢的成本和高效存储。一方面，如何把氢能高效存储起来，车载储氢系统是亟待解决的重点问题。另一方面，制氢、储运成本高以及加氢站建设等同样限制着氢内燃机的发展。”在马天才看来，氢能汽车最核心的问题是制氢、用氢成本，只有解决这些问题，氢内燃机才有可能实现大规模推广应用。
　　成本优势如何转化为产业红利
　　作为实现“双碳”目标的重要一环，氢能在汽车行业的落地应用成为关键，而氢能产业的发展壮大离不开政策的持续赋能。
　　近年来，政策的赋能让燃料电池技术路线收获了大大小小的光环，从《新能源汽车产业发展规划（2021～2035年）》，再到各地对氢能的产业发展规划，燃料电池汽车的相关利好政策层出不穷，产业发展已迈向示范推广阶段。
　　相比之下，氢内燃机产业并没有建立起其他技术路线具备的政策优势。目前来看，各地发布的氢能汽车补贴政策，大多针对燃料电池汽车，氢内燃机汽车尚不在其列。为了助力氢内燃机技术早日投入使用，相关企业也在积极争取支持。今年全国两会期间，人大代表、广西玉柴机器股份有限公司新品试制装配工段工段长许燕妮提出，全国氢内燃机已成为发动机行业落实“双碳”目标的重要路径之一，建议尽快出台和完善氢内燃机政策法规。全国人大代表、吉利商用车集团首席科学家刘汉如也已连续两年为氢内燃机发声，建议将氢内燃机同样纳入氢能发展战略并设立专项，建立若干示范工程等。
　　“目前来看，在汽车行业，国家对氢燃料电池的政策倾斜会多一些，国际上对氢能的主流利用也集中在燃料电池领域。不过，政策的支持并不代表未来产业发展的全部，只是意味着存在一种发展的可能性。从科研的角度，我们希望看到不同技术路线在市场上公平竞争。”马天才表示。
　　“现阶段，氢内燃机还很少有国家级科研项目立项，因此，我们更希望氢内燃机技术在创新平台和技术交流方面能得到相应支持。”孙柏刚呼吁道，氢内燃机本身就具有成本优势。未来，氢内燃机的目标是在即使没有政策补贴的情况下，也可以靠产品赢得市场，做到与传统动力一样的程度，“所以，我们现在呼吁国家政策并不是从补贴角度，而是呼吁能给予氢内燃机与燃料电池同等的待遇，比如，路权以及实现零碳排放之后的积分认定等。”
　　“当然，政策支持的前提是要让国家看到氢内燃机的真实实力，让大家看到氢内燃机在零碳排放和成本方面的优势。我们有信心把它搞好，但也并不意味着产业的发展将是一马平川，这就需要企业在政策出台前做好相关开发工作。未来，企业研发投入越大，产业化进程也就会越快。我认为，半年到一年左右的时间，大家对氢内燃机点火的热情会逐渐下降，届时，这也不会是什么新闻了，进而转到深入开发的阶段。只有在这个时候，才可能会暴露一系列产业发展的共性问题，比如，现有机油的换油周期很短，还没有一款机油能够直接用在氢燃料发动机上。”孙柏刚直言。
　　一汽解放发动机事业部前瞻技术研究院相关负责人表示，根据现阶段情况分析，未来氢气发动机技术路线主要有进气道喷射、缸内低压直喷和缸内高压直喷三种。企业将根据国内局部副产氢较多地区对氢内燃机的需求，优先考虑技术成熟度相对较高的进气道喷射技术路线开展氢气发动机产品研发；同时，将分阶段进行缸内低压直喷和缸内高压直喷氢内燃机技术的零部件自主研究和发动机产品开发。
　　而从氢内燃机主要应用场景的探索来看，目前，企业的相关动作主要集中在商用车尤其是重型车领域。“氢内燃机更有利于实现高功率，如16L氢发动机功率已超过500马力（约合368kW），同时其最高热效率区在高负荷输出段，而燃料电池的高效率区在低负荷输出段，显然氢内燃机更适合重卡等商用车使用。考虑到氢内燃机的性能特性，重型商用车、固定发电等领域更有利于氢内燃机发挥作用。”林铁坚说，更何况在乘用车领域，纯电动技术已占据较大的市场竞争优势。
　　“尤其在高速工况较多的牵引、载货等城际物流车领域，未来，氢内燃机结合混动技术、先进增压技术可以进一步改善性能、提升效率。”一汽解放发动机事业部前瞻技术研究院相关负责人也指出，氢内燃机在商用车的应用与天然气发动机一样，都需要安装一套占用空间和重量的供应和储存系统，考虑到成本的增加，氢内燃机动力更适用于重型商用车。
　　“不过，这并不意味着氢内燃机不能用于乘用车。”孙柏刚认为，在重型车上，氢内燃机比燃料电池有优势，但也不能以偏概全说氢内燃机比燃料电池好，或燃料电池就一定比氢内燃机强。“从技术上讲，在乘用车和商用车领域，开发一款小排量和大排量氢发动机的投入和难点不同。比如，大发动机缸径较大，面临的爆震风险也比小发动机要大很多倍。我认为，未来3～5年，氢内燃机会实现对局部应用场景的开拓，在乘用车和商用车领域都有可能。”
　　那么，如何将氢内燃机的成本优势转化为产业红利？“氢内燃机在乘用车、轻重型商用车等细分领域的发展取决于基础体系的完善、整车成本和用户加气便利性。”一汽解放发动机事业部前瞻技术研究院负责人表示，如果每次加氢的行驶里程能与现有传统动力里程或与纯电动汽车行驶里程相当，氢内燃机在这些细分领域都具有较强的竞争力和应用前景。
　　“无论燃料电池还是氢内燃机，最终都要接受市场化的检验，因此，经济性就成为最重要的参照。”马天才也认为，氢内燃机的规模应用有赖于供氢以及基础设施的建设，如果有了低成本的氢和更便捷的加氢站，整个产业链的成熟度提升，其商业模式也就成立了。目前来看，燃料电池技术的成熟度比氢内燃机要高一些，但从产业基础的角度来看，一旦突破了氢内燃机的关键瓶颈，其发展速度可能比燃料电池还快。