科普 | 什么是氢内燃机？

在全球节能减排的大背景下，交通运输行业加快推进减碳、脱碳进程已迫在眉睫。氢能已成为商用车和内燃机企业竞逐的焦点。其中，氢内燃机不但能满足减排要求，而且在使用成本上可与传统内燃机相媲美。这一独特优势，使其在众多新能源动力技术竞争中脱颖而出，成为众多企业优先采纳的解决方案。

01 氢内燃机的定义

氢内燃机是一种利用氢气作为燃料的内燃机。与传统的汽油或柴油内燃机不同，氢内燃机燃烧氢气时产生的主要排放物是水蒸气，因此它被认为是一种清洁的能源技术。氢气通过与空气中的氧气发生化学反应，释放出能量，推动发动机的活塞运动，从而产生动力。

氢内燃机的研究和发展可以追溯到19世纪初。瑞士人伊萨克·代·李瓦茨在1807年制成了世界上第一款氢气内燃机。然而，由于当时技术水平的限制，氢气内燃机并未得到广泛应用。1968年，前苏联科学院用汽车发动机进行了分别燃用汽油和氢的试验，改用液氢的结构方案，发动机热效率提高，热负荷减轻。

1972年洛斯阿拉莫斯实验室把一辆别克牌轿车改成液氢汽车，发动机是一台增压的六缸四冲程内燃机，充装一次液氢后行驶274km。上世纪70年代后，苏联、德国、日本、美国、中国都有氢内燃机的技术投入，主要是实验室产品和概念车。

例如，宝马公司从1978年开始研发以氢气为燃料的内燃机汽车，并成功推出了几代氢燃料内燃机驱动的轿车。

02 氢内燃机的工作原理

氢内燃机的工作原理与传统内燃机类似，但其燃料供给系统和燃烧过程有所不同。在氢内燃机中，氢气通常以气态形式储存，并通过精确控制的喷射系统注入到燃烧室中。由于氢气的

燃烧速度非常快，因此需要对点火时机和混合气的浓度进行精细的调节，以确保发动机运行的平稳和效率。

可以简单的理解为烧氢气的发动机，其基本原理与普通的汽油或者柴油内燃机的原理一样，是基本的汽缸—活塞式的内燃机，同样是按照吸气——压缩——做功——排气4个冲程来完成化学能对机械能的转化，只是氢内燃机里的燃料是氢气。

03 氢内燃机的构造

氢内燃机的构造和汽柴油内燃机类似。部分设备需要为了应用氢气而进行改良。

素材来源：宝马汽车（AI生成背景）

1、改进的燃烧系统气门和气门座：由于氢气的特殊性质，氢内燃机需要硬化气门和气门座，以提高耐久性和抗腐蚀性。连杆：更坚固的连杆用于承受更高的燃烧压力。火花塞：非铂金尖头火花塞，因为铂金在高温下可能会与氢气发生反应。点火线圈：更高电压的点火线圈，以确保氢气能够可靠地点燃。

2、燃料供给系统喷油器：专为气体而不是液体设计的喷油器，用于将氢气精确地喷射到燃烧室内。进气歧管：改良的进气歧管，以优化氢气与空气的混合。增压器：正压增压器，帮助提高进气效率。

3、发动机管理系统电子控制单元（ECU）：用于精确控制氢气的喷射量和点火时机，以优化燃烧效率和排放。

4. 其他改进曲轴阻尼器：更大的曲轴阻尼器，以吸收燃烧过程中产生的振动。缸垫材料：更强的缸垫材料，以应对氢气燃烧产生的高温。发动机油：高温发动机油，以保护发动机内部部件免受高温影响。

04 氢内燃机的优势

此外，氢气的补充过程比充电电池快得多，这使得氢内燃机在某些应用场景中具有明显的优势。

图片来源：潍柴动力

高效：氢气的能量密度高，意味着它可以提供较高的能量输出，这意味着在相同体积或重量下，氢内燃机可以提供更长的行驶距离。

低成本：氢内燃机的成本相对较低，特别是与氢燃料电池相比。氢内燃机的装置成本与汽油机相当，而且大部分零部件可以与现有内燃机通用，这大大降低了开发和生产的成本。此外，氢内燃机对氢气燃料的纯度要求较低，无需深度提纯，这也进一步降低了成本。

环保：氢内燃机的排放物主要是水蒸气，几乎没有其他有害物质，如二氧化碳、一氧化碳和碳烟颗粒，因此对环境友好。

适用性和兼容性高：氢内燃机可以沿用现有的内燃机工业体系进行开发，大部分零部件与现有内燃机成熟产品通用。这意味着氢内燃机可以在现有的生产线中制造，无需大规模的投资建设新的工厂和设备。

无冷启动问题：氢内燃机不需要热机，不存在冷启动问题，具有较好的燃料经济性。这对于寒冷地区的车辆使用尤为重要。

05 氢内燃机存在的问题

虽然氢内燃机有诸多优势，但其自身发展依然存在不少问题。首先是氢内燃机的化学计量空燃比为34:1，这意味着需要两倍的空气来完成燃烧产生能量，在相同气缸容量下，汽油机的功率是氢内燃机的两倍以上，为了抵消这种功率损失，氢发动机必须变大，加上发动机材料的改良可能导致的重量增加，也会影响车辆的经济性。其次就是老生常谈的安全性问题，氢气必须减温或者加压让其以液态方式储存，这对材料的要求非常高，不过这不是不能解决的问题。另外一个就是防止泄漏的问题，毕竟气态下的氢气极不稳定，所以需要安装特殊的传感器进行监控。未来技术升级可能用金属储氢来弥补氢气泄露的问题。金属储氢拥有的能量9倍于普通氢，极有可能成为未来航天界的新型燃料，至于民用化应用，则可能再需要些时日。

06 国内氢内燃机的政策支持

去年8月，工信部对以“关于鼓励发展零碳排放氢气发动机”为主题的建议作出答复，下一步将积极配合相关部门制定氢能发展战略，研究推动将氢气内燃机纳入其中予以支持。工信部将根据氢气发动机技术进步和应用推广情况，进一步评估现行标准体系的适应性和差异性，提前布局相关标准预研，适时推动急需标准制定，有力支撑氢气汽车科学合理发展。去年12月，工信部印发《“十四五”工业绿色发展规划》，再次提出发展氢燃料燃气轮机。技术多样化发展能够最大程度保障氢能产业发展方向不发生严重偏离，因此国内在积极推动燃料电池技术发展的同时，也同样没有放弃对氢内燃机的关注。一些迹象表明，国内对氢内燃机领域的探索正悄然兴起。

07 氢内燃机相关企业

氢内燃机领域展开布局的企业多以汽车零部件巨头及车企为主。原因在于：车用内燃机作为我国碳排放“大户”以及交通运输的主要动力，面临着双碳目标下新旧动能转换的“大考”，大部分汽车零部件巨头及车企均加快了技术探索的步伐，而集合了“发动机＋氢能”基因的氢内燃机成为这些企业的重要突破点。 

一汽解放：

2021年4月，由中国一汽自主设计研发的首款红旗2.0L氢能专用发动机在研发总院试制所顺利下线交付，并于当月在北理工实现点火。该发动机基于中国一汽最先进的第三代汽油机产品平台自主研发，发动机排量2升，目标热效率大于42%。2023年10月16日，一汽解放表示，将不断加大氢内燃机方面的研发投入，在2022年首发点火后，一直在推进开发工作，目前已进入整车试制阶段，计划2024年3月交付用户示范运行。

 广汽集团：

2021年9月，广汽集团自主研发的首款氢气发动机点火成功。该发动机基于广汽第四代发动机平台自主研发，广汽集团拥有完全自主知识产权，采用了多种新技术，以确保发动机平稳运行，热效率可达44%。 

玉柴集团： 

2020年，玉柴集团已经完成了50%热效率内燃机的技术研发工作。2021年12月，玉柴集团在北理工发布中国首台商用车燃氢发动机YCK05。该燃氢发动机采用高压多点进气道喷射技术、高效低惯量涡轮增压技术、氢气专用SCR后处理、高效稀薄燃烧技术等多项先进的专项技术，并对整机结构、燃烧和配气等子系统进行全面优化升级，攻克了燃氢发动机易回火、易爆震等技术难题，热效率达到42%，能广泛应用于公交、市政、环卫、物流配送等场景。

康明斯：

2021年7月，康明斯宣布开始氢内燃机开发的前瞻测试。此项概念验证测试基于康明斯行业领先的气体燃料应用和动力链技术基础，旨在进一步探索先进零碳技术发展的新路径。2021年9月，康明斯宣布其氢燃料内燃机（H2-ICE）计划正在开始开发中型6.7升和重型15升发动机。

德国道依茨股份 ：

道依茨公司是一家有超百年历史的全球领先动力系统独立制造厂商，于1864年创立于德国科隆，先后开发了世界上第一台往复式内燃机、四冲程内燃机、矿用内燃机车、风冷柴油机。来源：商用车诊断仪公众号、电能车志等。