在内燃机诞生的一个多世纪以来,其工作原理就一直未曾改变,但热效率则从最初的4%提升至潍柴动力51.09%,这已经是内燃机的顶峰,这也意味在现有的技术路线之下,内燃机往后想要在效率、能耗上再突破,困难程度、需要付出的成本将无比巨大。
再加上新能源化潮流的到来,内燃机更加无法满足需求,寻找各种可能的替代动力成为了近几年各大厂商的技术研发方向。
面对新能源,第一个想到的就是纯电动,但对于商用车而言,它并不能完全满足使用的工况,特别是对于一些长途运输来说,纯电动的续航里程、自重、充电都是个大问题,使用效率要远远低于现有的内燃机驱动车型,这不符合经济逻辑。
而除纯电动外,还有氢燃料电池、混合动力形式也在不断的实现装车使用,但这两者用在商用车上也并不是特别完美,前者生产制造成本高居不下,而后者始终需要依靠内燃机,不是最终的解决方式。那么未来最有可能成为主流动力的可能就是氢气发动机了。
就在最近的一两个月,一汽解放、中国重汽&潍柴动力、广西玉柴、上海新动力等相继发布自己的氢气发动机,而且发布的还是已经可以运行的产品,这离最终落地使用相当的接近了。氢气发动机,有些厂商也叫氢气内燃机,我觉得后者更为贴切,故下文统一称为氢气内燃机。
一汽解放 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。本款氢气发动机属13L重型发动机,运转功率超500马力,指示热效率突破55%。
技术特点:本次发布氢气直喷发动机所基于的零碳氢基内燃动力孵化平台,具备氢气单燃料缸内直喷、氢气单燃料缸内和气道混合喷射、氨气和氢气双燃料喷射能力,可灵活转化成氢气、氨气等净零碳燃料产品。
中国重汽&潍柴动力 6月15日
在今年的山东重工新科技成果展上,中国重汽、潍柴动力联合发布全国首台商业化氢内燃机重卡——黄河高端重卡,搭载潍柴动力自主开发的13L氢内燃机。该机型攻克了一批卡脖子技术难题,掌握了一批原创性专利技术,实现了有效热效率41.8%。
技术特点:潍柴氢气内燃机采用精准氢气喷射控制技术,实现氢燃料灵活准确供给,可充分满足发动机变工况需求;采用高效增压、稀薄燃烧技术,解决了氢气异常燃烧难题,确保发动机平稳高效运行;采用潍柴自主ECU系统,智能控制、自主可控,确保控制策略定制化开发。
广西玉柴 6月30日
由广西玉柴机器股份有限公司(以下简称玉柴)自主研发的YCK16H燃氢发动机在高效节能环保内燃机国家工程研究中心成功点火。该款发动机排量达15.93升,最大马力达560马力。
技术特点:此次点火的YCK16H燃氢发动机采用了先进的燃料高压共轨、高压缸内直喷技术和双流道增压技术,可以按需求在缸内实现均质燃烧或者分层燃烧,动力性更强、热效率更高、稳定性更好。该平台对燃料纯度的适应性高,可以适配灰氢、绿氢、甲醇在线制氢等多种途径制备的燃料。
上海新动力 7月1日
上海新动力汽车科技股份有限公司首台直喷式氢气发动机在试验认证部试验基地点火成功!该款直喷式氢气发动机排量12.8升,设计最大马力480马力,采用领先的缸内氢气直喷技术,热效率高达44%。
从目前公开的信息中得知,这些氢气内燃机都是基于各个品牌旗下的重型发动机平台打造,或者说是面向重型发动机研发的,而在技术方面,也同样是着重解决氢气燃烧的问题,基本都采用的是高压缸内直喷,通过稀薄燃烧、分层燃烧等技术保证氢气在气缸内的燃烧正常。
而在这些氢气内燃机都成功点火的厂商当中,只有潍柴是实现了装车,大家如果有印象的话,在今年的冬奥会上作为雪蜡车的牵引主车的重汽黄河重卡,就是搭载该款机器,离实际的应用更近一步。
氢内燃机有别于氢燃料电动,前者可以简单的看做是柴油发动机的燃料换成了氢气,而后者只是一个发电储存在电池里利用电机驱动的形式。
氢气内燃机的好处在于,氢气本身就是一种清洁燃料,燃烧后的产物只有水,符合未来的环保要求,其次是氢气内燃机可以在目前现有的柴油发动机的基础上打造,可以共用很多零部件,降低制造成本。相较于氢燃料电池的技术路线,系统的复杂程度、成本都可以有不同程度的降低。
那么要实现氢气在内燃机中燃烧工作,有哪些制约因素?
氢气学过化学的都知道,这是一种极易燃烧的气体,而且燃烧速度极快,易回火、易爆震,这就对发动机气缸内的点火时间有更为苛刻的要求,同时由于氢气是理想的高能燃料,燃烧性能出色,点火能量低但燃烧单位热值高,这就造成气缸内部的工作温度高,而高温又容易再次提前点燃氢气,造成回火、早燃。
因此可以看到,在这些点火成功的氢气内燃机的介绍中,总会提到在燃烧方面的技术特点,有采用高压缸内直喷、分层燃烧、稀薄燃烧等技术,目的就是为了让氢气在气缸内最优燃烧,保证动力性、经济性。
解决了氢气发动机燃烧的技术问题后,对于氢气内燃机以及氢燃料电池的使用更大的制约因素还是在氢气的制造、运输、存储、成本上,这并不是单一的厂商能够解决的,这个只能靠相关部门来统筹规划,让制氢、储氢、运输氢氢成为一个成熟且规模化的产业链,降低各个环节的成本,才有机会付诸实用。
氢气内燃机的成功点火,对于国内的商用车行业来说是一个好的开始,为未来储备技术,在需要的时候可以随时切换,同时还能占领技术高点,对外输出。在我看来,氢气内燃机才是最有可能替代现有的传统化石燃料内燃机的技术。