氢对置活塞发动机（H₂-OPE）技术解析与对比

有两种可行的长期氢动力选择：燃料电池和内燃机。与传统内燃机相比，氢气对置活塞发动机在效率方面具有先天优势，其效率接近或超过燃料电池。氢气对置活塞发动机，尤其是直接驱动形式的氢气对置活塞发动机，其复杂性要低得多，成本也比燃料电池更具优势。应将对置活塞氢发动机作为零排放长途解决方案进行开发和评估。

氢对置活塞发动机

实现无碳道路运输有三种可能的途径：电池电动汽车 (BEV)；燃料电池电动汽车 (FCEV)；以及使用可再生燃料和/或碳捕集与封存技术的内燃机 (ICE)。

除非在技术上有重大突破，否则BEV的重量和充电时间使其不适合长途运输，因此FCEV和lCE汽车是唯一具有长期商业潜力的解决方案。本文总结了使用可再生氢的对置活塞发动机的潜在优势。讨论分为两部分：FCEV和氢内燃机（H2-ICE）的比较；以及传统发动机和使用氢燃烧的对置活塞发动机的比较。

理想的动力总成将实现零CO₂和零标准污染物排放；在制造、运行和维修时可实现零CO₂和零其他有害污染物排放；并且在购买、运行和维修方面具有成本效益。购买和拥有的成本非常重要。如果解决方案具有成本效益，大众采用将更容易、更迅速。

应该清楚的是，沿着这三条可行途径中的任何一条创造真正的无碳交通解决方案都需要大量的时间和金钱，而且所有途径都存在巨大的技术风险。因此，在找到真正可持续的解决方案之前，应开发和考虑所有可行途径。

阿卜杜拉国王科技大学清洁燃烧研究中心教授James Turner在研究报告中表示，氢燃烧对置活塞发动机可以提供已知往复式发动机的最佳热效率，并有可能与氢燃料电池的车内效率相媲美。

氢燃料电池与氢内燃机车

氢燃料电池的魅力不言而喻，即使用无碳燃料高效地产生能量，并且只排放水。但细节也很重要。

燃料电池的优势

与H₂-lCE相比，氢燃料电池有两大优势：良好排放和高效率。要使H₂-ICE成为一种实用的替代品，就必须在这两个方面与燃料电池相媲美或接近。

直喷式二冲程发动机具有高功率密度和固有的低NOx排放的优点，因此是氢气燃烧实现NOx零排放的一个非常有前途和有趣的选择。由于对置活塞发动机具有更高的功率密度和效率，因此二冲程发动机的优势更为显著。

排放物

由于燃料中没有碳分子，未燃烧的碳氢化合物和微粒物质都不是问题。如图所示，如果氢燃烧足够稀薄（空气/燃料当量比 (lambda) ≥ 2.23），就会产生极低水平的氮氧化物，因此运行足够稀薄的往复式发动机将产生极少量的氮氧化物，并且可能无需后处理系统即可满足超低氮氧化物尾气排放要求。在适当设计的燃烧室中进行充分稀薄氢燃烧，可产生接近零的氮氧化物。与传统的氢气lCE相比，对置活塞发动机在低氮氧化物氢气燃烧方面具有如下所述的显著优势。

另一个需要考虑的尾气排放是二氧化碳。虽然以氢为燃料的往复式发动机在燃烧时不会产生CO₂，但往复式发动机需要润滑，一小部分润滑油（一般约为燃料的0.05%）会进入燃烧室并燃烧，形成CO₂，为了考虑到润滑油的燃烧，欧盟规定零CO₂动力系统的CO₂排放限值为1克/千瓦时。传统发动机和对置活塞发动机的耗油量都很低，因此在使用氢燃料时，预计它们的排放量将远远低于这一限值。

效率：

虽然燃料电池的峰值效率很高，约为60%，但有两个平衡因素：其一，如图 2 和图 3 所示，燃料电池的效率会随着负荷的增加而降低。柴油发动机历来被设计为在高负荷下高效运行。由于商用车主要以高负荷运行为主，因此H2-lCE可能特别适合商用车的高负荷运行。其次，系统效率是重要因素，而不是能量转换装置的效率。燃料电池要想高效运行，就必须在高于环境气压的条件下工作。用于给燃料电池系统加压的空气压缩机会消耗大量的寄生能量，尤其是在高负载时。阿贡国家实验室的交通研究中心通过测量丰田Mirai上的燃料电池堆和燃料电池系统效率，探索了这种效应。

测量结果显示，燃料电池堆效率低于50%，燃料电池系统效率在高负载时低于40%。系统效率急剧下降的原因是空气压缩机和其他系统附件的寄生损耗。

此外，燃料电池发电和电动机产生牵引力会产生双重转换损失。由于发动机可产生旋转动力，因此可直接与传动系统相连，从而减少能量转换损耗。

如下图所示，重型对置活塞柴油发动机（配置为超低氮氧化物）的峰值热效率略低于50%，集中在运行图中的高负荷区域，并有广泛的高效区域（制动热效率大于45%）。预计使用氢气作为燃料时，热效率将接近相同水平。

燃料电池的挑战

燃料电池有几个可能阻碍广泛采用的挑战：购买成本、可靠性和燃料纯度。

购买成本

购买成本当然很重要，因为它对应用有重大影响。虽然随着规模经济和经验的积累，燃料电池的成本有望大幅下降，但几乎可以肯定的是，在可预见的未来，氢燃料电池将拥有可持续的成本优势。由于氢气发动机源自现有发动机，因此除了材料成本差异外，还具有内在的规模经济优势。

里卡多公司（Ricardo）最近的一份报告估计，一辆44公吨重型卡车需要200kW的燃料电池和 160kWh的电池才能行驶800公里。里卡多公司估计，燃料电池和电池的成本为11万美元。如果按照他们的预测，到2030年燃料电池成本下降2/3，电池成本减半，那么该解决方案的成本将为4.4万美元。包括后处理系统在内的可比柴油发动机解决方案的成本约为20000美元。目前尚不确定氢燃料电池汽车的成本是多少，但初步估计基础发动机的成本可能与今天的柴油发动机差不多（不包括储氢系统，FCEV和氢内燃机汽车上都有储氢系统）。

即使燃料电池的成本大幅降低，与氢能内燃机相比，燃料电池在成本上仍有很大劣势。

可靠性

根据美国能源部的资料，燃料电池堆在实际环境中的耐用性目前约为商业化所需的三分之一。在过去几年中，耐久性已从29000英里大幅提高到57000英里，但专家预测，要使FCV与汽油车竞争，预期寿命必须达到150000英里。

寒冷天气的运行也会带来问题，因为燃料电池系统中总是含有水，而水在低温下会结冰，因此必须达到一定温度才能充分发挥性能。FCV现在可以在零度以下的温度下启动和运行，但仍然存在一些性能问题。最后，污染物会降低燃料电池的性能和耐久性，因此目前还不清楚FCV在实际条件下可靠运行所需的氢气和进气纯度。而商用车发动机目前预计可以可靠运行1000000英里。

燃料纯度

长途运输卡车首选的燃料电池配置是质子交换膜燃料电池 (PEM)。正如美国能源部关于可靠性的声明所述，PEM燃料电池需要几乎纯净的氢气。

内燃机的另一个优点是所需的H₂纯度为98%~99%，而燃料电池的纯度几乎为100%。因此，这意味着用于燃料电池的H₂的生产和分配成本也会更高。

氢气对置活塞发动机（H₂-OPE）与传统氢气发动机的比较

技术挑战，H₂-OPE面临的两大技术挑战是燃料喷射和点火源。

燃料喷射

对置活塞发动机采用端口关闭后直接喷射的方式，以避免燃料短路排出的风险。氢气的高压喷射器具有挑战性，因为氢气分子小，容易泄漏，但直接喷射可实现高压缩比，从而提高效率，增加功率和扭矩，直接喷射还可避免回火风险。有几家公司正在开发氢气高压喷射器，包括Bosch和Westport fuel Systems。

点火源

氢具有很强的抗自燃性，因此不适合压燃。通常需要火花塞或其他点火源。Achates Power喜欢在对置活塞发动机中使用压燃，因为它可以在燃烧室中部进行燃烧，从而实现清洁、高效的燃烧，并将综丝减少到最低程度。增加火花塞是一个新的设计元素。对置活塞发动机在气缸圆周上有安装多个火花塞的空间。再加上氢气燃烧的火焰速度较快，在对置活塞发动机中进行火花点火可实现稳定而强劲的燃烧。

对置活塞发动机OPE的优点

与传统发动机相比，OPE在氢燃烧方面具有显著优势，包括高效率、低氮氧化物、高功率密度和低成本。

高效率

与传统发动机相比，OP发动机具有固有的效率优势。许多组织都对这些优势进行了研究，包括 Achates Power、通用汽车公司、本田公司、巴斯大学和摩德纳大学。通用汽车公司研究表明，对置活塞二冲程发动机的效率优势主要是由于取消了气缸盖和降低了表面积与体积比，从而降低了缸内热损失。效率高是一个重要因素，因为在相同能量下，氢燃料可能比柴油燃料更昂贵。

低氮氧化物(NOx)

如上所述，往复式发动机在充分稀薄燃烧（λ≥2.2）的情况下产生的NOx。

传统发动机一般在大约50%的负荷内达到充分稀薄燃料的水平。如图6所示，超过50%的负荷时，传统的氢燃烧发动机必须降低空燃比，以获得高功率密度，通常是达到定量燃烧（lambda = 1），这会产生高浓度的氮氧化物。

相比之下，对置活塞发动机运行时的功率自然较低，因为作为二冲程发动机，它可以更好地在排量和制动有效压力 (BMEP) 之间进行优化。由于二冲程发动机的每个气缸在每次旋转时都会发生燃烧（频率是四冲程发动机的两倍），因此它具有固有的高功率密度。这种功率密度优势可用于减小排量（减小体积和成本）或降低 BMEP（除其他外，还可使发动机在相同增压水平下低油耗运行）。实际上，与功率和扭矩相同的传统发动机相比，Achates Power设计的对置活塞发动机可以同时利用更小的排量和更低的BMEP。

图7显示了使用柴油的10.6升对置活塞发动机在整个速度-负荷图上的空气-燃料 (A/F) 比率。使用柴油的A/f比率高于27:1，符合氢气A/f  lambdao 为2.2或更高的低氮氧化物标准。对于低氮氧化物氢气燃烧来说，几乎整个工作范围都已经足够稀薄燃烧。只需少量的额外增压，就能在整个范围内实现低氮氧化物运行。

OPE还有另一个低氮氧化物优势。捕集废气（EGR）在减少氢气的NOx形成方面与柴油燃料具有相同的效果。外部EGR对氢气燃烧具有挑战性，因为废气中水的比例较高，会导致凝结问题。然而，OP发动机能够动态控制清除和捕集条件。图8显示了对置活塞柴油发动机中的残留物。内部 EGR 是理想的氮氧化物抑制剂，因为它既能带来好处，又不会产生额外的泵送工作或冷凝问题。

高功率密度

与汽油或柴油燃料相比，贫氢燃烧的功率密度较低。但如上所述，作为一种二冲程发动机，OP发动机在排量和BMEP之间进行了有利的权衡，使其能够以更高的功率密度运行，而不会产生过高的峰值气缸压力。

成本低

与H₂-ICE相比，H₂-OPE可能具有显著的成本优势。如上所述，H₂-OPE 在发动机的整个工作范围内都是低油耗运行，因此氮氧化物排放量极低。

结论

没有理想的动力系统。电池、燃料电池和发动机的制造和运行都需要能源，制造、使用和服务都需要成本。然而，氢气对置活塞发动机具有许多吸引人的特点，因为它们可以高效运行，标准排放非常低。与氢燃料电池相比，氢对置活塞发动机在成本和可靠性方面的优势将持续很长时间，因此应将该对置活塞氢内燃机作为向无碳和可持续交通过渡的可行选择加以考虑和开发。