【未来卡车汽车发动机】国六之后，未来中重型卡车内燃机如何破局

一个世纪以来，世界的化石燃料消耗成指数增长，从而导致了一系列的环境问题，比如空气污染、酸雨以及能够引起土壤和水质恶化的污染物大量排放。在人为大气污染中，约有80%的一氧化碳产生于内燃机燃烧过程，有害物质氮氧化物的挥发也是不容小窥，我国对于车用内燃机的排放标准更是愈加严苛，从国一到国六标准实施的节奏也是越来越快，但是作为化石燃料燃烧的主要产物，二氧化碳的排放在传统内燃机中是不可能显著降低的，为了迎合新标准，不得不导致后处理升级的变本加厉，特别是让中重卡司机叫苦不迭。随着我国碳达峰碳中和标准实施时间的日益临近，车用内燃机系统真的要迎来灭顶之灾吗？

上图列出了传统内燃机的通用化学式。从图中不难看出，二氧化碳是化石燃料燃烧的主要生成物，也是温室效应的主要来源，而CO、HC和颗粒物是内燃机排放的主要污染物，只有水是无污染生成物。温室气体和污染物的主要来源就是燃料中的碳。换句话说，燃料中的“碳”是环境污染的罪魁祸首。因此“无碳、可再生”是理想的未来之选。

氢作为燃料的优点十分明显。首先，氢是清洁、可再生的燃料，燃烧产物是水和少量的氮氧化物，电化学燃烧（例如在燃料电池中）的产物只有水，氢具有广泛来源，是自然界最普遍存在的元素，是取之不尽、用之不竭的清洁能源。氢的热值高，与其他燃料相比，单位质量发出的能量，即比能量高。氢在发动机燃烧室中具有非常高的燃烧速度（大约是汽油的 6 倍）。氢还具有广泛的可燃性，这使得它可以在与空气混合不同比例（4-75%）的空气中燃烧，这使得我们可以使用非常稀薄的混合物。若将氢作为内燃机燃料，从终极意义上规避了含碳物质的排放，不仅解决了化石类原料的CO和HC的排放，也不会产生温室气体。

显然，以氢为燃料是解决内燃机燃烧有害物排放的根本途径。联想到氢，肯定就有许多人联想到了以氢燃料电池为续航“充电宝”的电动汽车。那为什么中重卡车不直接选择它呢？

电池电动汽车（BEV）具有相当大的潜力，特别是在城市私人和公共交通中，他们可以在短距离上实现零排放。燃料电池电动汽车（FCEV）则可以在需要延长范围的大型和重型车辆和卡车上表现良好，并成为原有电池电动汽车的续航“充电宝”。然而，纯电动有重量、成本、环境影响和充电时间长等问题，燃料电池有很高的热管理要求，不太坚固和耐用，燃料电池要求的氢气纯度需要大于99.9%，均需要使用贵金属做电极，目前其成本远高于传统内燃机结构，尤其是对于使用环境和成本要求极为苛刻的卡车运输行业，让普及变得投入巨大且遥遥无期。

相对于改变驱动机构，内燃机已经使用了百余年的历史，并得到了成熟服务体系的广泛支持。坚固耐用的发动机可以在多尘环境中工作，也可以承受剧烈振动，有各种规格和配置。从汽车制造商和车队运营商的角度来看，转向氢发动机传动系统涉及更加熟悉的零件和技术。

此外，在技术特性层面更加值得注意的是电动机的扭矩，它在低电机转速时非常高，但随着电机转速的增加而双曲减小。而电动机的动力（功率输出）是用一条平线表示，因为每个电动机都有一个恒定的额定功率，以避免过热和防止损坏电线绝缘。相比之下，内燃机的扭矩随着发动机转速的增加而或多或少保持不变 （特别是对于增压发动机的情况），氢发动机在更高的发动机转速下有更大的功率输出表现。因此，对于那些往往花费大部分时间来搬运最大负载的中重型卡车来说，内燃机通常是理想且高效的选择。

目前，氢动力内燃机同样是唯一已知的符合排放小于1gCO2/km严格欧盟规定的内燃机。与柴油动力发动机相比，氢动力发动机排放的其他污染物种类的水平也要低得多。除了氢发动机释放接近零的微量二氧化碳（来自环境空气和润滑油）之外，作为氢气燃烧的潜在副产品的唯一重要污染物是氮氧化物（NOx)。然而，使用先进的燃烧过程和相对简单的后处理系统，氮氧化物的排放可以减少到接近于零。氢动力内燃机的一个重要优势是，该技术可以在原有技术细节优化的基础上迅速进入市场，因此在未来几年可以逐步减少柴油汽车特别是中重型柴油卡车的使用，其技术实现难度和成本远小于氢燃料电池系统。