碳中和背景下内燃机低碳和零碳技术路径及关键技术

大量研究表明，全球气候变暖与人类活动排放的 CO2 等温室气体密切相关，尤其是第一次工业化革命以来，大气中 CO2 浓度急剧升高，目前超过 400 ppm (1 ppm = 10-6)，为工业化前 CO2 浓度的 145%，造成极端天气频发，危害人类生存。碳中和（carbon neutrality）是人类为了自身长久生存和可持续发展达成的最大共识，是人类由工业文明向生态文明发展的必然选择。碳中和的本质是一场能源革命，是可再生能源革化石能源的命，会带来能源相关上下游产业链的调整与重组，相关产业挑战和机遇并存。碳中和能源革命，从宏观层面看，对中国更意味着一次重大的发展机遇。内燃机是当今世界上道路交通、非道路移动机械和国防装备的主要动力。随着能源的低碳化和零碳化以及动力装置的电动化和智能化发展，内燃机面临纯电动力和燃料电池动力的激烈竞争，全球也不时有“禁燃” 的声音，如何在碳中和及电动化的大背景下，寻找内燃机的可持续发展之路，是摆在内燃机和相关行业面前的一道必答题。

1  全球主要地区和国家碳中和目标及技术路线

1.1  欧洲

欧洲主要国家和地区的科技基础好、实力强，欧盟一直是碳中和的积极推动者。2018 年欧盟委员会宣布 2030 年乘用车的平均每 km CO2 排放量不得高于 95 g，而轻型商用车不得高于 147 g。对于无法达标的新车产品，每 km 超出排放限额 1 g 的CO2 排放量制造商需要支付罚款 95 欧元。这个规定从 2020 年开始部分执行，自 2021 年起，油耗和排放测试方法从新欧洲驾驶循环 (NEDC) 循环强制切换为全新的全球轻型车测试规程 (WLTC) 方法。2021 年 7 月，欧盟委员会通过了一系列立法提案（Fit for 55），阐明了2050 年在欧盟实现碳中和的目标，包括到 2030 年温室气体排放量净减少至少 55% 的中间目标（图 1）。到 2030 年，欧盟可再生电力生产从目前 32% 增至 65% 或更多的份额，除了直接使用可再生能源和电气化之外，在一些碳密集型工业过程中，还将使用绿氢替代化石燃料。

图 1  欧盟实现可持续发展和碳中和的路径

未来汽车氢动力被认为有望成为新的车用动力，尤其是用于重型卡车。欧盟计划投入基础设施建设，例如氢气管道、充电和加氢基础设施，以最大限度地发挥清洁能源转型的好处，并部署替代的无碳排放燃料。对于公路运输，继续采用 CO2 和车辆排放标准作为有效的政策工具来推进技术进步。在燃料供应商和道路定价方面将把碳排放交易应用于道路运输，包括大幅减少化石燃料消耗。欧盟委员会将重新审视并加强 2030 年后汽车和货车的 CO2 排放标准。

Fit for 55 法案提出的碳排放新目标将快速推动欧洲汽车电气化进程。要求 2030 年所有登记注册的新车碳排放总量较 2021 年降低 55%，要求 2035 年降低 100%，即 2035 年后欧洲所有在售车型将全部实现零碳排放。随着新造车势力和电动汽车技术的快速发展，传统汽车和发动机制造业正面临严重的威胁和挑战，因此，对内燃机实现新燃料、新技术突破使其“焕发新生”成为低碳或零碳动力的要求已经迫在眉睫。

1.2  美国

美国的节能减排法规起步较早，但联邦层面受制于两党理念差异立法推进不力。在特朗普执政期间，美国退出《巴黎协定》，拜登上任后，又重新加入《巴黎协定》，并以行政命令形式明确 2030 年美国的碳排放比历史峰值降低约 50%，到 2050 年实现碳中和。美国州政府有着比联邦政府更为完善的碳中和约束，加州早在 2006 年通过《全球变暖解决方案法》，明确 2050 年的减排目标，2018 年以行政命令明确 2045 年实现碳中和

2019年，美国交通运输领域所产生的碳排放占到了总碳排放的29%，高于其他领域。轻型车占到了交通运输总碳排放的59%，相当于总碳排放量的17%。因此，交通领域的碳减排是美国能否实现碳中和的关键。美国加州在交通领域的法规制定上，领先于联邦政府和其他各州。美国国会于2005年制定了可再生燃料标准 (RFS)，要求使用一定量的可再生燃料替代石油基交通运输燃料、取暖油或航空燃料，以减少温室气体排放并扩大国家的可再生燃料生产，同时减少对进口石油的依赖。鉴于 RFS 在执行过程中遇到的困难，美国环保署（EPA）正在考虑用全国范围内的低碳燃料标准（LCFS）来替代RFS。2018 年，加州大气资源局（CARB）确定了2030 年的 LCFS 目标：CI 目标比 2010 年的基准值降低20%。

总体上看，由于 2016—2020 年特朗普政府在碳排放立场上的倒退，到目前为止，美国联邦政府并没有形成完善的碳中和政策。需要指出的是，美国总统和州长的行政命令并没有完全的强制作用，行政命令可以被其他的行政命令替代或者取消。它更类似于一种愿景，是否能够实现还需车辆技术的发展和基础设施的支持。任何行政命令也无法超越经济规律，产品是否满足消费者的需求，将最终决定行政命令是否能顺利执行。

1.3  日本

日本 2019 年一次能源的构成为石油 37.1%、煤炭 25.3%、天然气 22.4%、核电 2.9%、水电 3.5%、可再生能源 8.8%。也就是说，近 85% 的一次能源为化石能源。能源消费构成为工业与商业 62.7%、运输 23.2%、家用14.1%。

日本于 2020 年 12 月发布了《2050 年碳中和绿色发展战略》。此战略规划指出， 要转变传统观念， 积极应对碳中和带来的工业和经济变革，抓住这一重大发展机遇。基本思路是整个经济产业结构和社会生活用能要尽量电气化，电能要以可再生能源为主。规划中提出的日本 2050 年实现碳中和目标时的能源结构如图 3 所示，分为电力和非电力。
日本经济产业省在 2021 年 7 月发布了《碳循环利用技术路线》的修订版，进一步明确将 CO2 作为一种资源来利用的观念，同时强调实现这一目标需要产学官携手和国际合作，以及各种节能技术也是碳循环利用中的关键部分，碳循环利用的技术路线如图 4 所示。图中设想了 4 类燃料，基本都是在 2030 年要确立新的制备技术，将制备过程的碳排放降至石油产品以下，并开始掺烧（与现有石油产品掺混使用），在 2040 年后成本降至与石油产品相同或更低，制备过程的碳排放降至石油产品的一半以下。

可以看出，日本明确提出 2050 年实现碳中和目标的时间并不算早，但很快就制定了具体技术路线， 是目前主要先进国家中第 1 个由国家统一制定并有具体技术路线和实施措施的碳中和战略规划。日本将这次能源革命看作是一次发展机遇，将碳作为一种新的资源载体。日本对未来车用能源的规划，主要是乘用车的电动化和燃料的碳中和化。作为一个汽车电动化全球领先的国家，日本并不是一味强调电动车，制定的技术路线是一个有产业和技术继承性的比较合理可行的技术路线。

1.4  中国

2020 年 9 月，中国在七十五届联合国大会上承诺 CO2 排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。对中国而言，2060 年实现碳中和意味着减少化石能源依赖、缓解能源安全危机，通过采用光伏发电、风能发电以及氢能存储、氢电转化等技术提高可再生能源使用比例，是能源供给由资源依赖变为技术依赖的重要机遇。碳中和将成为推动中国经济未来 40 年可持续发展的重要驱动力。图 5 给出了中国基于本世纪末全球温升 2.0 ℃ 和℃目标导向的温室气体排放及构成，其中工业、电力是 2 大主要的碳排放行业，其次是交通和建筑行业。

2020 年 10 月，中国汽车工程学会发布《中国节能与新能源汽车路线图 2.0》，进一步确认了全球汽车技术“低碳化、信息化、智能化”发展方向，提出了面向 2035 年中国汽车产业发展目标，包括中国汽车产业碳排放将于 2028 年前后先于国家碳减排承诺提前达峰，至 2035 年碳排放总量较峰值下降 20% 以上，形成自主、完整的产业链；自主品牌纯电动（BEV）和插电混动汽车（PHEV）产品技术水平和国际同步，新能源汽车占汽车总销量的 50% 以上，其中 BEV 占新能源汽车的 95%。

中国 2020 年承诺“双碳”目标，对全球温室气体排放控制是一剂强心剂，增加了全球实现《巴黎协议》目标的信心和决心。中国实现“双碳”的挑战主要来自工业和电力 2 大领域， 两者碳排放占比超过 70%，而交通领域的碳排放占比（约 10%）远低于全球平均交通碳排放占比（超过 20%），加上中国汽车产业较早启动电动化和智能化技术应用，因此中国交通领域实现“双碳”目标压力相对不大，预计可以在 2028 年和 2050 年前后分别实现碳达峰和碳中和。

2  内燃机低碳和零碳技术路径分析

内燃机燃料的低碳化和零碳化是一个较为漫长的过程，中国内燃机量大面广，近中期主要采用低碳技术，即通过燃料低碳化和燃烧高效化尽早实现碳达峰；中远期主要开发全生命周期零碳（即碳中和）燃料发动机的节能减排技术，并在不同场景进行推广应用。

2.1  内燃机低碳技术分析  

2.1.1  燃料低碳化

燃料低碳化是指内燃机采用低碳燃料替代高碳燃料，如重型卡车采用低碳的压缩或液化天然气（CNG/ LNG）发动机或汽油压燃（GCI）发动机替代高碳的柴油机，或者在高碳燃料中添加低碳或零碳燃料，如在柴油中添加生物柴油即甲酯，在汽油中添加乙醇等，从源头上降低内燃机的碳排放。

此外，石油开采和汽、柴油炼制过程中也存在很大的减排空间。最新研究表明，全球的平均原油开采的碳排放强度 (CO2 eq) 约为 10.3 g /MJ。通过回收原油开采过程中产生的伴生气，并严格管控其他废气的燃烧和排放，可以将原油开采过程中的碳排放强度(CO2 eq) 降低到 5.8 g /MJ。以目前世界原油开采量计算，这能大约每年减少 CO2 排放 10 亿t，约为目前全球 CO2 排放总量的 2.8%。原油炼制过程也伴随着 CO2 的排放，目前中国汽、柴油炼制过程的碳排放强度平均分别约为 11.7 g/MJ 和 8.7 g/MJ。

2.1.2  燃烧高效化

柴油机由于采用稀燃、压燃和质调节模式，压缩比（15~17）和工质绝热指数较高，泵气损失较小，因此具有较高的热效率。目前车用量产柴油机通过采用高增压、高喷射压力、高 EGR 等技术，其峰值有效热效率接近 50%，通过采用隔热、涡轮复合增压、余热回收、超低摩损和电气化、智能化等技术，正在朝 55%~60% 的峰值有效热效率迈进。

车用汽油机还有较大的热效率提升空间，尤其是混动专用汽油机，由于有电机助力，混合动力对汽油机的动力性要求降低，因此混动专用汽油机可以采用高压缩比（15 左右，可匹配高辛烷值汽油 RON  ≥ 98）、超膨胀比循环（如 Atkinson 循环或 Miller 循环）、高冷却废气再循环系统 (EGR) 、低温燃烧、长冲程等节能技术提升热效率（图 6），目前比亚迪、广汽、吉利、东风等企业都开发出了峰值有效热效率超过 41% 的混动专用汽油机，正在朝 45% 峰值有效热效率目标迈进。未来汽油机实现 45% 以上的有效热效率，需要采用稀燃技术；实现 50% 以上有效热效率，则需要采用稀燃加压燃（GCI）技术（图 7）。汽油机稀燃后处理技术是成熟的，可以采用类似柴油机的后处理技术路线，即 TWC + LNT/ SCR+ GPF + CUC （clean-up catalyst），为了解决未来日趋严格的低温冷起动排放要求，可能还需要增加电加热催化器（EHC）或碳氢捕集器（HCT）（图 8），后处理成本会有所增加。

内燃机零碳燃料技术分析

内燃机零碳技术的本质是燃烧碳中和燃料实现全生命周期的零碳排放。碳中和燃料有3 种主要来源（见图9）：1）直接光合作用得到的生物质燃料（含有 C、H 和 O 组分），如乙醇、生物柴油等；2）通过绿电（太阳能、风能、水能等可再生能源发电）电解水得到绿氢(H2），绿氢还可以与氮气（N2）合成得到绿氨（NH3），绿氨可以看成是绿氢的能源载体；3）采用绿氢与直接空气碳捕集（DAC）获得的 CO2 合成得到各种电力合成液体燃料（e-fuel），如合成甲醇、合成汽油、合成煤油和合成柴油等。

 内燃机零碳燃料技术路径

2.2.1  生物质燃料制备及应用

目前，全球应用最广泛的生物质燃料是乙醇和生物柴油，目前国际上乙醇约 1 亿t 的年产量，生物柴油约 5000 万t。生物质燃料产业正处于从 1 代（以粮食和甘蔗为原料）和 1.5 代（以木薯、甜高粱等非粮作物和木本油料植物为原料）为主，向 2 代（以农林废弃物和木质纤维素为原料）乃至 3 代（含油微藻为原料生产的加氢柴油等）升级转换时期。生物乙醇可以用含淀粉（玉米、小麦、薯类等）、纤维素（秸秆、林木等）或糖质（甘蔗、糖蜜等）等原料经发酵蒸馏制成。生物柴油是一种长链脂肪酸的单烷基酯，是由植物油（如菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等）、动物油（如鱼油、猪油、牛油、羊油等）、废弃油脂或微生物藻类等与甲醇或乙醇经酯转化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯。

全球有较为丰富的生物质资源，利用不同生物质燃料的特异性互补进行主动燃料调质设计，可以大幅度降低碳烟和 CO2 排放，在实现碳中和目标中可发挥重要作用。

2.2.2  氢燃料理化特性及制备

1）理化特性。氢的理化特性见表 1 所示 。

表 1  氢的理化特性

2）绿氢燃料制备技术。绿氢是利用可再生能源，如风电能、光伏电能、水电能或地热电能等，通过电解水生产获得，没有碳排放（见图10）。目前有 3 种水电解制氢的方法：碱性水电解制氢（AEL）、质子交换膜水电解制氢（PEMEL） 和固体氧化物水电解制氢(SOEC)，如表 2 所示。其中，AEL 技术最为成熟，生产成本较低；PEMEL 流程简单，能效较高，但因使用贵金属电催化剂等材料，成本偏高；SOEC 采用水蒸气电解，高温环境下工作，能效最高，但尚处于实验室研发阶段。

2.2.3  氨燃料理化特性及制备

1） 氨的理化特性（见表 3）。氨是氢能的良好载体，氨的运输存储较氢更容易。氨气在 298.15 K、0.9 MPa 条件下可完全液化，且液氨密度（602 kg/m3）远大于液氢（71 kg/m3），液氨的含氢密度（106.4 kg/ m3）和体积低热值（11.213 GJ/ m3）也都超过液氢（70.8 kg/ m3、9.168 GJ/ m3），使得液氨罐（1 MPa）体积能量密度达到液氢罐（70 MPa）的 2.5 倍。因此氨气被认为是极具前景的碳中和燃料。目前全球氨气年产量超过 2 亿t，氢气全球年产量约 0.7 亿t。氨气产业链与基础设施均已成熟，因此氨气作为碳中和燃料具有大规模推广应用的基础。

2）绿氨燃料的制备。工业制氨绝大部分是在高温（573~873 K）、高压（10~35 MPa) 和催化剂（铁系，活性组分为单质铁）条件下，由氮气和氢气按 Haber– Bosch 工艺合成制得。氮气主要来源于空气；制取绿氨的氢气主要来源于水的电解，即绿氢（见图10）。

2.2.4  电力合成液体燃料（e-fuel）制备及应用

e-fuel 是指将水电解生成的 H2 与直接从空气捕集 (DAC) 的 CO2，通过催化反应得到的甲醇、汽油和柴油等合成液体燃料。e-fuel 可以继续使用现有的汽油和柴油加油站等基础设施，以及最大限度地保留同内燃机相关的产业供应链，无需布局新的充电站和加氢站就可以实现碳中和。e-fuel 涉及的产业链（图 11）包括可再生发电、制氢、碳捕集、合成燃料制备、内燃机使用等，此外还包括电力、氢气、CO2、燃料的存储与运输等。

目前全球范围并没有企业实现大规模的 e-fuel 生产，因此针对 e-fuel 的生产成本和价格评估主要是基于现有文献数据进行预测。考虑到技术的不确定性，e-fuel 生产各环节成本预测波动较大，但总体上目前 e-fuel 的价格是市售燃料的数倍甚至数十倍，其中电解制 H2价格主导 e-fuel 成本，而燃料形式（氢气、甲醇、二甲醚 /DME、汽油、柴油）对成本影响较小（图 12）。未来绿氢制造的大规模推广，以及碳税等政策的制定，有可能大幅降低 e-fuel 价格，使其具有市场竞争优势。其中甲醇、二甲醚 /DME 和甲醇制汽油/MTG 的价格相差不大（图 13），是未来较为理想的几种内燃机零碳燃料。

图 13  e-fuel 生成成本

目前比较受关注的 e-fuel 燃料包括直接合成甲醇、甲醇合成汽油、Fischer–Tropsch 合成柴油等。这 3 种燃料的合成技术已经研究多年，较为成熟且具备量产能力。

内燃机使用 e-fuel 燃料的最大好处是不用改变现有燃料供给基础设施以及现有内燃机制造产业链。e-fuel 内燃机面临的最大挑战是燃料成本高问题，由于 e-fuel 燃料制备要以绿氢为基础，因此其炼制工艺必然比制备氢更为复杂，成本更高，尤其是目前电解水制氢成本较高（参见图 13），导致 e-fuel 内燃动力汽车的使用成本相比同规格的 BEV 和 FCEV 更高，因此 e-fuel 内燃机的应用场景主要是难以电动化或对燃料价格不敏感的交通动力装置，如长途车用动力、船舶动力以及航空动力等。未来随着制氢成本的降低，e-fuel 内燃机的应用场景会不断扩大。

2.3  内燃机实现零碳排放的可行性分析

内燃机排放 CO2 的原因是使用了化石燃料，而碳中和燃料的使用将使内燃机发生质的变革。作为世界最大汽车公司掌门人的丰田章男在 2021 年9 月代表日本汽车工业协会的讲话中，明确提出了“汽车碳中和的敌人是碳，而不是内燃机”的观点，这也是日本汽车工业界的共识。多项研究结果表明，如果从全生命周期分析，目前不同国家和地区的电动车碳排放可能并不低于以内燃机为动力的汽车。

关于低碳和零碳燃料的未来发展，可形成图 14 所示的发展过程，即碳中和燃油车与电动车 BEV 同时达到零碳排放的目标。图中评价指标是全生命周期的碳排放，在中国现阶段可以粗略将混动车 HEV（带有高效汽油机）与电动车 BEV 的碳排水平视为同等或略高；至 2030 年前后，由于采用低碳燃料（CNG/LNG 等低碳化石燃料）和生物质混合燃料（乙醇汽油、甲酯柴油等），以及内燃机效率的进一步提高，燃油车的碳排放显著降低；至 2040 年前后，随着各种碳中和燃料的应用（以高比例掺混使用），燃油车碳排放进一步降低；最终在 2050 年前后，由于各种碳中和燃料生产技术成熟及成本降低，加之内燃机效率的显著提高（高达 50%~60%），燃油车可以实现零碳排放。另一方面，电动车 BEV 也随着电力能源的不断脱碳，其碳排放也不断降低，最终在电力能源达到零碳排放时，电动车也实现真正的零碳排放。尽管这一设想是针对汽车或混动车的，但可以拓展到所有内燃机使用领域，即只要燃料实现了碳中和，则内燃机也就实现了零碳排放。可以说，当内燃机开始使用碳中和燃料时，它也可以称之为新能源内燃机，它所搭载的汽车也可以称为新能源汽车。

3  氢、氨内燃机研究现状及需要解决的关键技术

为了满足碳中和要求，内燃机必须在未来 5—10 年能够燃烧碳中和燃料，这需要能源行业和内燃机行业一起合作，解决内燃机碳中和燃料供给和高效清洁燃烧的关键技术问题。从碳中和燃料成本看，如果加氢基础设施有保障，内燃机直接烧氢更可行，而且在使用寿命和成本上比质子膜燃料电池（PEMFC）动力有优势。如果加氢基础设施没有保障，内燃机直接烧氨（绿氨可以看作绿氢的液态能源载体）也是一条可行的零碳技术路线，尽管绿氨燃料的制备来自于绿氢，但无需加氢储氢等基础设施，氨内燃机综合效益较氢内燃机高。

3.1  氢内燃机

氢气在内燃机上的应用可追溯到 20 世纪 30 年代。氢气内燃机的氢气喷射方式有进气道喷射（PFI）和缸内直喷（DI）2 种方式。对于 PFI 方式成本较低，但容易回火。此外，由于氢气占据进气的体积，也会导致 PFI 氢内燃机升功率的提高受限。

目前，典型的氢内燃机样机有马自达公司氢气转子发动机（图 15）和宝马公司汽油版氢- 汽油发动机：汽油 / 氢气双燃料供应，氢气进气道喷射，最高热效率 42%，最高有效平均压力（BEMP）0.8 MPa。KEYOU 公司柴油版氢内燃机，采用气道喷射、火花点燃，同时压缩比降低为 12，最高热效率超过 40%。联电和博世联合研究的进气道喷射/ 缸内直喷氢内燃机，氢气在高压直喷模式下，可实现 39% 的峰值有效热效率（图 16）。结合混合动力的仿真结果表明，在混合动力发动机常用工况点下，NOx 排放可低于 10 ppm。国内高校和企业也针对氢内燃机开展了大量的研究。北京理工大学氢气专用发动机研究表明，在混合气浓度接近当量比的条件下，在三效催化剂（TWC）中可用氢气直接还原 NOx 排放，实现氢内燃机 NOx 的近零排放。

马自达 RENESIS 氢动力转子发动机结构示意图

总之，氢内燃机在技术上是完全可行的，但在使用过程中，还需要解决氢气喷射系统、专用润滑油、氢脆等的安全性和可靠性问题。

3.2  氨内燃机

氨内燃机的应用也可追溯到 20 世纪 30 年代。第二次世界大战期间，由于石油短缺，氨燃料火花点火内燃机开始用于军事用途；进入 21 世纪后，随着温室效应加剧，氨内燃机的研究又重新展开，但点火难与燃烧慢的问题提高了氨内燃机的开发难度。

为了解决氨气燃烧难的问题，目前氨气在发动机上的应用研究多采取高活性燃料引燃的方式，常见的高活性燃料包括柴油、二甲醚、氢气等。

氨内燃机实现高效清洁燃烧， 还需解决以下关键科学和技术问题：

1）高温高压宽浓度范围下氨燃料燃烧化学反应动力学机理。目前国际上缺少对于氨燃料内燃机条件下燃烧热解、氧化和 NOx 生成机理的研究，尚无适用于高温（800 ~1 200 K）高压（2.0 ~6.0 MPa）宽浓度范围（当量比 φ = 0.5 ~ 2.0）下的氨燃料燃烧化学反应动力学机理。

2） 氨内燃机高效清洁燃烧组织。相比于传统碳氢燃料，氨气反应活性低、自燃温度高，其层流火焰速度低、最小点火能高，这限制了氨气在发动机上的使用。氢活性基射流点火引燃氨混合气燃烧（H-A）是解决氨点火难和燃烧慢这一关键问题的有效手段，结合汽、柴油机燃烧优点，提出多点预混燃烧（MPC）概念

3）氨在内燃机上的应用还存在零部件腐蚀问题。美国科埃帕默公司针对氨与不同材料的相容性研究表明，铜、黄铜、青铜、钛、氟橡胶、天然橡胶被严重腐蚀；而 304 不锈钢、316 不锈钢、铝、碳钢、铸铁、丁腈橡胶、全氟橡胶、氯丁橡胶等受氨气影响微弱。

4）尽管氨可以作为 NOx 后处理的还原剂，但仍需考虑开发针对氨燃烧特性的高效、耐久 SCR 装置。另一方面，尾气中未燃氨会散发出刺激性气味，因此在尾气处理中还必须考虑采用吸附、催化氧化 / 催化分解等技术来大幅度降低氨进入大气环境的比例，并同时考虑与废气再循环相关措施的交联与控制策略，实现对大气环境的零影响。

5）事故与泄露的安全措施。液氨作为车用燃料的储存和燃料供应系统须考虑汽车碰撞安全问题。由于氨常温下会迅速气化、有一定毒性并具有刺激性气味，其安全措施不能简单照搬过去的 LPG/CNG 或者氢气储存系统，需从主动和被动防护两个方面加强安全设计，并充分考虑氨泄露后的保护措施。

1）2020 年中国承诺“双碳”目标，碳中和成为全球共识和未来发展目标，是由工业文明向生态文明发展的必然选择，将给人类社会和经济带来全方位的影响，既有挑战，也有机遇。中国将在 40 年内实现碳中和，能源将由过去主要依靠油气等化石能源进口的资源依赖型国家，转变为未来主要依靠水能、风能、光能等可再生能源的技术依赖型国家，从而实现可持续发展。

2）内燃机是一种量大面广的道路、非道路移动机械和国防装备动力装置，在实现碳中和的过程中，其节能减排技术的应用将起到立竿见影的减碳作用。特别需要指出，混合动力可以使内燃机经常运行在高效区，峰值和系统总热效率可以大幅度提升，是非常有效的低碳节能技术。

3）在碳中和背景下，随着绿电应用比例越来越高，纯电动车越来越接近全生命周期零碳排放，而内燃机随着本身节能减排技术的不断进步，以及不断增加碳中和燃料应用的比例，也可以逐步实现内燃机全生命周期的零碳排放。

4）中国有一定量的乙醇、生物柴油等生物质资源，有乙醇汽油和生物柴油在内燃机上大规模应用的经验，也有较好的生物质燃料制备技术和产业基础，可以形成一定规模的内燃机所需生物质液态碳中和燃料。

5）在加氢基础设施有保障的地区，氢内燃机应该与氢燃料电池动力各自发挥特长和优势。氢内燃机制造产业链完备，相比氢燃料电池在技术成熟度、耐久性和成本等方面具有优势，因此大力开发和使用氢内燃机是一种较低成本的动力碳中和解决方案。

6）另一条可行的碳中和之路，其优势是无需专门的供氢基础设施，而液氨燃料的制备、存储和输运均方便，适用于长途重卡和船舶动力，但其实际应用需要解决氨内燃机着火难、燃烧慢以及 NOx 排放等技术问题。

7）在成本能够得到有效控制的条件下，内燃机可以直接使用电力合成液体燃料（e-fuel） 包括直接合成甲醇、甲醇制汽油（MTG）、Fischer– Tropsch 合成柴油等，此方案无需对现有内燃机生产及燃料存储输运设施进行更新，是内燃机实现碳中和的理想路径和选择。
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