破解内燃机：为何 H2-ICE 是重型作业的真正解决方案

Source: Dev.to

能量密度模拟：柴油 vs. 锂离子 vs. 氢气

# Energy Density Simulation: Diesel vs. Li-Ion vs. Hydrogen
# Why Batteries (BEV) fail for Heavy Duty Machinery

def calculate_weight_penalty(target_energy_kwh):
    # Energy Densities (approximate usable)
    energy_density = {
        "Diesel": 12.6,   # kWh/kg
        "Hydrogen": 33.3, # kWh/kg (Upper heating value)
        "Li-Ion": 0.25    # kWh/kg (Pack level)
    }

    print(f"--- Required Mass for {target_energy_kwh} kWh Mission ---")

    for fuel, density in energy_density.items():
        weight = target_energy_kwh / density
        print(f"{fuel}: {round(weight, 2)} kg")

# A typical heavy excavator uses ~1000 kWh in a hard shift
calculate_weight_penalty(1000)

输出

• 柴油：约 79 kg（可管理的油箱）
• 氢气：约 30 kg（仅燃料重量，不包括储罐）
• 锂离子：约 4 000 kg（巨大的 4 吨电池！）

给机器增加数吨的死重会毁掉其效率，这也是企业转向 H2‑ICE 的原因。

方案：H2‑ICE 的工作原理

丰田策略：保持供应链活力

• 低进入壁垒 – 可使用现有发动机工厂，无需新建工厂。
• 可靠性 – 活塞发动机拥有一个世纪的可靠数据。
• 声音 – 保留了爱好者喜爱的发动机特有噪音。

丰田正在 GR Yaris H2 和 Corolla Cross H2 Concept 上测试 H2‑ICE，展示了对氢气采用的务实态度。

JCB 策略：建筑现场的现实

JCB 发现电动挖掘机在缺乏电网的偏远工地不切实际。它们的解决方案：

• 开发了一款 4.8 L 氢燃烧发动机，提供与柴油机相同的扭矩。
• 排放仅为水蒸气（蒸汽）。

工程挑战（“重构”）

脆化

氢气会导致金属脆化，需要为发动机缸体和燃料系统部件研发新合金。

预点火

氢气燃烧速度约为汽油的十倍，增加敲击风险。必须精确控制点火时机和混合比。

氮氧化物排放

虽然氢气不产生 CO₂，但高燃烧温度会形成 NOx。减排策略包括：

• 贫燃运行（空燃比 λ > 2）以降低温度。
• 采用选择性催化还原（SCR）催化剂进行后燃处理。

有关热效率的详细拆解以及 JCB 具体改装的内容，请参阅《氢燃烧发动机（H2‑ICE）策略》综合分析。

为什么 H2‑ICE 在重工业中占优势

• 耐用性 – 燃烧发动机比精密电子和电池更能耐受灰尘、振动和高温。
• 成本 – 利用现有生产线的成本低于建设依赖昂贵铂催化剂的燃料电池系统。

结论

采用 H2‑ICE 并非固守过去，而是为重型作业走向碳中和未来选择的最高效路径。