氢内燃机：“燃油”改“燃氢”可行吗？

很多人也许都存在类似的疑问，既然氢气也是一种燃料，为何要大费周章专门设计氢能汽车，直接将现有的燃油汽车改装成“燃氢”汽车，岂不美哉？

相比于化石燃料，氢气确有其优势

首先，氢气更加安全。下图可能是关于氢气与汽油燃料安全性对比的最著名照片之一。这是一项来自美国迈阿密大学的实验，准备两辆分别装有高压氢气和汽油作为燃料的汽车，然后对二者进行泄漏点火实验。点火3秒后，由于氢气的密度远远小于空气，因此氢气泄漏产生的火焰只垂直冲向上方；而汽油蒸汽则弥散开来，从汽车的下部着火，进而扩展至四周；到1分钟时，用氢气作燃料的汽车只有漏出的氢气在燃烧，甚至连汽车的后挡风玻璃温度也只有几十度，而汽油车早已成为火球，烧毁严重。

汽车使用氢气与汽油作为燃料的燃烧对比实验 图片来源：DOE

其次，氢气更加清洁。化石燃料燃烧不仅会产生二氧化碳(CO2)温室气体，还会产生CO和NOx等空气污染物。而氢气作为一种清洁燃料，其燃烧产物只含有水，不含任何温室气体或污染物。

化石燃料主要成分和氢气的燃烧反应方程式

此外，传统的内燃机效率低。在一个传统的内燃机(ICE)中，高能的化石燃料被汽化、喷射、密封、压缩和点燃，以产生巨大的压力。在发动机每个汽缸的动力冲程期间，力的作用使活塞向下运动。活塞的直线运动转化为旋转能量，用来驱动车辆的车轮。然而，由于空气/燃料混合气中的火焰速度相对较慢，在动力冲程期间，发动机气缸中燃料的燃烧时间有限，燃料燃烧不完全，导致动力效率低下，且会产生燃烧不充分的副产品。传统的内燃机效率只有大约35%。

内燃机模型 图片来源：Airbus

而氢的燃烧速度几乎比化石燃料快一个数量级（几乎是化石燃料的10倍），它的火焰可以在汽缸中更靠近寒冷的区域传播。在发动机的进气口引入精确的氢和氧混合物，可以使燃料燃烧得更快、更彻底，显著改善发动机性能，增加汽油里程，并减少柴油微粒和其他有害尾气排放。作为一种能源，氢的含量非常少，但它的作用很像催化剂，能使发动机的燃料燃烧更有效。

然而，现实与理想还有差距

理想的氢内燃机希望只有氢和氧参与反应，但事实上，少量含碳的机油会通过两种方式进入燃烧室，一是通过曲轴箱强制通风(PCV)系统，二是通过蒸发。机油进入燃烧室后，就会燃烧产生CO2，造成碳排放。好在，这部分碳排放相比于化石燃料内燃机而言，几乎可以忽略不计。

在氢燃料与空气混合燃烧的过程中，较高的燃烧温度还会使空气中的氮气和氧气发生反应，依然会生成氮氧化物(NOx)污染物。

不过，通过以HCCI(均质压燃)为代表的技术，将氢气与空气按照特定比例预先混合，并通过压燃方式点燃混合气体，可以显著减少NOx产生，同时将热效率提升至45%。

然而，HCCI技术还存在一些技术瓶颈，且由于氢气比汽油的体积密度小得多，采用HCCI技术后，将需要更大的内燃机来实现相同的燃烧效果。

如果采用火花点火(SI)和喷嘴燃料注入(PFI)的方法，同样可以通过控制氢气和空气的比例，降低NOx的产生。但其热效率要低于HCCI方法，最高约为38%。

不同的燃烧方式 图片来源：Mazda

而由于氢的淬熄距离短，氢燃烧的火焰可以穿过细小的狭缝，火焰可以通过未完全关闭的进气门回窜到进气管中，造成不理想的回火。

未来，氢内燃机的故事还在继续

总得来说，将内燃机的燃料从化石燃料替换为氢气，目前只是在理论层面解决了部分问题，在实际应用过程中还有很多挑战。

由于在氢燃料电池发动机中，燃料电池的成本居高不下，因此氢内燃机发动机在未来一段时间内，依然是极具竞争力的发动机形式。

北京理工大学团队进行氢内燃机研究 图片来源：北京理工大学

在全世界，包括中国、美国、荷兰在内的多国都在对于氢内燃机广泛开展研究，包括丰田、劳斯莱斯、马自达以及国内的潍柴动力等企业，也均有明确的氢内燃机布局。

氢内燃机与氢燃料电池 谁更能代表未来？

初中化学课上我们就学过氢气的性质，这个元素周期表中第一个元素，也是宇宙中最初始的原子。它与氧气本身就可以发生燃烧，并释放出大量的热能和水，火箭发动机中液氢液氧发动机也是比冲最大的发动机。所以，氢气用作汽车内燃机的燃料当然也是可行。

早在2007年，宝马就推出了搭载V12氢燃料发动机的7系，但是续航和性能太低，百公里加速将近10秒！如此低的性能，让氢燃料发动机在很长一段时间淡出了人们的视野，直到丰田和现代汽车推出了氢燃料电池的电动车，氢能源才又获得高度的关注。氢燃料电池通过氢气与氧气的电子转换来生产电能，电能再带动电机驱动车轮，从而大大提高了氢能源的利用效率。

到目前，氢燃料电池技术已经发展了10年左右的时间，而如今丰田又推出了一款燃烧氢气的发动机，并搭载在赛车上，看来丰田已经解决了直接燃烧氢气的低效率。那么问题来了，氢能源的两种发展路线：氢燃料电池、氢燃料发动机，到底哪种才能代表未来呢？一种是能给你电动车一样的驾驶感受，一种是能给你传统燃油车一样的驾驶感受。其实，我们不妨大胆猜想一下，没准未来会推出氢燃料发动机+氢燃料电池组成的“氢氢”混动系统。

宝马是世界上第一家推出氢动力汽车的汽车制造商，已成功完成了系列开发过程。Hydrogen 7 采用191千瓦/260马力的6.0L V12发动机，最大功率191 kW，最大扭矩390N·m，在9.5秒内从0-100公里/小时，最高车速电子限制在230公里/小时。如果保证不了氢气的充分供应，这台V12发动机可以快速切换到传统汽油工作模式。

宝马早在1978年就开始对氢动力装置进行研究，并在未来几年不断开发和升级这项技术，开发出几代氢动力汽车。2000年，宝马成为世界上第一家在德国汉诺威2000年世博会上展示氢动力汽车示范车队的汽车制造商。与此同时，宝马750hL氢动力车已在实际测试条件下证明了其优点。

2000年，世界上第一个公共氢气加注站在慕尼黑机场启用。2004年搭载氢燃料发动机的概念赛车发布，也是搭载6.0L V12发动机，但最大功率为210kW，带动1.5吨的车身，最高时速可达300.175 km/h。

虽然赛车的性能表现还行，但是移植到7系上，很显然这台6.0L V12的大怪兽，采用氢气氧气燃烧的方式做功，效率真是太低了。200公里的续航里程让其实用性大打折扣，而且根本谈不上什么驾驶激情。对于宝马来说，V12发动机百公里加速9.5秒，这简直就是个笑话。但是，在氢能源的碳探索上，宝马并没有停止脚步，而是换了一个方式—— i Hydrogen Next

2019年，宝马发布了氢燃料电池技术的 i Hydrogen Next 将一台X5车型改装成氢燃料电池，可容纳两个700巴氢气罐，能够容纳6千克氢气。氢燃料电池系统产生约125kW的发电功率，电机输出功率为275kW。

宝马终于放弃了氢燃料发动机转型氢燃料电池，这也是目前氢能源利用率最高的技术，同时也被丰田、现代以及许多大厂共同研发的目标。目前，国内氢能源技术企业蓬勃发展，在最关键的储氢罐、减压阀、电堆等技术上，都已经发展的相当成熟。

氢燃料电池的好处显而易见，补能快，仅需3分钟就能加满氢气，续航里程与燃油车相同，驾驶感受与纯电动车相同，排放只有水。

2021年8月23-24日，丰田 Mirai 在南加州的一次往返旅行中，消耗了5.65公斤氢气，总里程达到了845.3英里（1360公里），并创造了新的吉尼斯世界纪录。这是EPA续航里程402英里的两倍还多。另一项由氢燃料电池汽车创造的记录，是2019年现代NEXO创造的，续航里程为778公里。

既然氢燃料电池这么好开好用，应该没什么新玩法了吧。但是脑洞大开的丰田却又让“氢能源”倒回20年，再一次推出了燃烧氢气的发动机卡罗拉氢燃料赛车。丰田尚未宣布氢燃烧技术是否有望在短期内进入消费领域，但在赛车上应用可看做是一次验证和尝试。而对于那些热衷传统内燃机汽车的人来说，丰田的这款氢燃料发动机与汽油发动机拥有相同的驾驶感受、性能以及浑厚的排气声浪，而排放仅有水和非常少量的氮氧化物。

丰田卡罗拉氢燃料赛车这台氢燃料发动机搭载了DENSO喷气嘴，将氢气通过高压方式喷到气缸中，并通过电脑控制点火角来控制燃烧室内的温度。另一个亮点，丰田卡罗拉氢燃料赛车搭载了四个储氢罐，能装180L的氢气。

从氢燃料发动机到氢燃料电池再到氢燃料发动机，有句话说的挺好，30年河东，30年河西，但氢能源的利用方式随着技术的发展只用了20年就开始向两个方向快速发展。未来，我们不仅仅能享受氢燃料电池带来的“宁静猛兽”，也能享受到氢内燃机带来更澎湃的驾驶激情。

但就目前量产车来看，氢燃料电池技术发展的更迅速，同时氢能源的化学能到电能到机械能的转换（无大量的热损失），相比氢内燃机化学能到机械能的能量转换效率更高，而且省去了内燃机中的机油润滑系统和散热系统。也许未来的氢内燃机，只会成为有钱人的大玩具。

文章来源： 氢能源资讯，新浪汽车