内燃机最后的倔强？氢内燃机能否逆天改命

2022年新能源车可以说是大放异彩，全年渗透率超过25%，提前三年完成新能源汽车渗透率25%的目标。这对于传统内燃机来说已经是莫大的触动，对于日韩车企花大力气研发的氢燃料电池更是有一种打入谷底的地步。
            回看新能源车的发展轨迹，欧美日韩车企可以说是最早布局的，特别是混合动力以及氢燃料电池领域，丰田Mirai和现代NEXO的量产让人一度以为氢能源社会将加速到来。
            可现实并非如此，纵使氢燃料电池汽车具备补能时间短、能量效率高、无污染寿命长等优势，但是架不住高成本的氢燃料电池系统和高昂的基础设施布局，而成本更低一些的电动车完成了逆风翻盘。
            

            
            电动车销量占比的逐步提高，对于内燃机和氢能源来说是否没有机会了？在去年，一汽、广汽、潍柴等企业均发布了自研氢燃料发动机成功点火的消息，这种内燃机+氢燃料的组合能否让内燃机以及氢能源续命？
            什么是氢内燃机
            内燃机+氢燃料的组合并不是新鲜事物，早在1870年瑞士工程师就发明了第一台氢内燃机，第一台实用的汽油内燃机则是在1876年才问世，也就是说氢内燃机比我们熟知的传统内燃机要更早诞生。
            氢内燃机的原理并不复杂，就是利用氢气与氧气燃烧释放反应气体的化学能，再通过气体膨胀做功完成化学能向机械能的转化。
            这一做功过程与普通汽油或柴油内燃机完全相同，和现有的内燃机结构也完全一致，同样是按照吸气——压缩——做功——排气4个冲程来完成化学能对机械能的转化，只是氢内燃机里的燃料是氢气。
            

            
            氢内燃机那么早被发明出来，为何基本销声匿迹了如此长时间，实际上在19世纪末被发明出来时，氢气的制备、保存、储存等技术均不成熟，比氢气更容易运输携带的汽油在使用环节可谓占尽了上风，并且大量的石油储备加上开采技术、提炼也越来越成熟，这就是为何氢内燃机没能成为当时的主流。
            从近现代来看，以丰田和现代为首的车企为何不大力研发氢内燃机反而在氢燃料电池技术上反而下了大功夫。
            首先，以氢为动力来源有氢燃料电池和氢燃料发动机（又称氢内燃机）两种应用方式。前者靠氢气和氧气的电化学反应产生电力驱动，后者类似传统的燃油发动机，但是以氢为燃料，通过燃烧过程中气体的膨胀做功产生动力。
            两种路线相比较而言，氢燃料电池的优势在于转化效率高，污染排放少，商业化应用程度高，尤其是在转化效率方面，氢燃料发动机的热效率很难超过45%，而氢燃料电池的转化效率已经可以达到60%以上。
            氢燃料发动机的优势则在于成本低（是燃料电池的10%左右）、对氢气的纯度要求不高、可通过现有燃油发动机改造而来。
            最重要的是，普通氢燃料内燃机成本比常规汽油机成本仅高15%左右，远低于燃料电池，具有成本优势；其二，氢燃料内燃机具有多种燃料适应性，不仅可以使用纯氢为燃料，也可以使用氢与天然气、氢与其它燃料的混合燃料，是当前降低对石油依赖的重要途径；其三，氢燃料内燃机没有温室气体二氧化碳排放，没有CO、HC和碳烟排放；其四，氢燃料内燃机不需要热机、不存在冷起动问题、具有较好的燃料经济性。
            

            
            但是，氢内燃机并非没有致命的缺点，它极易发生早燃、回火、工作粗暴和NOx排放高等缺点，以及相较于燃料电池可以直接将化学能转换为电能，其能量转换效率较低，从而限制了氢内燃机的进一步推广应用。
            钟情于氢内燃机的宝马
            宝马汽车对于氢内燃机钟情已久，从1978年开始研发以氢气为燃料的内燃机汽车，并通过对柴油机/汽油机的改造研发了6代氢燃料内燃机驱动的轿车，在1979年搭载氢内燃机的BMW 520h实现上路。
            这也让氢内燃机在80年代迎来了一波大发展，宝马、日产、马自达、福特等车企，也都在这一时段都推出过氢内燃机的验证车型。
            

            
            宝马公司在BMW 735i轿车上进行研究试验，配备采用氢气为燃料的3.5L六缸火花点火式发动机。氢气采用液态贮存方式，每次加注燃料可供汽车行驶299km。该车保留了原来的汽油喷射系统，可以选择汽油或氢气燃料工作，氢气采用多点喷射方式，可防止回火，且进一步提高了效率。
            

            
            2004年9月，宝马集团在法国Miramas用一部名为H2R的氢内燃机驱动的汽车创造了9项速度纪录。宝马这辆“创记录”轿车的心脏是一台排量为6升的12缸发动机，以BMW 760Li装备的汽油发动机为基础开发而成，最大输出功率超过210千瓦。
            如此强大的动力可以推动这辆原型车在约6秒的时间内从静止状态加速到100公里/小时，最高车速高达302.4公里/小时。
            

            
            H2R的“心脏”基本上是以宝马顶级的6升12缸发动机为基础而开发的。通过对发动机管理系统以及气/油混合部件进行相应的改造，使用氢气作为燃料为汽车提供动力的目标得以实现。
            就技术角度而言，这款发动机与改造之前比最大的区别在于氢燃料喷射阀的集成和燃烧室内材料的选择，与改造前的量产型发动机将燃油直接喷入燃烧室不同，氢燃料发动机的喷射阀直接安装在进气歧管内。为了创造记录，这台氢燃料发动机被设计为以单一模式运转，即仅以氢作为燃料。
            这种喷射阀是宝马全新开发成果，由于单位能量所需的气态氢与液态汽油相比占据更大的体积，因此这种喷射阀与传统的喷油阀相比体积更大。同时，由于这种喷射阀的覆盖范围增大了许多，因此必须在不断变化的系统压力下以及非常长和非常短的点火周期内工作。
            

            
            紧随其后，宝马推出了首款小规模量产的氢内燃机汽车——BMW氢能7系，可以实现在燃油和氢气两种能源之间无缝切换。
            

            
            它所搭载的6.0升V12氢/汽油双燃料发动机是基于BMW 760i所装备的汽油发动机，拥有全可变Valvetronic电子气门控制和可变Double-VANOS双凸轮轴可变气门正时系统等。
            在汽油模式下，燃油通过直接喷射供应；而在氢动力模式下，氢燃料则通过进气歧管被“吸入”到气缸中。这台发动机的最大输出功率为191kW（260马力），最大扭矩可达390N·m/4300rpm，采用氢和汽油时均是如此。
            

            
            BMW氢能7系配有一个容量为74升的普通油箱外，还配有一个额外的燃料罐，可容纳约8千克的液态氢。
            双模驱动为BMW氢能7系提供了超过700公里的总行驶里程，氢驱动200公里以上，汽油驱动500公里。
            

            
            实际上，这款氢能7系表现并不如人意，它的“氢耗”达到3.7kg/100km，搭载8kg氢气只能提供200多公里续航。作为参考，实用氢燃料电池的丰田Mirai “氢耗”为0.55kg/100km。
            作为全球首款用于日常使用的氢动力汽车，仅有100辆的BMW氢能7系目前并不会被标价出售，它只是全球范围内展示宣传。
            这也是由于当年基础设施的普及程度、公众以及政府等对氢动力的认识等原因，BMW氢能7系能够做到大规模量产，尚需时日。
            除了宝马汽车，2006年马自达研制推出了Mazda RX-8氢转子发动机，该发动机几乎不生成NOx，并且制造出以RX-8作为引擎的的试验用车。
            

            
            福特公司也在差不多的时间向市场投放了氢发动机H2ICE，并将该发动机配备在福特生产的E-450客车上。2007年福特氢燃料V-10发动机正式投产，福特汽车公司成为世界首个正式生产氢燃料发动机的汽车制造商。
            2018年4月，英国利物浦企业ULEMCo和Innovate UK合作，成功改装沃尔沃FH16卡车为氢内燃机卡车，使卡车的实际续航里程达到了约180英里且零排放。
            氢内燃机需要解决的问题
            首先，内燃机中的氢气在燃烧时虽然不会产生CO/CO2，但会有少量NOx污染物的排放。工程师们为了抑制NOx的形成，通常会为氢气提供两倍于完全燃烧所需的空气量，但这么做的后果就是让氢内燃机的功率降低到同排量汽油机的一半左右，往往需要通过涡轮增压或者机械增压来为氢内燃机提高动力。
            

            
            另外，由于氢气燃烧所需的点火能量很低，容易在进气门关闭、火花塞未点火时被燃烧室内局部点燃，造成能量损失。而如果这种“早燃”现象再提前些，在进气门未关闭时，缸内混合气体就被热点引燃，甚至将火焰传播到进气管内，还会产生“回火”，轻则破坏供氢系统，重则直接引发爆炸。
            

            
            最后，氢内燃机零部件的寿命也会受氢气影响，氢分子深入到金属容易在应力作用下发生脆化，需要专门进行防“氢脆”处理。
            氢内燃机最近为何被重视
            去年8月，工信部明确表示要将氢气内燃机纳入氢能发展战略中予以支持，并根据氢气发动机技术进步和应用推广情况，提前布局相关标准预研。同年6月，一汽、广汽、潍柴等企业均发布了自研氢燃料发动机成功点火的消息，不仅如此，欧美、日韩车企也都持续在这方面储备技术，开发相应的车型，整个氢内燃机的技术越发成熟。
            回顾国内氢内燃机的发展，第一台国产氢内燃机诞生于2007年，是由长安汽车集团研发成功的。
            

            
            去年11月，北汽首台“氢内燃机”也点火成功，这台氢内燃机采用了适应氢气燃料的喷嘴及导轨、氢专用涡轮增压器、氢专用机油、耐磨损耐氢的气门与阀座等关键技术，热效率目标达45%，这台氢内燃机最大功率为138kW，最大扭矩为305N·m，表现不错。
            

            
            2021年底，丰田发布了GR YARIS氢燃料原型车，搭载与同款车型普通燃油版相同的G16E-GTS 1.6升涡轮增压三缸发动机，通过改进燃料供应和喷射系统，使其可以使用纯氢燃料。
            

            
            此外，丰田还在与雅马哈合作开发一款5.0L氢动力V8发动机，该款发动机以雷克萨斯RC F跑车的发动机为基础进行改造，功率可达450马力。今年7月，丰田联合了日野、五十铃、电装、CJPT5 家企业，宣布将共同启动面向大型商用车的氢内燃机的规划和基础研究。
            

            
            整体来看，丰田认为距离氢燃料发动机的商业化应用还有一段时间，丰田将通过赛车运动完善该项技术。有消息称，丰田将在2025年推出的下一代普锐斯中应用氢燃料内燃机。
            写在最后：氢内燃机真的有前途吗
            正如丰田所认为的，阻碍氢内燃机、氢燃料电池发展的更多是加氢站等基础设施上，不过目前有国家政策扶持，氢内燃机像电动车那样得到蓬勃发展是可以预期的。
            和国内企业追赶国外燃料电池技术水平的情形不同，在氢燃料发动机的研发进展上，国内外主机厂的技术水平和进度相对接近，在现有内燃机基础上进行研发总比从零开始强。
            氢内燃机的优势在上文中已经详细介绍了，缺点也并非无法解决，只需时日氢内燃机替代汽油发动机不是天方夜谭。

氢气存储和安全都有问题，撞车直接大爆炸

氢内燃机很简单，跟油改气的车没区别，也不是成本问题。现如今主要是材料问题，氢的高渗透性目前没有合适的材料来解决，使用一段时间发动机和气罐全部报废。作为元素周期表第一位的元素，这个问题可能永远也解决不了

电车，氢气车都比燃油车更早出现，为什么最后100多年都是用油车，不要想肯定是没有油车好，油车最大的缺点就是汽油不是再生能源以后会用完，只能退而求其次使用电或者氢气，以后还会不会发明出更好的再生能源那是以后的是。

我记得我很小很小的时候，看到过一种公共汽车，车顶上顶着一个很大的黑色的橡胶的气包，那个里面就是氢气，那个时候的公共汽车就是烧的氢气

氢动力，最好的选择应该是燃料电池，主要是氢气的安全存储比较麻烦。如果能作出甲醇乙醇燃料电池，就完美了

制氢成本下不来什么都是徒劳。

氢气是未来，不管是地表还是在地外

电动新能源车已经给中国基本超越，外国政府要抵制中国新能源车，只可以用其他能源作为突破口。中国也在发展氢能源

氢主要是太容易炸了 而且分子小 装在容器里会一直漏