技術簡介

氫內(nèi)燃機（hydrogen internal combustion engine）基本原理與普通的汽油或者柴油內(nèi)燃機的原理一樣，是基本的汽缸——活塞式的內(nèi)燃機，同樣是按照吸氣——壓縮——做功——排氣4個沖程來完成化學能對機械能的轉(zhuǎn)化，只是氫內(nèi)燃機里的燃料是氫氣。

目前，氫內(nèi)燃機從技術角度上講已經(jīng)非常成熟了，國際上將氫燃料用于內(nèi)燃機主要基于如下幾個方面的認識：其一是內(nèi)燃機經(jīng)過100多年的發(fā)展仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ胀淙剂蟽?nèi)燃機成本比常規(guī)汽油機成本僅高15％左右，遠低于燃料電池，具有成本優(yōu)勢；其二，氫燃料內(nèi)燃機具有多種燃料適應性，不僅可以使用純氫為燃料，也可以使用氫與天然氣、氫與其它燃料的混合燃料，是當前降低對石油依賴的重要途徑；其三，氫燃料內(nèi)燃機沒有溫室氣體二氧化碳排放，沒有CO、HC和碳煙排放；其四，氫燃料內(nèi)燃機不需要熱機、不存在冷起動問題、具有較好的燃料經(jīng)濟性。

但是，氫內(nèi)燃機易發(fā)生早燃、回火、工作粗暴和NOx排放高等缺點，以及相較于燃料電池可以直接將化學能轉(zhuǎn)換為電能，其能量轉(zhuǎn)換效率較低，從而限制了氫內(nèi)燃機的進一步推廣應用。

發(fā)展歷程

早在1920年就有人將氫作為燃料在發(fā)動機中試驗，但進展不大。1968年，前蘇聯(lián)科學院西伯利亞分院理論和應用力學研究所用汽車發(fā)動機進行了分別燃用汽油和氫的試驗，并研究了改用液氫的結(jié)構(gòu)方案，試驗取得成功，改用氫以后，發(fā)動機熱效率提高，熱負荷減輕。1972年洛斯阿拉莫斯實驗室把一輛別克牌轎車改成液氫汽車，發(fā)動機是一臺增壓的六缸四沖程內(nèi)燃機，充裝一次液氫后行駛274km。

進入本世紀初，國外已經(jīng)有汽車廠商對外宣布成功研制出了氫發(fā)動機汽車。寶馬公司從1978年開始研發(fā)以氫氣為燃料的內(nèi)燃機汽車，并通過對柴油機／汽油機的改造研發(fā)了6代氫燃料內(nèi)燃機驅(qū)動的轎車。寶馬公司在BMW 735i轎車上進行研究試驗，配備采用氫氣為燃料的3．5L六缸火花點火式發(fā)動機。氫氣采用液態(tài)貯存方式，每次加注燃料可供汽車行駛299km。該車保留了原來的汽油噴射系統(tǒng)，可以選擇汽油或氫氣燃料工作，氫氣采用多點噴射方式，可防止回火，且進一步提高了效率。2004年9月，寶馬集團在法國Miramas用一部名為H2R的氫內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車創(chuàng)造了9項速度紀錄。2006年馬自達研制推出了Mazda RX－8氫轉(zhuǎn)子發(fā)動機，該發(fā)動機幾乎不生成NOx，并且制造出以RX－8作為引擎的的試驗用車。福特公司也在差不多的時間向市場投放了氫發(fā)動機H2ICE，并將該發(fā)動機配備在福特生產(chǎn)的E－450客車上。2007年福特氫燃料V－10發(fā)動機正式投產(chǎn)，福特汽車公司成為世界首個正式生產(chǎn)氫燃料發(fā)動機的汽車制造商。2018年4月，英國利物浦企業(yè)ULEMCo和Innovate UK合作，成功改裝沃爾沃FH16卡車為氫內(nèi)燃機卡車，使卡車的實際續(xù)航里程達到了約180英里且零排放。

我國氫發(fā)動機的研究開始于20世紀80年代初，國內(nèi)一些高校和科研單位對內(nèi)燃機燃氫和燃氫雙燃料內(nèi)燃機等進行了實驗研究。其中，浙江大學曾與日本武藏工業(yè)大學合作進行液氫發(fā)動機的試驗研究，試驗采用了缸內(nèi)直接噴射，并用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制，試驗結(jié)果表明氫氣發(fā)動機的異常燃燒、動力增加及NOx減少在很大程度上取決于正確的噴氫系統(tǒng)、噴射正時及點火正時。2006年8月，由北京工業(yè)大學、北京益麥斯科技有限公司和北京飛馳綠能電源技術有限公司聯(lián)合成功改造了一輛可使用汽油和氫氣混合燃料的1．6L依蘭特轎車。該車在冷啟動、暖機、怠速和小負荷采用純氫氣運行，接近零排放；在中等負荷采用汽油混氫燃燒，排放和油耗進一步降低；在大負荷采用純汽油模式，確保了車輛在高負荷的動力性。北京理工大學對氫內(nèi)燃機的研究走在國內(nèi)前列，“十一五”期間與長安汽車集團合作，承接了國防科工委和科技部863節(jié)能與新能源汽車重大專項課題，開展了多項有關氫發(fā)動機內(nèi)容的研究。2007年6月，北京理工大學與長安集團共同研制的國內(nèi)第一臺氫內(nèi)燃發(fā)動機，在長安集團點火成功。隨后在2008年的北京國際車展上，長安汽車發(fā)布了中國首款氫動力概念跑車“氫程”?！皻涑獭贝钶d的便是上文剛剛提到的增壓中冷氫內(nèi)燃機，直接以壓縮氫氣為燃料，其性能不僅可以達到汽油機的水平，效率上還比同排量的汽油機高30％以上，HC、CO、CO2排放幾乎為零，完全可實現(xiàn)超低排放并具有良好的低溫啟動性，在一次性加足燃料的情況下巡航距離可達230Km以上。

由于氫發(fā)動機需要將氫氣燃燒后獲得能量，傳統(tǒng)的高壓儲氫所能存儲的氫氣有限，而液化氫氣需要零下200℃甚至更低，成本過于高昂，固體儲氫是一個非常有前景的技術，但是目前來看短期內(nèi)很難有突破性的材料和進展。2018年12月3日，北京理工大學在國家軍民融合公共服務平臺上發(fā)布了目前國內(nèi)唯一的一套可以進行氫燃料內(nèi)燃機系統(tǒng)開發(fā)的專用試驗臺架。

在其他應用領域，氫內(nèi)燃機最新的進展是日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所與日本岡山大學、東京都市大學、早稻田大學組成的研發(fā)小組成功開發(fā)出了全球首款能實現(xiàn)高熱效率和低NOx排放的火花點火氫燃料發(fā)動機，此次開發(fā)的氫燃料發(fā)動機可作為大型發(fā)電用發(fā)動機和船舶用發(fā)動機使用。這項工作是在日本內(nèi)閣府戰(zhàn)略性革新創(chuàng)造項目（SIP）的支持下進行的。該計劃第一期的項目已經(jīng)結(jié)束（2014－2018），第二期SIP2中并未查到有關氫能發(fā)動機進一步的開發(fā)計劃和支持。

審核編輯 黃昊宇