技術簡介

氫內燃機（hydrogen internal combustion engine）基本原理與普通的汽油或者柴油內燃機的原理一樣，是基本的汽缸——活塞式的內燃機，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化，只是氫內燃機里的燃料是氫氣。

目前，氫內燃機從技術角度上講已經非常成熟了，國際上將氫燃料用于內燃機主要基于如下幾個方面的認識：其一是內燃機經過100多年的發展仍然具有很大的發展潛力，普通氫燃料內燃機成本比常規汽油機成本僅高15％左右，遠低于燃料電池，具有成本優勢；其二，氫燃料內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，氫燃料內燃機不需要熱機、不存在冷起動問題、具有較好的燃料經濟性。

但是，氫內燃機易發生早燃、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換為電能，其能量轉換效率較低，從而限制了氫內燃機的進一步推廣應用。

發展歷程

早在1920年就有人將氫作為燃料在發動機中試驗，但進展不大。1968年，前蘇聯科學院西伯利亞分院理論和應用力學研究所用汽車發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構方案，試驗取得成功，改用氫以后，發動機熱效率提高，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，發動機是一臺增壓的六缸四沖程內燃機，充裝一次液氫后行駛274km。

進入本世紀初，國外已經有汽車廠商對外宣布成功研制出了氫發動機汽車。寶馬公司從1978年開始研發以氫氣為燃料的內燃機汽車，并通過對柴油機／汽油機的改造研發了6代氫燃料內燃機驅動的轎車。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六缸火花點火式發動機。氫氣采用液態貯存方式，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，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的氫內燃機驅動的汽車創造了9項速度紀錄。2006年馬自達研制推出了Mazda RX－8氫轉子發動機，該發動機幾乎不生成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動機H2ICE，并將該發動機配備在福特生產的E－450客車上。2007年福特氫燃料V－10發動機正式投產，福特汽車公司成為世界首個正式生產氫燃料發動機的汽車制造商。2018年4月，英國利物浦企業ULEMCo和Innovate UK合作，成功改裝沃爾沃FH16卡車為氫內燃機卡車，使卡車的實際續航里程達到了約180英里且零排放。

我國氫發動機的研究開始于20世紀80年代初，國內一些高校和科研單位對內燃機燃氫和燃氫雙燃料內燃機等進行了實驗研究。其中，浙江大學曾與日本武藏工業大學合作進行液氫發動機的試驗研究，試驗采用了缸內直接噴射，并用模糊神經網絡控制，試驗結果表明氫氣發動機的異常燃燒、動力增加及NOx減少在很大程度上取決于正確的噴氫系統、噴射正時及點火正時。2006年8月，由北京工業大學、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燃機的研究走在國內前列，“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節能與新能源汽車重大專項課題，開展了多項有關氫發動機內容的研究。2007年6月，北京理工大學與長安集團共同研制的國內第一臺氫內燃發動機，在長安集團點火成功。隨后在2008年的北京國際車展上，長安汽車發布了中國首款氫動力概念跑車“氫程”。“氫程”搭載的便是上文剛剛提到的增壓中冷氫內燃機，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。

由于氫發動機需要將氫氣燃燒后獲得能量，傳統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布了目前國內唯一的一套可以進行氫燃料內燃機系統開發的專用試驗臺架。

在其他應用領域，氫內燃機最新的進展是日本產業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小組成功開發出了全球首款能實現高熱效率和低NOx排放的火花點火氫燃料發動機，此次開發的氫燃料發動機可作為大型發電用發動機和船舶用發動機使用。這項工作是在日本內閣府戰略性革新創造項目（SIP）的支持下進行的。該計劃第一期的項目已經結束（2014－2018），第二期SIP2中并未查到有關氫能發動機進一步的開發計劃和支持。

審核編輯 黃昊宇