一文帶您了解氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)及發(fā)展歷程

技術(shù)簡介

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

目前，氫內(nèi)燃機(jī)從技術(shù)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(jī)主要基于如下幾個(gè)方面的認(rèn)識(shí)：其一是內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過100多年的發(fā)展仍然具有很大的發(fā)展?jié)摿?，普通氫燃料?nèi)燃機(jī)成本比常規(guī)汽油機(jī)成本僅高15％左右，遠(yuǎn)低于燃料電池，具有成本優(yōu)勢；其二，氫燃料內(nèi)燃機(jī)具有多種燃料適應(yīng)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(dāng)前降低對石油依賴的重要途徑；其三，氫燃料內(nèi)燃機(jī)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(jī)不需要熱機(jī)、不存在冷起動(dòng)問題、具有較好的燃料經(jīng)濟(jì)性。

但是，氫內(nèi)燃機(jī)易發(fā)生早燃、回火、工作粗暴和NOx排放高等缺點(diǎn)，以及相較于燃料電池可以直接將化學(xué)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(jī)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

發(fā)展歷程

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

進(jìn)入本世紀(jì)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(dòng)機(jī)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(jī)汽車，并通過對柴油機(jī)／汽油機(jī)的改造研發(fā)了6代氫燃料內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的轎車。寶馬公司在BMW 735i轎車上進(jìn)行研究試驗(yàn)，配備采用氫氣為燃料的3．5L六缸火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)。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(diǎn)噴射方式，可防止回火，且進(jìn)一步提高了效率。2004年9月，寶馬集團(tuán)在法國Miramas用一部名為H2R的氫內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車創(chuàng)造了9項(xiàng)速度紀(jì)錄。2006年馬自達(dá)研制推出了Mazda RX－8氫轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎不生成NOx，并且制造出以RX－8作為引擎的的試驗(yàn)用車。福特公司也在差不多的時(shí)間向市場投放了氫發(fā)動(dòng)機(jī)H2ICE，并將該發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)正式投產(chǎn)，福特汽車公司成為世界首個(gè)正式生產(chǎn)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)卡車，使卡車的實(shí)際續(xù)航里程達(dá)到了約180英里且零排放。

我國氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開始于20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)一些高校和科研單位對內(nèi)燃機(jī)燃?xì)浜腿細(xì)潆p燃料內(nèi)燃機(jī)等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其中，浙江大學(xué)曾與日本武藏工業(yè)大學(xué)合作進(jìn)行液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用了缸內(nèi)直接噴射，并用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，試驗(yàn)結(jié)果表明氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的異常燃燒、動(dòng)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(shí)及點(diǎn)火正時(shí)。2006年8月，由北京工業(yè)大學(xué)、北京益麥斯科技有限公司和北京飛馳綠能電源技術(shù)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(dòng)、暖機(jī)、怠速和小負(fù)荷采用純氫氣運(yùn)行，接近零排放；在中等負(fù)荷采用汽油混氫燃燒，排放和油耗進(jìn)一步降低；在大負(fù)荷采用純汽油模式，確保了車輛在高負(fù)荷的動(dòng)力性。北京理工大學(xué)對氫內(nèi)燃機(jī)的研究走在國內(nèi)前列，“十一五”期間與長安汽車集團(tuán)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(xiàng)課題，開展了多項(xiàng)有關(guān)氫發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)容的研究。2007年6月，北京理工大學(xué)與長安集團(tuán)共同研制的國內(nèi)第一臺(tái)氫內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，在長安集團(tuán)點(diǎn)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(dòng)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(nèi)燃機(jī)，直接以壓縮氫氣為燃料，其性能不僅可以達(dá)到汽油機(jī)的水平，效率上還比同排量的汽油機(jī)高30％以上，HC、CO、CO2排放幾乎為零，完全可實(shí)現(xiàn)超低排放并具有良好的低溫啟動(dòng)性，在一次性加足燃料的情況下巡航距離可達(dá)230Km以上。

由于氫發(fā)動(dòng)機(jī)需要將氫氣燃燒后獲得能量，傳統(tǒng)的高壓儲(chǔ)氫所能存儲(chǔ)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(chǔ)氫是一個(gè)非常有前景的技術(shù)，但是目前來看短期內(nèi)很難有突破性的材料和進(jìn)展。2018年12月3日，北京理工大學(xué)在國家軍民融合公共服務(wù)平臺(tái)上發(fā)布了目前國內(nèi)唯一的一套可以進(jìn)行氫燃料內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的專用試驗(yàn)臺(tái)架。

在其他應(yīng)用領(lǐng)域，氫內(nèi)燃機(jī)最新的進(jìn)展是日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所與日本岡山大學(xué)、東京都市大學(xué)、早稻田大學(xué)組成的研發(fā)小組成功開發(fā)出了全球首款能實(shí)現(xiàn)高熱效率和低NOx排放的火花點(diǎn)火氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，此次開發(fā)的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可作為大型發(fā)電用發(fā)動(dòng)機(jī)和船舶用發(fā)動(dòng)機(jī)使用。這項(xiàng)工作是在日本內(nèi)閣府戰(zhàn)略性革新創(chuàng)造項(xiàng)目（SIP）的支持下進(jìn)行的。該計(jì)劃第一期的項(xiàng)目已經(jīng)結(jié)束（2014－2018），第二期SIP2中并未查到有關(guān)氫能發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)一步的開發(fā)計(jì)劃和支持。

審核編輯 黃昊宇