材料委深度好文：一文带您了解氢内燃机技术及发展历程

技术简介

氢内燃机（hydrogen internal combustion engine）基本原理与普通的汽油或者柴油内燃机的原理一样，是基本的汽缸——活塞式的内燃机，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。

目前，氢内燃机从技术角度上讲已经非常成熟了，国际上将氢燃料用于内燃机主要基于如下几个方面的认识：其一是内燃机经过100多年的发展仍然具有很大的发展潜力，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。

发展历程

早在1920年就有人将氢作为燃料在发动机中试验，但进展不大。1968年，前苏联科学院西伯利亚分院理论和应用力学研究所用汽车发动机进行了分别燃用汽油和氢的试验，并研究了改用液氢的结构方案，试验取得成功，改用氢以后，发动机热效率提高，热负荷减轻。1972年洛斯阿拉莫斯实验室把一辆别克牌轿车改成液氢汽车，发动机是一台增压的六缸四冲程内燃机，充装一次液氢后行驶274km。

进入本世纪初，国外已经有汽车厂商对外宣布成功研制出了氢发动机汽车。宝马公司从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。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。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。

我国氢发动机的研究开始于20世纪80年代初，国内一些高校和科研单位对内燃机燃氢和燃氢双燃料内燃机等进行了实验研究。其中，浙江大学曾与日本武藏工业大学合作进行液氢发动机的试验研究，试验采用了缸内直接喷射，并用模糊神经网络控制，试验结果表明氢气发动机的异常燃烧、动力增加及NOx减少在很大程度上取决于正确的喷氢系统、喷射正时及点火正时。2006年8月，由北京工业大学、北京益麦斯科技有限公司和北京飞驰绿能电源技术有限公司联合成功改造了一辆可使用汽油和氢气混合燃料的1．6L依兰特轿车。该车在冷启动、暖机、怠速和小负荷采用纯氢气运行，接近零排放；在中等负荷采用汽油混氢燃烧，排放和油耗进一步降低；在大负荷采用纯汽油模式，确保了车辆在高负荷的动力性。北京理工大学对氢内燃机的研究走在国内前列，“十一五”期间与长安汽车集团合作，承接了国防科工委和科技部863节能与新能源汽车重大专项课题，开展了多项有关氢发动机内容的研究。2007年6月，北京理工大学与长安集团共同研制的国内第一台氢内燃发动机，在长安集团点火成功。随后在2008年的北京国际车展上，长安汽车发布了中国首款氢动力概念跑车“氢程”。“氢程”搭载的便是上文刚刚提到的增压中冷氢内燃机，直接以压缩氢气为燃料，其性能不仅可以达到汽油机的水平，效率上还比同排量的汽油机高30％以上，HC、CO、CO2排放几乎为零，完全可实现超低排放并具有良好的低温启动性，在一次性加足燃料的情况下巡航距离可达230Km以上。

由于氢发动机需要将氢气燃烧后获得能量，传统的高压储氢所能存储的氢气有限，而液化氢气需要零下200℃甚至更低，成本过于高昂，固体储氢是一个非常有前景的技术，但是目前来看短期内很难有突破性的材料和进展。2018年12月3日，北京理工大学在国家军民融合公共服务平台上发布了目前国内唯一的一套可以进行氢燃料内燃机系统开发的专用试验台架。

在其他应用领域，氢内燃机最新的进展是日本产业技术综合研究所与日本冈山大学、东京都市大学、早稻田大学组成的研发小组成功开发出了全球首款能实现高热效率和低NOx排放的火花点火氢燃料发动机，此次开发的氢燃料发动机可作为大型发电用发动机和船舶用发动机使用。这项工作是在日本内阁府战略性革新创造项目（SIP）的支持下进行的。该计划第一期的项目已经结束（2014－2018），第二期SIP2中并未查到有关氢能发动机进一步的开发计划和支持。