燃烧后只有水的氢气 能让内燃机永生吗

H2 + O2 → H2O，这或许是世界上最被人熟知化学反应之一。与氧气反应后燃烧产物只有水的氢气不仅孕育了地球上所有生命，自从这种神奇的气体被人类发现，就一直被当做有待开发的完美“燃料”。一方面，氢气燃烧产物只有水，没有任何有害物质，且相比于化石原料或制造电池需要的金属储量巨大。另一方面，将氢气用作内燃机燃料也能为“老旧”的燃油发动机续命，也能极大的降低了车企研发资金压力。试想，一辆有着浑厚声浪的GT跑车，排气管冒出的却是袅袅蒸汽，让性能至上的Petrolhead和极端的环保主义者同时“狂喜”，也算是人类工业文明的极致浪漫了。

其实，除了近年热度不减的氢燃料电池技术，被搁置多年的氢内燃机也再度进入了全球车企的技术规划。作为全球首款氢燃料电池量产车的生产商，丰田不仅在2021年推出了搭载氢燃料发动机的GR Yaris H2，“头铁”的老板丰田章男更是亲自上阵，驾驶着配备相同动力的卡罗拉赛车参加了亚洲耐力赛事的“天花板”——Japan‘s Super Taikyu race series（日本超级耐力赛）。不久前，该公司还与雅马哈在现款RCF的V8发动机基础上打造了一款更高性能的氢燃料内燃机。无独有偶，几乎是在同时，雷诺也放出消息，计划于今年5月发布一款搭载氢内燃机的概念车。莫非，氢气要让内燃机复活了？

丰田不仅在2021年推出了搭载氢燃料发动机的GR Yaris H2，“头铁”的老板丰田章男更是亲自上阵，驾驶着配备相同动力的卡罗拉赛车参加了亚洲耐力赛事的“天花板”——Japan‘s Super Taikyu race series（日本超级耐力赛）

氢内燃机简史

其实，氢内燃机并非新生事物，早在1852年，意大利工程师、数学家Eugenio Barsanti和液压专家Felice Matteucci就设计制造了世界上首个以氢为动力源的二冲程卧式发动机，而人类首次将氢能运用到陆地交通工具甚至比现代意义上的内燃机汽车发明的时间更早，1807年，瑞士发明家弗朗索瓦·艾萨克·德·里瓦兹（Francois Isaac de Rivaz）将一台泵式发动机安装在了一个四轮马车上，而这台机器的动力来源正是氢气。有趣的是，虽然这台发动机的工作原与现代内燃机相距甚远，但采用的电火花点燃混合气却十分超前，一直应用至今。

虽然这台瑞士发明家弗朗索瓦·艾萨克·德·里瓦兹（Francois Isaac de Rivaz）发明的氢内燃机的工作原与现代内燃机相距甚远，但采用的电火花点燃混合气却十分超前，一直应用至今

随着汽车的发明和普及，工程师们也没有停止对于氢内燃机的探索。1941年，纳粹德国开始了疯狂的“巴巴罗萨”计划，大举进攻苏联。很快，列宁格勒被德军包围并切断了石油供应。为了保证物资运输，苏联红军的随军工程师Boris.Shelishch将一辆GAZ-AA军用卡车的发动机改为使用氢燃料，在证明其可行性后，随后又在10天中改装了200辆同型号的卡车，据当时有限的资料记载，这些卡车不仅能常工作，而且比燃烧汽油时更加经济、高效。

早期人类对对氢气最成功的商业化应用是20世纪初的载人飞艇，飞艇的原理类似热气球，由于氢气密度远低于空气，因而只要将其冲入足够体积的气囊中，便可以带动可容纳数十人的客舱。

在此以前，人类对对氢气最成功的商业化应用是20世纪初的载人飞艇，飞艇的原理类似热气球，由于氢气密度远低于空气，因而只要将其冲入足够体积的气囊中，便可以带动可容纳数十人的客舱。飞艇可以垂直起飞降落，并不用额外修建机场，且作为动力源的发动机无需很大的功率，因此在早期的航空业，大型载人飞艇在与早期飞机的对比中有着绝对的优势。甚至在1930年代中期，乘齐柏林飞艇穿越大洋前往美洲旅行成为了欧洲上流社会的风尚，但氢气易燃和难以控制的化学性质也为飞艇埋下了隐患，随着1937年的著名的“兴登堡空难”，飞艇的安全性受到了公众和航空从业者的质疑，自此销声匿迹。

1974年至1990年间，日本东京都市大学（Tokyo City University，旧称Musashi Institute of Technology）先后打造了10辆以氢为燃料的试验车辆

1970年代起，随着两次石油危机的爆发，更的车企和科研组织将氢燃料内燃机的研发提上日程。1974年至1990年间，日本东京都市大学（Tokyo City University，旧称Musashi Institute of Technology）先后打造了10辆以氢为燃料的试验车辆，他们不仅深入研究了两冲程、四冲程发动机以氢驱动的可行性，同时还对点火及进气方式、燃烧能效等方面进行了大量试验；1977年，由美国发明家Roger Billings设计改装的一辆凯迪拉克赛威轿车甚至被用于新任总统吉米。卡特的就职游行，旨在向公众展示宣传其搭载的氢燃料-汽油两用发动机。

1979年，宝马推出了首款液氢-燃油双燃料汽车520h，该车不仅配备了搭载缸内直喷技术的3.5L发动机，同时在氢燃料储存方面也有所突破，采用了超级绝缘材质包裹的低温储存罐，提升了行驶的安全性。

与此同时，在氢内燃机诞生地的欧洲，车企也没有停止探索的脚步。1979年，宝马推出了首款液氢-燃油双燃料汽车520h，该车不仅配备了搭载缸内直喷技术的3.5L发动机，同时在氢燃料储存方面也有所突破，采用了超级绝缘材质包裹的低温储存罐，提升了行驶的安全性。此后，宝马又接连在历代7系轿车的基础上推出了氢动力车型，甚至在2007年，宝马还小批量生产了100辆以（E65）760轿车为基础打造的“Hydrogen 7”车型，并提供给影星、企业家等公众人物使用，以宣传氢内燃机技术。自1980年代起，奔驰等车企也针对氢内燃机的可行了做了相关的研究和实验。

2007年，宝马小批量生产了100辆以（E65）760轿车为基础打造的“Hydrogen 7”车型，并提供给影星、企业家等公众人物使用，以宣传氢内燃机技术。

由于氢能在化学性质方面与石化燃料有相似之处，因此对于传统车企而言，氢内燃机只要在现有发动机基础上对供油系统、火花塞、发动机内部密封部件稍加改装即可。并非像纯电、燃料电池等其他新能源形式，需要车企在研发方面“另起炉灶”。此外，据统计氢内燃机整体研发成本大概只比同排量的燃油发动机高15%左右，成本优势明显。

自1980年代起，奔驰等车企也针对氢内燃机的可行了做了相关的研究和实验。

另外，在目前的技术条件下，大多数氢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，而且，由于氢的物理性质，氢燃料内燃机无需担心冷起动、积碳等传统内燃机的顽疾。在很多业内人士看来，氢内燃机是未来降低对石油依赖的重要途径。既然如此，为什么搭载氢燃料内燃机的汽车迟迟不能落地呢？

昂贵而低效 氢没有想象中美好

尽管原理相似，但作为燃料的氢在燃烧性质上还有很大的区别。氢的热值大约是汽油的3倍，且燃烧过程极快，这也就导致了氢燃料内燃机内的混合气很容易在进入燃烧室前被提前点燃，将一台燃油发动机改烧氢气，类似给一辆说明书规定加95号汽油的车加注燃点更低的92号汽油，爆震、回火等现象不可避免，不仅影响动力表现，长期还会造成发动机内部损伤。

在Hydrogen 7的V12发动机中，保留了原车缸内直喷系统的同时，改装了300MPa的高压气体喷嘴，同时还配备了点火能量更强、且抗高压的特质火花塞。

另外，氢虽然质量能量密度高，但体积能量密度低。汽油与氢气相比，如同全麦饼干和棉花糖，如果是相同重量，棉花糖所提供的卡路里一定远高于饼干；但其结构比饼干松散的多，吃同样体积的两种食物，饼干提供的饱腹感远高于棉花糖。这样的物理性质就为氢燃料内燃机带来了两个难题，其一是相比于传统内燃机，氢内燃机在高速或大负荷工况下，燃料供给系统必须为发动机提供更多的燃料。大多数厂商也据此对氢内燃机进行了特别的设计。比如在Hydrogen 7的V12发动机中，保留了原车缸内直喷系统的同时，改装了300MPa的高压气体喷嘴，同时还配备了点火能量更强、且抗高压的特质火花塞。而马自达的氢气转子发动机则采用了更为极端的双氢喷射器设计。

为了保证高负荷下向发动机内输送足够多的氢气，马自达的氢气转子发动机则采用了双氢喷射器设计。

即使如此，在以同等条件进入气缸时，氢气所占气缸气体约是汽油的15~30倍，因此大多数氢内燃机与改装前的燃油发动机相比，仍存在着巨大的动力差距。还以宝马的Hydrogen 7举例，这款车V12发动机只能提供191kW（260马力）的最大功率和390Nm的最大扭矩，作为对比，其普通版本的最大功率为327kW（445马力），最大扭矩为600Nm。不仅如此，马自达负责技术研发的高管在谈及氢燃料内燃机时，也不止一次的表示“相比于直接驱动车辆，这种发动机更适合作为增程式电动车的增程器。”

低温高压的的保存环境对于加氢站的大型设备尚且是不小的挑战，对于安装车上的储存罐而言，简直是“不可能完成的任务”。

其二，氢气很低的体积能量密度也带来了储存问题，如果要保证搭载氢内燃机的汽车具有和燃油车相当的续航里程，就必须将氢气通过低温高压处理转换成液态，这样才可以在较小的体积内储存更多的氢。这样的保存环境对于加氢站的大型设备尚且是不小的挑战，对于车上的储存罐而言，简直是“不可能完成的任务”。目前的解决方案是在加氢罐外部增加隔热层尽力阻止氢气因受热膨胀溢出，即使如此，其效果也颇为有限，还是以Hydrogen 7举例，该车的说明书中明确表示：“气罐中的氢气保存期限只有12天，如果在这段时间内不使用，受热变成气态的氢气会通过安全阀自行溢出。”

如果连续12天不使用，宝马Hydrogen 7储氢罐内受热变成气态的氢气会通过安全阀完全溢出。

对于很多氢内燃机来说，“氢脆”也是亟待解决的技术难题，几乎所有的金属材质在在含氢介质中长期使用时，都会出现吸氢或氢渗现象，通俗的解释就是少部分氢气会残留在金属中，一旦这些氢气受热膨胀，就会导致相关部件变形甚至断裂。这对于长期处于高温、高压状态下工作的发动机来说，显然是不可接受的。

几乎所有的金属材质在在含氢介质中长期使用时，都会出现吸氢或氢渗现象，通俗的解释就是少部分氢气会残留在金属中，一旦这些氢气受热膨胀，就会导致相关部件变形甚至断裂。

更为关键的是，H2 + O2 → H2O的反应只发生在理想的纯氧状态，而事实上，氢内燃机在高温工作时，发动机内的氢气难免和空气中的氮气反应生成NOX，这同样是大气污染的主要成分。为了降低污染，氢内燃机也需要在排气端增加EGR废气循环、催化器等附加装置。

为了降低污染，氢内燃机也需要在排气端增加EGR废气循环、催化器等附加装置。

最后，由于所占市场份额的比例过小，目前全球范围内加氢站等补能配套设施仍不完善，而且，目前工业制氢的主要方式仍为分解天然气、煤炭等化石燃料，其过程不仅成本高昂，同时也会产生大量主要的温室气体——二氧化碳，而这恰恰正是所有新能源车所极力避免的。当然，上述的这些氢气本身带来的问题也同样困扰着另一种依赖氢气对的新能源形式——氢燃料电池。

总结

在越来越多车企出于成本考虑宣布放弃氢燃料电池开发的当下，凭借着更低的技术门槛和明显的成本优势，氢内燃机这个“古老”发明再次被纳入了传统车企的视野中。虽然该技术是否让内燃机重获新生现在下定论还为时过早，但对于那些怀念内燃机轰鸣、顽固不化的“老派车迷”而言，尚存无限可能的氢内燃机，仍是与未来世界和解的最佳机会。