氢燃料发动机研究现状与发展展望

摘  要  目前，“十面霾伏”已成为秋冬季节的代名词，PM2.5的浓度增加将汽车尾气污染推到了风口浪尖。氢能具有清洁、高效、可再生的特点，在替代传统燃料方面最具发展潜力。本文介绍了氢燃料的优势及氢气发动机的可行性，重点对氢燃料发动机的研究现状进行详细阐述，对发展前景进行预测。

关键词  氢燃料发动机;研究现状;发展展望

中图分类号：TK46      文献标识码：A      文章编号：1671-7597（2014）21-0002-02

每年的秋冬季为雾霾高发季节，今年“十一”刚过，雾霾就来势汹汹，让我国华北大部地区再遭“心肺之患”。河南作为第一人口大省，十八地市也先后开启“雾霾模式”，陷入“十面霾伏”的尴尬局面。除了工业生产、气象等条件外，机动车尾气排放成为PM2.5浓度增加的元凶。世界石油资源紧缺，而我国的汽车保有量逐年上升，随之而来的温室效应、“光化学烟雾污染”现象频发，因此寻求新型可再生能源迫在眉睫。氢能清洁、高效、可再生，在替代传统燃料方面最具发展潜力。

1  新能源汽车的对比

近年来，温室效应、PM2.5等名词频繁出现在新闻头条，严重的雾霾天气使国民的环保意识逐渐增强，新能源汽车以其低价、环保等优势越来越受到消费者青睐。目前，新能源汽车分为五类：混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车。

混合动力汽车发展较早，技术较成熟，汽车动力来自于内燃机和蓄电池，在一定程度上解决了蓄电池续航里程短、石化燃料污染以及低速行驶时效率低的问题，但仍然无法摆脱对传统燃料的依赖，制造成本远高于传统汽车。

纯电动汽车绿色环保，噪音小，无尾气排放，但技术尚未成熟，如蓄电池价格昂贵，充电时间长，寿命短，外形尺寸和重量偏大，续航能力差等因素使得纯电动汽车的发展空间狭小。

燃料电池汽车利用催化剂的作用，经电化学反应产生的电能并输出动力，但技术短板也限制其发展：质子交换膜价格不菲，催化剂价格昂贵，燃料电池的汽车加速性能较差等。

氢发动机汽车使用清洁的能源氢气，彻底摆脱对石化燃料的依赖，不需要催化剂，氢的储量丰富，并可采用多种方式制取，能量转化效率高，零排放，氢内燃机与传统燃料发动机的原理基本相同，加速性能良好，应用前景广阔。

2  氢燃料发动机的可行性

1）燃烧速度快。按照理论空燃比混合的可燃混合气，燃烧速度比汽油高2～8倍，缩短了燃烧持续时间，使发动机的抗爆震性能良好，延后了点火提前角，有效提高了发动机热效率。

2）扩散速度很快。氢气的扩散系数是汽油的12倍，可使氢气与空气混合均匀，充分燃烧，不易发生淬熄现象，减少了积碳产生，延长发动机寿命，万一氢气发生泄漏，亦可快速飘散，提高了行车安全性。

3）沸点低。在-253℃的环境，氢气仍为气态，有利于发动机冷起动，防止频繁起动，对缓解交通压力也有一定辅助作用。

4）单位质量低热值高。氢气的单位质量低热值约为汽油低热值的2.7倍，醇类燃料的5～6倍，因此氢发动机的有效热效率比较高，燃油消耗率低。

5）零排放。氢燃料的燃烧产物主要是水，仅含少量NOx，对环境污染小。

6）可燃范围广。混合气的过量空气系数范围可达10～0.15，在发动机整个负荷范围内均能正常工作，点火能量仅为其他燃气的1/3～1/6，可燃性好，易于实现稀薄燃烧，使发动机工作平稳，有效提高燃料经济性，同时减少了环境污染。

7）热效率高。氢气发动机的理论循环最接近奥托循环，转速高，热效率高，与汽油机相比，氢气发动机热效率要高出15%～50%。

8）压缩比高。氢的辛烷值比较高，因此氢燃料发动机具有高压缩比。

3  氢燃料发动机的研究现状

1）国外研究现状。

汽车在消化大量石化燃料的同时，不断排放着有害气体和污染物质，所以世界上几乎所有的汽车巨头都在研制新能源汽车，氢燃料发动机如同诺亚方舟一样，使人们在能源危机中看到了希望。

宝马公司作为一家具备独特创新意识和战略性眼光的汽车制造商，承担起了促进可持续机动化产业的历史使命。早在1978年，宝马公司就开始着手研究氢动力单元。到1979年，宝马公司与DLR合作生产了带有液氢燃料罐和氢燃料引擎的汽车。经过不断的研究改进，2000年在德国汉诺威举办的世博会上，宝马公司的第5代氢动力汽车BMW 750hL问世，展示了私人环保汽车之路。在2005上海国际车展上又隆重推出H2R“车速世界记录氢燃料轿车”。2004年9月这辆原型车在法国Miramas高速试车场一天之内连续创造了9项世界记录，以令人印象深刻的方式证明了内燃发动机氢燃料汽车的惊人潜力。在2007年，宝马公司又推出了全球首款以氢为动力的高性能豪华轿车——BMW Hydrogen 7，该车以宝马7系轿车为基础，搭载氢内燃机技术，寻找到低排放甚至零排放的出路。到2009年，宝马已开发出将热效率最大提高至42%的氢发动机“H2BVplus”，与涡轮柴油发动机处于同等水平，根据规划，宝马的氢动力汽车有望在2020年实现量产。

美国第二大汽车生产商福特公司也不断致力于新能源汽车的开发，在2001年发布了第一款氢内燃机演示车，并于2003北美国际车展会上首次展示了U型概念车、基于福特福克斯的演示车、V-6动力牵引车以及混合型全顺。在2006北美国际汽展会上，福特公司推出了Super Chief Concept（超级首领概念车），展示了可使用氢、E-85乙醇或汽油作燃料的三重灵活燃料技术。在2007年7月17日，福特氢燃料V-10发动机正式投产，成为福特汽车在氢技术研究进程中的一个重要里程碑。

氢燃料发动机清洁、环保、高效的优点一直吸引着各大汽车生产商，奔驰公司从20世纪70年代开始氢燃料发动机的研究工作，并于1978年开发出第一辆氢燃料样车，近几年，奔驰公司又开展了氢气缸内喷射的氢燃料样车试验。其他汽车公司也都在积极开展氢能车辆研究，通过自主研发，合作共赢为人类的可持续发展做出了重大贡献。

2）国内研究现状。

我国对氢燃料发动机的研发始于20世纪80年代，国内包括天津大学、上海交通大学在内的多所高校先后对氢燃料发动机进行实验研究。西安交通大学曾对氢燃烧和动力循环、氢燃烧流场进行研究，完成了“氢火焰性实验方法性能评价”等研究课题。浙江大学新材料所与内燃机所合作，成功完成了对一辆用掺氢汽油作为燃料的中巴车的改装。吉林工业大学内燃机研究所通过实验研究发现：掺氢汽油可以改善发动机性能，减少废气的排放。

我国的汽车生产企业也纷纷对氢燃料发动机的动力循环、点火方式、喷射方式等特性进行研究，发展氢能源的代表企业堪属奇瑞和长安。奇瑞汽车公司在发展混合动力车、电动车的同时，也非常关注传统领域的节能降耗，包括氢能源发动机的研发，早在2005年就宣布联合研究的首台纯氢气内燃机运行成功。长安汽车公司从2005年开始对氢内燃机进行研究，并正式获得国家“863”计划立项。经过不懈努力，在2007年完成了中国第一台高效零排放氢内燃机点火，并在2008年北京车展上展出了自主研发的中国首款氢动力概念跑车“氢程”。东风汽车公司也在为新能源汽车的开发付出艰辛的努力，2008年1月初，东风汽车公司“含水乙醇重整富氢燃料发动机”装车试验成功，使我国对氢燃料发动机的研究迈上了新台阶。

4  氢燃料发动机的发展展望

在“灰色长城”绵延数千里的今天，环保、节能减排成为了各国的共识。氢燃料发动机作为“绿色动力”，继承了传统发动机的血统，能够有效缓解能源危机。

氢燃料发动机存在广阔的市场前景，不过还存在一些亟待解决的问题，比如存在回火、早燃和爆震等不正常燃烧现象，输出功率较汽油机偏低，空燃比高于0.5时NOX排放量升高等。此外，从非化石燃料中制取氢气、储氢技术以及氢燃料站和散布式供氢系统的开发也将是氢能利用走向实用化、规模化的

关键。

随着科学技术的进步，涡轮增压技术可以提高氢燃料发动机的动力性，缸内直喷技术对降低油耗，提升功率大，增大压缩比也能起到补偿作用，液态氢燃料的应用也能相应解决一部分问题，今后工作的重点应该对不正常燃烧现象进行试验改进，对降低NOx排放问题进行完善。

要使氢内燃机汽车走进寻常百姓家，还需要政府推行优惠政策，企业加快产品研发，国民更新传统观念。政府应及时推出购买新能源汽车的鼓励政策，减免购置税、消费税、个人所得税、降低氢能汽车的售价，让消费者获得更多的实惠，为氢燃料汽车的发展提供更广阔的空间;汽车生产企业加快布局新能源产业，从战略转向为实际行动，不断研发新产品，提高企业竞争力，将氢能汽车作为未来发展的重点，也为企业长足发展奠定基础。国民更需要增强环保意识，这样我们才能走出一条可持续发展的道路。

参考文献

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