汽车燃料与能源的选择（能源危机下汽车燃料不够）

理论上，以氢气为燃料的发动机如果能够实现量产，将是非常有价值和吸引力的，因为氢气（H2）燃烧的产物是水（H2O），没有有害排放物，也完全不排放二氧化碳（CO2）。在如今能源危机越来越严重的形势下，氢燃料发动机甚至可以取代所有形式的发动机。但是看起来简直是完美的发动机燃料，以人类现有的科技水平和技术，应该能够实现或者部分实现，可是氢燃料发动机一直没有进入市场？就连我们这样的能源消耗最大、汽车产销量最大的国家居然没有机构进行研究，到底有什么原因呢？

一，氢气的物理特性

• 氢气的发现，使氢气利用的价值越来越趋向于民用，但是氢气的物理特性使得氢气作为燃料具有很大的复杂性：
• 1，轻。常温下的氢气密度只有空气的1/14，即在零摄氏度时，一个标准大气压下，1升氢气的质量只有0.089克。密度低，其分子质量就低，储存容易发生泄漏。
• 2，沸点，熔点低。在零下252摄氏度时可以变成无色液体；零下259摄氏度变成雪花状固体。对于低温储存，需要专用的设备。
• 同时，氢气还很容易和金属分子发生化合反应，所以储存装置还需要特殊的材料和复杂的设计。不过在2018年，我们国家实现了氢气低温的制备和储存，并且荣获科技部2017年度中国科学十大进展。

氢气的制取方式目前有：通常采用的炭和水在高温下反应生成一氧化碳和氢气的水煤气法；电解水、电解饱和食盐水（能量消耗大，采用量不大）；金属和强酸的反应制取等。

二，氢气作为燃料的研发过程

相对于氢气作为汽车燃料的尝试，氢气的制取就显得容易得多，因此氢燃料发动机也不是现在阶段提出的所谓新科技，在汽车工业发达的德国和日本，宝马汽车和马自达都曾经花费很大精力研究过氢燃料发动机。并且都曾取得了一些研究成果：

1.宝马的氢燃料发动机

• 早在上世纪90年代，就有欧洲计划建立氢燃料站的报道，其实就是宝马汽车那时候已经开始了氢燃料发动机的研究。宝马在传统汽油发动机的基础上进行了一系列的改造和升级，生产出了两款氢燃料发动机（另外一款为氢燃料和汽油燃料的双燃料切换模式）用来验证氢燃料汽车的可行性，项目选定的车型就是著名的宝马7系，宝马改造后称为Hydrogen 7轿车，也就是氢燃料发动机的宝马7系。
• 在这辆宝马Hydrogen 7上，宝马专门开发了适合氢气气体喷射的氢气供给系统来代替原来的汽油供给系统，并且开发了专用火花塞，气门等一系列技术来实现发动机的工作。在试验车型上，同样采用了宝马7系的6.0L V12引擎，发动机最大功率260ps，最大扭矩390Nm，对于燃油发动机，这个动力参数还是很低的。由于氢气燃烧的特性以及还有很多设施需要进一步完善，大约在2010年左右，宝马逐渐停止了氢燃料发动机的研发，转而开发氢燃料电池技术了。

2. 马自达的氢燃料转子发动机

• 马自达汽车是业内对发动机技术最痴迷或者最执着的企业，甚至没有之一。马自达对氢燃料发动机的主要研究方向集中在马自达擅长的转子发动机上。马自达同样也是从上世纪90年代开始开发了它的第一辆氢转子发动机概念车Mazda HR-X。后来马自达又在2004年发布了称为RENESIS氢转子发动机，马自达RENESIS氢动力转子发动机是专门为氢燃料设计的转子发动机，采用了双氢喷射器，电动增压器，EGR废气再循环系统的一系列新技术。
• 随着混合动力发电机的出现，马自达还将氢转子发动机技术引入混合动力系统，发布了马自达的Hydrogen RE Hybrid系统。并且考虑过将这一氢转子发动机作为增程式混合动力的增程式使用。可以说马自达在氢燃料转子发动机方面可以说是煞费苦心。不过可能面临宝马同样问题的原因，最终马自达没有坚持到最后，大约在2012年后马自达逐步停止了氢燃料转子发动机的研发。

三，氢燃料发动机面临的问题

宝马和马自达经过一系列的尝试，最终都搁置了氢燃料发动机的开发，其中宝马已经转向了氢燃料电池的开发，2015年宝马发布了i8氢燃料电池概念车。其原因主要是在研发过程中他们发现了氢燃料发动机存在一些暂时无法克服的问题：

• 1，氢燃料发动机燃烧氢气同样会产生有害气体排放

理论上认为氢气在发动机中燃烧的产物只有水，是绝对环保的。但是前提是氢气和氧气的结合燃烧，实际情况是，氢燃料和空气混合在燃烧时，会产生氮氧化合物（NOX）排放。

氮氧化合物NOX排放产生主要的机理是：空气中是含有78%的氮气（N2）和21%的氧气（O2），这两种气体常温下是不会发生化学反应的，但是在燃烧室高温高压的环境下就会产生化学反应，形成有害的NOX氮氧化合物。

普通汽油机可以通过三元催化器，用同时产生的另外两种排放物HC和CO来作为还原剂将NOX还原成无害的氮气和氧气。而氢燃料发动机就由于不排放HC和CO无法采用三元催化器方案。那么唯一的解决方案就是在配置一套氧气设备，这样对于作为需要高速行驶的汽车来说，安全性和可行性又值得商榷了。

而氢燃料电池技术，由于反应温度较低，反应过程中不会产生NOx排放，排放物只有水。在排放上比氢燃料内燃机更有优势。因此，最为燃料的氢气，无非是转移了战场，同样发挥着它的独特优势。

2，氢燃料电池效率更高

由于燃油发动机的能量转换机制限制，其化学能要先转化成热能在转化成机械能，这个过程会有一定的能量损耗，同时排气系统和冷却系统会带走热量，也是一种能量损耗。以至于当前技术燃油发动机最高热效率也只有40%左右(在很多工况下是低于30%的)。宝马氢燃料发动机的研究结果显示，最终的热效率也只达到了42%。

而氢燃料电池是直接将化学能转化为电能，再将电能转换为机械能来实现车辆的行驶。运行温度比较低，没有发动机较大的热损失，因此效率高的多，目前能够达到60%左右，所以从效率上完胜氢燃料发动机。

四，氢燃料发动机研发带来的启示

相比传统的燃油发动机，氢燃料发动机可以实现排放和效率的双提高，但是现实不止停留在理论层面上，氢气作为发动机的燃料，还有很多需要解决的重要问题。然而，时不我待，同样以氢气为燃料，氢燃料电池技术的发展，在现有的条件下，不得不说是一种更好的选择。

但是，氢燃料电池的应用，或许同样会回到氢燃料发动机面临的诸多问题挑战上，制取、储存、加氢站将是氢燃料汽车发展的三座大山。可以试想一下，将来难道不会出现氢燃料发动机和氢燃料电池的双利用局面吗？

总结

宝马和马自达对于氢燃料发动机的研发，虽然最后都没有成功，但是作为第一批“摸着石头过河”的企业，这种精神很值得尊敬和肯定。这些研究也很可能就是一种技术储备。虽然在目前的技术条件下，和氢燃料电池技术相比，氢燃料发动机在排放和效率上都完全没有优势，但是不代表不会实现。因为在科学的世界里，没有想不到，只有做不到！

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