氫氣發動機是電動車終結者,還是內燃機的絕唱?

近期一則新聞，讓內燃機愛好者們又激動了一把。

豐田

官方宣佈將派出一輛搭載氫燃料內燃機的卡羅拉賽車參加“富士SUPER TEC 24小時耐力賽”，並在5月23日順利完賽。

注意，這裡的氫燃料發動機指的並不是我們現在已經相對了解的，已經搭載於

Mirai

上量產的氫燃料電池發動機，而是氫燃料內燃機。它的工作原理和我們目前使用汽油、柴油、天然氣的內燃機並沒有差別。燃料在氣缸內燃燒膨脹，推動活塞做工。

Mirai

未上市

詢底價

有傳統內燃機的排氣聲浪，還沒有傳統內燃機的碳排放，哇哦，在這個電動化趨勢統治的世界中，氫燃料內燃機是天使嗎？豐田，不愧是你，真是玩氫的一把好手。

★ 或許你不知道，100年前就有了氫氣內燃機

氫氣內燃機其實並不是什麼新鮮的概念，它的起步很早，它的研究可以追溯到19世紀中期，1841年，英國頒發了第一個用氫氣氧氣混合氣工作的發動機的專利。20世紀初也曾有人進行過氫氣內燃機燃燒過程的研究。

在此之後，20世紀70年代，由於石油危機，氫氣內燃機曾有過一小波研究高峰，隨後無疾而終。到了20世紀末，因為排放需求提高，氫氣內燃機又被重新拾起，MAN、福特、三菱、馬自達、FEV等等車企或零部件供應商都有一些概念產品。

這些概念車型中相對比較出名的是

寶馬

。寶馬從1978年就開始研究氫燃料動力，他們在1996年的世界氫能會議上展示了一款氫氣內燃機汽車，隨後在2000年德國漢諾威世博會上展示了用自家旗艦7系改造的750HL示範運營車隊。

在追求氫氣內燃機的效能方面，寶馬也做了嘗試，2004年推出了名為H2R的概念車，其中H2即為氫氣，R則是Record。它的效能的確不錯，來自760i的6。0升V12發動機被改造成氫氣內燃機，可以輸出286馬力。

這是一款賽車，採用了不對稱的駕駛艙設計，單座，全鋁框架車身配上碳纖維強化殼體，在擁有5。4米車長，2米寬車身的情況下，總重不過1560kg，風阻係數低至0。21。最高車速可達300km/h。

在2007年，寶馬幾乎就要引領世界了。在這一年，寶馬推出了迄今為止氫內燃機汽車最接近量產的產品，Hydrogen 7，注意，沒有Concept的字尾，它的確完成了整個產品的完整開發流程。為了推進氫動力的商業應用，寶馬還與道達爾（Total）合作，建立加氫站。

Hydrogen 7是一款劃時代的產品。它充分考慮到推廣初期加氫困難的情況，它的氫氣內燃機既可以使用氫氣，也可以簡便的切換為汽油驅動。它同時具備兩個油箱，一個裝74升汽油，一個裝8kg液態氫。

Hydrogen 7的那臺V12氫氣內燃機是寶馬在760i發動機的基礎上改造而來，雖然輸出僅有260馬力，百公里加速需要9。5s。但技術含量還是極高的，Valvetronic、VANOS寶馬招牌技術全部用上，保留了燃油的缸內直噴系統的同時，改造了300MPa的氣體噴嘴，氫氣在進氣歧管噴射。火花塞經過特殊設計，加強了高能高壓點火能力，改善了氣門和氣門座圈的耐磨性、加強了活塞連桿、氣缸墊等一系列的結構件。它似乎要成功了。

但最終結果我們也看到了，Hydrogen 7雖然沒有Concept的字尾，它的存在感也僅限於Concept級別。寶馬也將精力轉到氫燃料電池方向。

★ 氫燃料內燃機的優劣勢

相比較汽柴油、氫氣的可燃極限非常廣，常溫下以氣體存在無需霧化，與空氣混合容易，不需要很多諸如缸內直噴、分層燃燒等技術即可實現稀薄燃燒，甚至可以實現4%體積分數情況下的稀薄燃燒。沒有積碳風險。

氫氣的燃燒火焰擴散速度快，熱值高，等質量氫氣燃燒釋放的能量差不多是汽油的三倍。這兩點的共同作用下，氣缸的溫度相比汽油車更高，基於卡諾迴圈的基本效率計算公式，提高熱源溫度也是提高內燃機效率的最有效方式。

相比較於氫燃料電池或者電動車，氫燃料內燃機可以在傳統發動機的基礎上進行改造，適應性強，更關鍵的就是，氫燃料內燃機有排氣聲浪，也就是說，它有“靈魂”。

但是，氫氣作為燃料優秀的一面也會引發問題。氫雖然質量能量密度高，但體積能量密度低，輸出功率和扭矩相比較同等條件下的汽油發動機都有所下降。

因為氫氣火焰擴散快，燃燒過程過快，膨脹做功過程較短。同時，由於氫氣的點火能量極低，混合氣容易被氣缸內的熱點比如火花塞電機、過熱雜質堆積物等提前引燃，甚至可能早到在進氣門未關閉之前就被點燃，火焰進入進氣歧管中。回火、早燃、爆燃問題突出。所以很多提高汽油發動機功率密度的手段無法適用於氫內燃機。

此外，氫燃料內燃機的NOX排放問題不能忽視，理論上，氫氣燃燒只會形成水，是一種完全無汙染的燃料。但實際上卻不是，沒有碳排放不等於沒有排放。

由於我們不可能給氫氣發動機提供純氧，氫氣與空氣混合燃燒，空氣中大量的氮氣就會參與反應產生大量NOx排放。而且由於氫內燃機的溫度更高，NOx的排放問題比起傳統內燃機更加嚴峻。

★ 氫燃料內燃機的困境不在於技術，而在於產業

當然，以上的問題其實到了如今的階段，都不算突出了。比如早燃、回火等問題可以透過缸內直噴技術解決、NOx排放也可以利用缸內噴水、EGR等方式減少。制約氫燃料內燃機應用的絕大部分原因都應該歸結於我們並沒有一個完美的車用氫氣供應體系。

這個問題其實和氫燃料電池是一樣的，制氫、儲氫、運輸氫、加氫站，鏈條上的每一個環節幾乎都沒有打通。唯一比氫燃料電池稍好的一點就是氫燃料內燃機對於氫氣的品質要求稍低一些。

但這點優勢並沒有用，氫內燃機和氫燃料電池的競爭中基本上是全面處於下風的，最簡單的，同樣的儲氫量，給氫燃料電池發電再驅動車輛比起直接再氣缸中燃燒，車輛能跑的距離更遠。氫燃料內燃機還是內燃機，它超脫不了熱力學極限，在這方面，它的潛力遠沒有氫燃料電池大。

另外，電動機的優越性不可忽視。就輸出機械能的動力裝置而言，電動機的優越性是發動機不可企及的。極高的能量轉換效率，幾乎免維護的使用特性，完美的輸出外特性曲線，變態的轉速範圍，可怕的功率密度，優秀的NVH，較為低廉的成本，良好的空間佈置能力，以及很關鍵的，電機具有能量回收的能力，回收一次剎車能量帶來的節油效果遠高於壓榨那1%的熱效率。

除了所謂的“靈魂”聲浪，我實在找不到電動機會輸給內燃機的理由。所以連帶著，氫燃料內燃機在潛力上也是遠不如氫燃料電池。

明確了電動化的發展方向，下一步是氫氣與電池這兩種中間儲能原件的爭奪。氫氣很有潛力，但目前看來，電池更勝一籌，只是這點優勢還不夠大，氫氣還有很多機會。

唯獨一點，在現階段，氫氣內燃機可以視為傳統化石燃料內燃機的一條出路，在新時代，給內燃機粉絲們留了一絲念想，畢竟氫燃料內燃機還是內燃機，高亢的排氣聲浪還是仍然存在的。氫燃料電池發展路上，普及氫氣供應鏈條的任務，可以交給氫燃料內燃機。

所以直到現在，雖然在消費端毫無聲量，但氫氣內燃機作為一種基於現有內燃機體系的一種新能源備選方案，以車企的技術儲備的身份，還是有一批人在進行相關的研究，畢竟車企不會把雞蛋都放在一個籃子裡，時不時的還能夠出來刷刷存在感。我國的車企比如長安、一汽也都曾有過新聞，試製成功了氫燃料內燃機。

豐田這次的氫燃料內燃機賽車也是類似的性質，秀秀肌肉，展示一下企業的技術儲備，檢驗一下目前氫燃料內燃機技術的極限，評估一下成熟度有沒有量產機會，更重要的是尋找志同道合的夥伴，這輛卡羅拉賽車上，氫燃料發動機技術由DENSO提供，氫燃料則由巖谷產業、大陽日酸福島縣、浪江町和NEDO提供。豐田章男在推特上表示，透過這次比賽，各領域志同道合的夥伴們都凝結在了一起，不然豐田也完不成這次挑戰。

氫能源作為一種新興能源，儘管豐田已經在相關領域耕耘了多年，也被許多人視為真正的新能源。但其基礎建設比起電池儲能的電動車還要差上不止一截。它的發展需要更多的關注，燃料電池不溫不火，找不到宣傳著眼點。

正巧，隨著電動車嚴重威脅到了傳統內燃機的地位，“汽油頭“們對於電動車缺少聲浪”缺少靈魂“的抱怨愈多，那麼就放出一個氫燃料內燃機的概念，刷一波存在感，試探一下消費市場的反應。豐田也可以轉移注意力，在一定程度上彌補自身電動化能力稍弱的映像。

一石多鳥，豐田，妙啊。

本文作者為踢車幫 Route64