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一刀说丨氢燃料是内燃机的救命稻草么?

2019年02月13日 18:41:12
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来源:myautotime

氢燃料是内燃机的救命稻草么

最近一段时间汽车行业最热的话题就是氢能源了,其中讨论最多的氢燃料电池技术。这其实已经不是新话题了,早在大约30年前汽车企业已经开始关于氢能源的研究,并进行了多种技术方案的探索,今天我们来聊一聊氢燃料的内燃机。

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宝马氢内燃机概念车

首先,氢燃料的内燃机概念是非常吸引人的。因为,目前内燃机最广为诟病的是两大问题:

第一个是有害污染物排放,包括一氧化碳CO,碳氢化合物HC,氮氧化合物NOX和颗粒物排放PM(PN),这些排放物被证明是对人和环境有比较大的伤害的,因此从上世纪70年代开始政府制定了排放法规来对此进行限制,目前经过几十年的努力,有害污染物排放目前已经非常低了。

第二个问题是二氧化碳排放CO2,二氧化碳本身无毒,但是二氧化碳是温室气体,过多的排放会引起温室效应,影响地球环境。因此,最近十多年政府和汽车企业的目标都在降低CO2排放上,制定了CO2排放法规和油耗法规来限制CO2排放。

以上两个问题都是因为内燃机燃烧的是化石燃料汽油或者柴油造成的。很多人设想一旦内燃机采用氢燃料的话,以上两个问题就会完美的解决掉。氢气H2燃烧的产物是H2O水,没有化石燃料的有害排放物,也完全不排放CO2,看起来简直是完美的解决方案。事实是这样么,我们来看一看。

▍一、 宝马在在氢燃料内燃机上的研究

宝马在过去20年一直把氢内燃机作为动力系统的一个核心的未来研发方向在推进。宝马从上世纪90年代开始了氢内燃机的研究,主要的研究项目是Hydrogen 7轿车,也就是氢内燃机的宝马7系

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宝马在传统汽油发动机的基础上进行了改造开发了一款氢燃料发动机,主要的改造内容如下:

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1、 采用了300bar的气体喷射系统来代替原来的汽油直喷系统,下图是氢气喷嘴和喷射过程的仿真分析结果。

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2、 特殊设计的火花塞和加强的高能高压点火系统。

3、 改善了气门和气门座圈的耐磨性。同时加强了活塞连杆,缸垫等一系列结构件。

宝马最终在验证机上实现了氢内燃机的开发目标。最终的研究结果是能够达到最高42%的热效率和100kW/L的升功率,应该说发动机的性能是比较有竞争力的。下图是宝马氢内燃机在台架上进行燃烧开发的情况。

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▍二、 马自达在氢燃料转子发动机上的研究

马自达也是氢内燃机的重要研究者之一,马自达对氢内燃机的主要研究方向还是集中在马自达引以为傲的转子发动机上。马自达从上世纪90年代开始马自达就开发并测试了它的第一辆氢转子发动机原型车,即Mazda HR-X。后来马自达又在2004年发布了RENESIS氢转子发动机。我们来看看马自达RENESIS氢动力转子发动机的技术特点:

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1、和宝马一样马自达的RENESIS氢动力转子发动机也采用了氢以气态喷射系统,由于氢气的密度极低,和汽油相比,需要的喷气量要大得多,因此马自达选择用了双氢喷射器,转子发动机的结构使得双氢喷射器的安装空间很大,比在活塞式发动机上安装要容易的多。同时,马自达发现转子发动机非常适于氢的燃烧,而且不会带来传统汽油转子发动机经常遇到的回火问题。

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2、马自达还为转子发动机增加了电动增压器以解决能量密度低的问题,同时马自达为了解决氢内燃机头疼的NOX氮氧化合物排放问题还为氢转子发动机引入和EGR废气再循环系统。

3、马自达还将氢转子发动机技术引入到混合动力系统中,见下图,是马自达的Hydrogen RE Hybrid系统。考虑到基础设施还不能支持随时获得氢气,所以马自达的这一系统中氢转子发动机是双燃料的,也可以在没有氢气的话使用汽油。马自达还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。

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氢转子发动机在整车上布置的情况

▍三、氢燃料内燃机的问题

宝马马自达最终都搁置了氢内燃机的开发,可以说最近10年内两个氢内燃机的先驱企业几乎没有新的研发消息传出了,主要是氢内燃机存在一些暂时无法克服的问题:

1、 氢储存困难,氢不像目前化石燃料那么高的能量密度,这意味着如果要达到理想的续航里程需要储存更多的氢气。

同时,氢燃料的储存是非常困难的。如果要在车上储存液态的氢,根据氢的特性它大概在零下253度以下才能保持液态,放在常温下它就等于在不断加热,会不断蒸发形成气态的氢,这需要一个性能极其优异的绝热层,但是再好的绝热层也无法完全阻止散热和蒸发。

比如上面提到的宝马Hydrogen 7,如果12天以上不使用,氢气就会因为累积的压力完全泄漏。

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宝马在Hydrogen 7上开发的液态氢气储存系统

2、 和氢燃料电池相比氢内燃机效率低

本来氢气就很难储存,再加上活塞发动机固有的低效率,一般情况下发动机正常运行的情况下最高热效率也只有40%左右(在很多工况下是低于30%的),宝马氢燃料内燃机的研究结果最终的热效率也只达到了42%。

这就会造成氢内燃机的续航成为一大问题。而氢燃料电池得效率就高多了能够达到60%,而且没有发动机燃烧时不同工况下的效率区别,因此,从效率角度氢燃料电池更具竞争优势。下面一张图是宝马的测试结果,显示了氢内燃机和汽油机燃料消耗量的差异。

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3、 氢内燃机燃烧氢气也会有有害气体排放其实,氢内燃机在燃烧氢气时,燃烧产物除了水蒸气是会排放有害气体排放物的,主要是NOX氮氧化合物的。

主要的原因是地球的空气中是含有N2氮气和O2的,这两种气体常温下是不会发生化学反应的,但是被吸入内燃机后在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。

这种化合物在汽油机上也会产生,但是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N2氮气和O2氧气。氢内燃机就由于不排放HC和CO就无法采用三元催化器了。

NOX排放如何解决就成为一个比较头疼的问题。要知道NOX在柴油机上也会产生,并且是大众柴油排放作弊丑闻的核心问题,技术上是很难解决的。

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三元催化反应的原理

宝马在氢内燃机中为了解决氮氧化合物NOX排放问题试图让氢内燃机在2倍空燃比的稀薄燃烧情况下运转,从而降低燃烧温度,抑制NOX的产生。不过这样会让氢内燃机的性能大幅下降,进一步放大氢内燃机能量密度低的缺点。

而氢燃料电池方案就不存在此排放问题,因为氢气和氧气的反应是在较低的温度下实现的。反应的产物只有水,更加环保。因此从这个层面来看氢燃料电池也比氢内燃机更有优势。

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氢燃料电池的工作原理


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丰田MIRAI氢燃料电池车

总结一下,单纯为了延续内燃机技术的寿命而开发氢内燃机显然不是最好的技术方案,未来氢内燃机只能寄希望于内燃机效率的大幅提升和稀薄低温燃烧技术的突破了。另外说一下,宝马也已经基本放弃了氢内燃机的技术路线转而开发氢燃料电池技术了。

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宝马最新的Hydrogen Fuel Cell氢燃料电池概念验证车

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