2.8 氢气发动机

图2-80 氢气发动机

毫无疑问，环境污染和资源短缺是21世纪各国共同面对的最严重问题之一，各国都在极尽所能发展低污染、节能的新能源技术。氢气是一种最清洁、资源最广泛的燃料之一，因此以氢气为燃料的发动机是未来取代传统汽油、柴油等发动机的替代产品，也是发动机技术的最新趋势。氢气发动机实物如图2-80所示。

氢气发动机属于点燃式发动机，可由汽油机改造而成，也可由柴油机改造而成。其原理同内燃机几近相同，分为进气（吸气）冲程、压缩冲程、做工冲程和排气冲程，不同的是它以氢气为燃料，其中工作过程如图2-81所示。

图2-81 氢气发动机的工作原理

目前各国大中型汽车企业都不惜花大量人力物力研发氢气发动机，主要原因还是由于其以氢作为燃料，因此氢气发动机的优点主要体现在氢燃料上。

1）氢资源丰富，制取方法也多样化。如可在天然气中提取，也通过电解水等制取。

2）氢作为最为清洁的燃料之一，燃烧后的产物主要为水，其次在空气中燃烧生成微量的NOX，对空气几乎没有污染。

3）氢气单位质量的热值高，与其他燃料相比能量密度相对来说较高。

4）自燃点较高。有利于提高压缩比，提高氢气发动机的热效率。这一特性也决定了氢气发动机难以像发动机那样采用高压燃点火，而适宜火花塞点火。

5）氢气点火能量很低。虽然自燃点相比天然气等燃料都要高，但是所需的点火能量低，因此氢气发动机在工作时几乎从不失火，具有良好的起动性。

6）氢气发动机同时具有发动机的高热效率和汽油发动机的高转速，是一个非常理想的系统。

7）氢气发动机可以靠空气-燃料混合比的浓度调节动力输出，不需要节流阀，同时提高了经济性。这样做的好处是提高了发动机的整机效率，因为不存在燃料泵中的能量损耗，稀薄燃烧的效率较高也起了一定的作用。

目前氢气发动机还没有进入实用化的阶段，只是处于研发和少部分投放试用阶段，主因为氢气发动机其自身存在如下问题。

1）使用氢能的设备价格太昂贵，同时制取氢的成本太高。

2）回火与早燃。由于氢燃料的特殊性质，使得作为发动机燃料时会出现氢燃料低点火能量所导致的进气管回火和缸内早燃。当发生回火和早燃时，由于以浓混合气工作，且火焰的传播速度极快容易造成强烈的噪声和压力的急剧升高，导致发动机的正常工作遭到破坏。

3）爆燃与爆炸。由于氢气燃烧时火焰传播速度极快，易于导致缸内燃气压力急剧升高，燃烧过早结束；以及经由活塞环渗漏到曲柄箱的氢气产生爆炸，使得发动机正常工作遭到破坏。

4）由于氢气是空气中密度最小的气体成分，考虑到氢气的储存问题和工作混合气的配制问题，投放使用在汽车上目前还是有困难的。因为气态储氢能量密度低，体积大，占据车上大量空间，若使用液态储氢，要求超低温、储氢成本高，且蒸发损耗大。

随着资源的日益短缺和环境压力的逐渐增大，“节能减排”越来越成为当今时代的主旋律。为此大力发展排放低的新能源刻不容缓。目前，工程机械多采用“发动机-液压系统-多执行元件”驱动方案，其存在着耗油大和排放性能差等缺点，与“节能减排”的主旋律背道而驰。氢气发动机的出现或许可以改变这一现状。

为发动机加注少量氢气，即所谓的氢气发动机，改善排放降低油耗。2013年，三一重工曾试用该项新技术，以降低排放。三一重工将氢气发动机安装在水泥砂浆设备上后，经检测后表明，油耗下降了5%，尾气排放也下降了78.8%，并且能够有效提高效率，节约人力。

虽然推广应用氢气燃料发动机还要解决一系列技术问题，但是氢气以其优异的物理化学性能必定会成为当之无愧的发动机的理想燃料，相信氢气发动机在不久的将来会主导工程机械的潮流。