氫燃料內燃機跟氫燃料電池,您搞清楚了嗎?

2020-12-11 鋒潮科技

關於氫燃料,大多數小夥伴們的第一反應應該就是氫燃料電池車。但不知道大家有沒有想過,直接把氫拿來燒?對的,想汽油柴油那樣燒,這就是氫燃料內燃機(HICE)。

這種發動機跟普通燃油發動機一樣,有吸氣,壓縮,做功以及排氣四個衝程。雖然不是主流,但確實是量產過的,最讓人熟知的就是當年寶馬的Hydrogen 7項目。

啊,這不是E65的那代7系嗎?已經15年前了。現在寶馬還弄這玩意兒嗎?寶馬現在確實還在用氫燃料技術,但卻是FCEV,而不是HICEV。那寶馬為什麼要放棄這種技術呢?這是我們探討的話題。

首先,我們跟燃油內燃機做一個直接對比。

第一,氫氧的燃燒只會產生水,但實際中,空氣上還有氮氣,在燃燒室內的高溫下還是會產生氮氧化合物,但由於沒有碳元素,因此沒有碳排放。而燃油中一定是有碳元素與氫元素,因此氮氧化合物跟碳排放是不可避免的。

第二,鑑於氫氣的特性,氫燃料內燃機可以使用很高的空燃質量比,最高可以達到180:1。而目前最高馬自達Skyactiv-X也只不過是37:1。這樣極度稀薄的燃燒可以減少燃料的使用,減少氮氧化合物的排放,但同時也帶來動力不足。

                                      馬自達Skyactiv-X

第三,氫氣極度容易點燃,僅需要0.02MJ,而汽油則需要0.24MJ。雖然這有利於發動機稀薄燃燒,但由於氫氣只需要一點能量就能點燃,這樣會容易造成發動機的缺缸。而且發動機的點火也不太容易把握,在配氣結構的設計上帶來困難。

第四,氫氣在點燃的時候迸發出的火焰要比汽油的要快不少,不過這要是在空燃比比較低的時候才行。如果在180:1的空燃比下,火焰速度會比在50:1下慢不少。

第五,氫氣有較高的自燃溫度,大概有500攝氏度,相當於120的研究辛烷值(RON),而即使是99RON的汽油,也只是為280攝氏度。這就意味著能夠有更高的壓縮比,有利於更好的配氣,有利於減少爆震。這裡所帶來的優點可以抵消掉一部分第三點所帶來的劣勢。

第六,氫氣有極高的擴散性。說白了就是這些氣體「跑得快」,這就意味著氫氣在進入燃燒室後,能夠以更快的速度把整個空間填充掉,從而實現均質燃燒,這也為發動機帶來高效率,而汽油在均質燃燒上則需要花費很大的工夫。當然啦,這個「跑得快」也有一個好處,就是發生漏氣時,氫氣可以快速逃脫,從而減少發生爆炸的可能。

                           豐田用子彈射擊氫氣罐來檢測安全性 

第七,氫氣燃燒的火團擁有很小的淬熄距離。什麼是淬熄距離呢?簡單來說火焰前沿與壁面間的距離,這個距離產生的原因是因傳熱、膨脹功將足夠的能量或活化能分子從燃燒區域移開,這個距離的大小取決於燃料的選擇,發動機做功情況,結構等多種因素。

正是由於氫氣的淬熄距離短,火焰甚至可以通過未完全關閉的進氣門回竄到進氣歧管中,造成不理想的回火。不過短的淬熄距離還可以讓整個燃燒室的燃料燃燒得更充分。

第八,由於氫氣的密度低,導致了在燃燒室中具有較低的空燃體積比。而汽油由於是液體,所佔的體積較小,因此有很高的空燃體積比。在既定空間下,空氣越少,肯定是不利於燃料的燃燒的。特別是對於自然吸氣發動機。        

同時由於密度小,裝載氫氣的燃料罐必須要很大,這裡不但佔據了很多空間,還會影響車輛的外觀。

列了八點,看下來氫燃料內燃機對比起燃油發動機也沒有多大優勢。

那對比起現在如火如荼的氫燃料電池呢?

首先說排放,前面講到,HICE會產生氮氧化合物,而氫燃料電池由於只是,離子質子分離然後再與氧氣結合的過程,因此副產品就只有水。

第二個就是效率的問題。HICE與普通內燃機熱效率差不多,30%-40%,但氫燃料電池可以達到60%-70%,也就是說差不多兩倍的效率。這就帶來了一個很現實的問題,就是氫氣罐體積。既然HCIE只有FCEV的一半效率,那要達到相同的續航裡程,HCIE的氫氣罐必須要大一半。

但HCIE有一個看上去很好的地方,就是可以基於現有的發動機進行改進。比如前面說到的寶馬Hydrogen 7就是基於原有760Li上的V12發動機改的,它既可以使用汽油,也可以使用氫氣。但在氫燃料下的功率僅為汽油情況下的一半,裡程也變成了三分之一,而且價格要高出不少。

鑑於氫燃料內燃機比下有餘,比上不足的尷尬情況,而且當時全世界就5個加氫站,於是寶馬象徵性地生產了100臺Hydrogen 7就完事了。

時至今日,全新的氫燃料電池車無論在性能上,還是價格上,都要遠勝於當年的Hydrogen 7。最重要的是,加氫站比當年多了好幾百倍!就這樣,氫燃料內燃機慢慢淡出了人們的視線,氫燃料電池成為了主流。

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