氢气发动机

为什么要开发氢气发动机，与汽油发动机有什么区别，有哪些技术问题？下是你需要了解的情况的摘要。

・问题1:丰田为什么要开发氢气发动机？
・问题2：相比FCV的优势是什么？
・问题3:  排出的废气是否清洁？
・问题4：目前市场上有氢气发动机？
・问题5：世界上的发展趋势是什么？
・问题6：日本的研究水平高吗？
・问题7：技术难题是什么？
・问题8：是否有技术上的解决方案？
・问题9：氢气转子发动机是否有潜力？
・问题10：加氢的基础设施将如何发展？
 
问题1: 丰田为什么要开发氢气发动机？
这次的新动向发生在，世界各国朝着碳中和的方向发展，以及欧洲和中国正在考虑推出新的汽车环保法规来评估全生命周期的二氧化碳（CO2）排放量的背景下。使用可再生能源已成为共识，焦点在于能源的载体是氢气。 
 
氢气发动机，像FCV一样，原则上不排放二氧化碳。另一方面，与FCV不同之处在于，它们是现有发动机的延伸，有可能做到比FCV的成本更低。

而且，日本整车厂协会（JAMA）主席和丰田公司总裁Akio Toyoda多次坚持认为，能实现碳中和的不只是电动汽车（EV），发动机的充分利用非常重要。氢气发动机的发展也符合JAMA的方向。

另外，在开发氢气发动机的过程中，丰田将利用小型跑车GR雅力士的技术。发动机排量为1618cc，与GR雅力士相同，是一个直列3缸中冷器涡轮增压。比赛中使用的氢气来自福岛县浪江镇的福岛氢能研究场。
 
问题2：相比FCV的优势是什么？
除了动力系统可能更便宜以外，也能使氢气这种燃料的售价降低。用于FCV的氢气很昂贵，其纯度为99.97%或更高，但用于氢气发动机的氢气纯度可以降低。氢气生产的成本可以降低。
 
问题3:  排出的废气是否清洁？
氢气发动机的话，在高负荷运行时，燃烧反应过程中会排放大量的氮氧化物（NOx）。但是，由于氢气具有很宽的可燃范围，稀薄的混合气也能稳定地燃烧。据说，如果发动机在空气过量比（λ）=2或更高的情况下采用稀薄燃烧和大量废气再循环（EGR）相结合的方式运行，氮氧化物的排放可以被抑制到几十到100ppm。

虽然少量的润滑油会被燃烧，但是二氧化碳和碳氢化合物（HC）的排放量在几个ppm左右，可以说排出的废气接近于清洁。
 
问题4：目前市场上有氢气发动机？
目前没有商业化生产的氢气发动机。过去唯一商业化生产的氢气汽车是Hydrogen7，它是由宝马公司在2007年生产。

它是一个排量为6升的大型往复式发动机，氢在油箱中以液体而不是气体的形式搭载。但是，氢瓶需要做得非常高压，这很难，而且成本很高。目前，宝马公司已经停止了这些车辆的销售，并在氢气使用方面转而使用FCV。 
 
问题5：世界上的发展趋势是什么？
从氢气发动机的专利申请数量来看，这个数字在00年代中期达到顶峰，但近年来在欧洲一直在上升。这主要是由于欧洲已经开始将其工作重点放在氢能源上。

事实上，欧洲整车制造商和零部件供应商最近相继发布了他们对氢气发动机的研究结果。2020年4月，德国最大的零部件制造商博世在第41届维也纳汽车研讨会的动力系统的国际会议上提交了一份关于氢气发动机的研究论文。

此外，2015年底从德国宝马公司分离出来的技术咨询公司KEYOU，在维也纳研讨会和德国汽车技术杂志MTZ上发布了一个新开发的用于大型商用车的氢气发动机（排量：7.8L）的原型机。

根据KEYOU的说法，未来的增压直喷氢气发动机可能会在单位排量的功率输出和扭矩方面超过柴油机。
 
问题6：日本的研究水平高吗？
日本对氢气发动机的研究由来已久，并积累了大量的技术，最值得一提的是在20世纪70年代，已故的武藏工业大学（现东京城市大学）前校长和名誉教授古滨昌一积极研究的氢气发动机汽车。Furuhama先生特别努力解决过早点火（回火）的问题，这是氢气发动机所特有的。此后，马自达开发了氢气转子发动机和其他原型车。
 
问题7：技术难题是什么？
除了需要一个超高压氢瓶之外，发动机本身也存在很多技术问题。尤其困难的问题之一是回火和冷却损失严重。目前还没有看到解决方案。

回火是指具有广泛的可燃范围的氢气和空气组成的混合气，在与高温部件（如进气阀和排气阀）接触时自燃。这就是往复式氢气发动机没有被广泛采用的原因之一。

氢气发动机冷却损失大的原因是，氢气混合气的层流燃烧速度非常快，大约是汽油的7.6倍，以至于当氢气燃烧火焰与燃烧室的壁面碰撞时会非常剧烈。尽管混合气可以很好地燃烧到壁的表层，但壁的表层温度临界层（温度梯度层）变得很薄。由于与墙壁接触的火焰温度仍然很高，大部分的燃烧热量都逃到了燃烧室或气缸的墙壁上。这导致了大量的冷却损失。
 
问题8：是否有技术上的解决方案？
解决回火和冷却损失的最有希望的解决方法之一是像柴油机那样的氢气喷流火焰的扩散燃烧。使氢气在没有预混合的情况下直接用高压注入气缸，并发生压缩自燃。或者是，在注入氢气的同时点燃火花塞，尽可能防止燃烧火焰与燃烧室或气缸壁碰撞也很重要。

最近关于扩散燃烧研究的代表性成果之一是 "PCC（Plume Ignition andCombustion Concept）"，这是一种用于大型商用氢气发动机的新的燃烧方法，主要由产业技术综合研究所（AIST）与川崎重工业公司合作建立。它实现了高输出功率、高热效率和低氮氧化物。

注入燃烧室的氢气喷流会在扩散之前的团聚状态被点燃和燃烧。通过抑制火焰的壁面碰撞，可以减少冷却损失。这是一种可以被称为点火扩散燃烧的方式。

通过对喷射和点火间隔的最佳控制以及EGR来减少氮氧化物。增加EGR可以降低燃烧温度并减少氮氧化物。此外，由于发动机没有预混合，回火也不太可能发生。尽管该系统仍处于研究阶段，但它已达到最大净热效率54%，氮氧化物排放量为20ppm。
 
问题9：氢气转子发动机是否有潜力？
2009年，马自达向日本的政府机构以及公司租赁销售了Premacy Hydrogen REHybrid，这是一种使用氢气转子发动机作为专用发电机的系列混合动力汽车。转子发动机与氢燃料匹配，并具有不产生回火的优点。由于注入氢气燃料的房间和燃烧氢气的房间是不同的，注入氢气的房间的墙壁温度很低，不会过早点燃。

在马自达的实验机中，氢气被直接注入进气室，空气从被安装在进气口的转子外壳上的喷油器吸入。然后，混合气由转子混合并移至燃烧室，在那里两个火花塞开始燃烧。燃烧的气体移动到排气室并被排出。

顺便说一下，被租赁出售的车辆有一个双燃料系统，可以切换到汽油喷射，这样，即使氢燃料用完，车辆也可以运行。
 
问题10：加氢的基础设施将如何发展？
在基础设施方面，它与FCV兼容，可以利用相同的加氢站。然而，以低成本大量制氢，并在加氢站以低成本供应的方法还没有建立。电解水是已知的利用可再生能源制氢的最佳方法，但它效率低下，需要大量的电能。
 
此外，氢气站的建设和维护成本（约5亿日元）很高，而且制氢成本被添加到销售价格中。然而，在目前的氢气站，作为一项政策，价格保持在1,000至1,100日元/公斤之间，它的燃油经济性可与汽油混合动力车相媲美，且价格相似。