一口氣推出16款電車的豐田 為什麼放不下對氫氣內燃機的執念
[愛卡汽車 前沿科技 原創]
H2 + O2 → H2O，這或許是世界上最被人熟知化學反應之一。與氧氣反應後燃燒產物只有水的氫氣不僅孕育了地球上所有生命，自從這種神奇的氣體被人類發現，就一直被當做有待開發的完美“燃料”。一方面，氫氣燃燒產物只有水，沒有任何有害物質，且相比於化石原料或製造電池需要的金屬儲量巨大。另一方面，將氫氣用作內燃機燃料也能為“老舊”的燃油發動機續命，也能極大的降低了車企研發資金壓力。試想，一輛有着渾厚聲浪的GT跑車，排氣管冒出的卻是嫋嫋蒸汽，讓性能至上的Petrolhead和極端的環保主義者同時“狂喜”，也算是人類工業文明的極致浪漫了。
其實，除了近年熱度不減的氫燃料電池技術，被擱置多年的氫內燃機也再度進入了全球車企的技術規劃。作為全球首款氫燃料電池量產車的生產商，豐田不僅在2021年推出了搭載氫燃料發動機的GR Yaris H2，“頭鐵”的老闆豐田章男更是親自上陣，駕駛着配備相同動力的卡羅拉賽車參加了亞洲耐力賽事的“天花板”——Japan's Super Taikyu race series（日本超級耐力賽）。不久前，該公司還與雅馬哈在現款RCF的V8發動機基礎上打造了一款更高性能的氫燃料內燃機。無獨有偶，幾乎是在同時，雷諾也放出消息，計劃於今年5月發佈一款搭載氫內燃機的概念車。莫非，氫氣要讓內燃機復活了？
豐田不僅在2021年推出了搭載氫燃料發動機的GR Yaris H2，“頭鐵”的老闆豐田章男更是親自上陣，駕駛着配備相同動力的卡羅拉賽車參加了亞洲耐力賽事的“天花板”——Japan's Super Taikyu race series（日本超級耐力賽）
氫內燃機簡史
其實，氫內燃機並非新生事物，早在1852年，意大利工程師、數學家Eugenio Barsanti和液壓專家Felice Matteucci就設計製造了世界上首個以氫為動力源的二衝程卧式發動機，而人類首次將氫能運用到陸地交通工具甚至比現代意義上的內燃機汽車發明的時間更早，1807年，瑞士發明家弗朗索瓦·艾薩克·德·裏瓦茲（Francois Isaac de Rivaz）將一台泵式發動機安裝在了一個四輪馬車上，而這台機器的動力來源正是氫氣。有趣的是，雖然這台發動機的工作原與現代內燃機相距甚遠，但採用的電火花點燃混合氣卻十分超前，一直應用至今。
雖然這台瑞士發明家弗朗索瓦·艾薩克·德·裏瓦茲（Francois Isaac de Rivaz）發明的氫內燃機的工作原與現代內燃機相距甚遠，但採用的電火花點燃混合氣卻十分超前，一直應用至今
隨着汽車的發明和普及，工程師們也沒有停止對於氫內燃機的探索。1941年，納粹德國開始了瘋狂的“巴巴羅薩”計劃，大舉進攻蘇聯。很快，列寧格勒被德軍包圍並切斷了石油供應。為了保證物資運輸，蘇聯紅軍的隨軍工程師Boris.Shelishch將一輛GAZ-AA軍用卡車的發動機改為使用氫燃料，在證明其可行性後，隨後又在10天中改裝了200輛同型號的卡車，據當時有限的資料記載，這些卡車不僅能常工作，而且比燃燒汽油時更加經濟、高效。
早期人類對對氫氣最成功的商業化應用是20世紀初的載人飛艇，飛艇的原理類似熱氣球，由於氫氣密度遠低於空氣，因而只要將其衝入足夠體積的氣囊中，便可以帶動可容納數十人的客艙。
在此以前，人類對對氫氣最成功的商業化應用是20世紀初的載人飛艇，飛艇的原理類似熱氣球，由於氫氣密度遠低於空氣，因而只要將其衝入足夠體積的氣囊中，便可以帶動可容納數十人的客艙。飛艇可以垂直起飛降落，並不用額外修建機場，且作為動力源的發動機無需很大的功率，因此在早期的航空業，大型載人飛艇在與早期飛機的對比中有着絕對的優勢。甚至在1930年代中期，乘齊柏林飛艇穿越大洋前往美洲旅行成為了歐洲上流社會的風尚，但氫氣易燃和難以控制的化學性質也為飛艇埋下了隱患，隨着1937年的著名的“興登堡空難”，飛艇的安全性受到了公眾和航空從業者的質疑，自此銷聲匿跡。
1974年至1990年間，日本東京都市大學（Tokyo City University，舊稱Musashi Institute of Technology）先後打造了10輛以氫為燃料的試驗車輛（圖為1990年以日產300ZX為基礎打造的試驗車“武藏8號”）
1970年代起，隨着兩次石油危機的爆發，更的車企和科研組織將氫燃料內燃機的研發提上日程。1974年至1990年間，日本東京都市大學（Tokyo City University，舊稱Musashi Institute of Technology）先後打造了10輛以氫為燃料的試驗車輛，他們不僅深入研究了兩衝程、四衝程發動機以氫驅動的可行性，同時還對點火及進氣方式、燃燒能效等方面進行了大量試驗；1977年，由美國發明家Roger Billings設計改裝的一輛凱迪拉克賽威轎車甚至被用於新任總統吉米.卡特的就職遊行，旨在向公眾展示宣傳其搭載的氫燃料-汽油兩用發動機。
1979年，寶馬推出了首款液氫-燃油雙燃料汽車520h，該車不僅配備了搭載缸內直噴技術的3.5L發動機，同時在氫燃料儲存方面也有所突破，採用了超級絕緣材質包裹的低温儲存罐，提升了行駛的安全性。
與此同時，在氫內燃機誕生地的歐洲，車企也沒有停止探索的腳步。1979年，寶馬推出了首款液氫-燃油雙燃料汽車520h，該車不僅配備了搭載缸內直噴技術的3.5L發動機，同時在氫燃料儲存方面也有所突破，採用了超級絕緣材質包裹的低温儲存罐，提升了行駛的安全性。此後，寶馬又接連在歷代7系轎車的基礎上推出了氫動力車型，甚至在2007年，寶馬還小批量生產了100輛以（E65）760轎車為基礎打造的“Hydrogen 7”車型，並提供給影星、企業家等公眾人物使用，以宣傳氫內燃機技術。自1980年代起，奔馳等車企也針對氫內燃機的可行了做了相關的研究和實驗。
2007年，寶馬小批量生產了100輛以（E65）760轎車為基礎打造的“Hydrogen 7”車型，並提供給影星、企業家等公眾人物使用，以宣傳氫內燃機技術。
由於氫能在化學性質方面與石化燃料有相似之處，因此對於傳統車企而言，氫內燃機只要在現有發動機基礎上對供油系統、火花塞、發動機內部密封部件稍加改裝即可。並非像純電、燃料電池等其他新能源形式，需要車企在研發方面“另起爐灶”。此外，據統計氫內燃機整體研發成本大概只比同排量的燃油發動機高15%左右，成本優勢明顯。
自1980年代起，奔馳等車企也針對氫內燃機的可行了做了相關的研究和實驗。
另外，在目前的技術條件下，大多數氫內燃機具有多種燃料適應性，不僅可以使用純氫為燃料，也可以使用氫與天然氣、氫與其它燃料的混合燃料，而且，由於氫的物理性質，氫燃料內燃機無需擔心冷起動、積碳等傳統內燃機的頑疾。在很多業內人士看來，氫內燃機是未來降低對石油依賴的重要途徑。既然如此，為什麼搭載氫燃料內燃機的汽車遲遲不能落地呢？
氫內燃機簡史
昂貴而低效 氫沒有想象中美好
儘管原理相似，但作為燃料的氫在燃燒性質上還有很大的區別。氫的熱值大約是汽油的3倍，且燃燒過程極快，這也就導致了氫燃料內燃機內的混合氣很容易在進入燃燒室前被提前點燃，將一台燃油發動機改燒氫氣，類似給一輛説明書規定加95號汽油的車加註燃點更低的92號汽油，爆震、回火等現象不可避免，不僅影響動力表現，長期還會造成發動機內部損傷。
在Hydrogen 7的V12發動機中，保留了原車缸內直噴系統的同時，改裝了300MPa的高壓氣體噴嘴，同時還配備了點火能量更強、且抗高壓的特質火花塞。
另外，氫雖然質量能量密度高，但體積能量密度低。汽油與氫氣相比，如同全麥餅乾和棉花糖，如果是相同重量，棉花糖所提供的卡路里一定遠高於餅乾；但其結構比餅乾鬆散的多，吃同樣體積的兩種食物，餅乾提供的飽腹感遠高於棉花糖。這樣的物理性質就為氫燃料內燃機帶來了兩個難題，其一是相比於傳統內燃機，氫內燃機在高速或大負荷工況下，燃料供給系統必須為發動機提供更多的燃料。大多數廠商也據此對氫內燃機進行了特別的設計。比如在Hydrogen 7的V12發動機中，保留了原車缸內直噴系統的同時，改裝了300MPa的高壓氣體噴嘴，同時還配備了點火能量更強、且抗高壓的特質火花塞。而馬自達的氫氣轉子發動機則採用了更為極端的雙氫噴射器設計。
為了保證高負荷下向發動機內輸送足夠多的氫氣，馬自達的氫氣轉子發動機則採用了雙氫噴射器設計。
即使如此，在以同等條件進入氣缸時，氫氣所佔氣缸氣體約是汽油的15～30倍，因此大多數氫內燃機與改裝前的燃油發動機相比，仍存在着巨大的動力差距。還以寶馬的Hydrogen 7舉例，這款車V12發動機只能提供191kW（260馬力）的最大功率和390Nm的最大扭矩，作為對比，其普通版本的最大功率為327kW（445馬力）,最大扭矩為600Nm。不僅如此，馬自達負責技術研發的高管在談及氫燃料內燃機時，也不止一次的表示“相比於直接驅動車輛，這種發動機更適合作為增程式電動車的增程器。”
低温高壓的的保存環境對於加氫站的大型設備尚且是不小的挑戰，對於安裝車上的儲存罐而言，簡直是“不可能完成的任務”。
其二，氫氣很低的體積能量密度也帶來了儲存問題，如果要保證搭載氫內燃機的汽車具有和燃油車相當的續航里程，就必須將氫氣通過低温高壓處理轉換成液態，這樣才可以在較小的體積內儲存更多的氫。這樣的保存環境對於加氫站的大型設備尚且是不小的挑戰，對於車上的儲存罐而言，簡直是“不可能完成的任務”。目前的解決方案是在加氫罐外部增加隔熱層盡力阻止氫氣因受熱膨脹溢出，即使如此，其效果也頗為有限，還是以Hydrogen 7舉例，該車的説明書中明確表示：“氣罐中的氫氣保存期限只有12天，如果在這段時間內不使用，受熱變成氣態的氫氣會通過安全閥自行溢出。”
如果連續12天不使用，寶馬Hydrogen 7儲氫罐內受熱變成氣態的氫氣會通過安全閥完全溢出。
對於很多氫內燃機來説，“氫脆”也是亟待解決的技術難題，幾乎所有的金屬材質在在含氫介質中長期使用時，都會出現吸氫或氫滲現象，通俗的解釋就是少部分氫氣會殘留在金屬中，一旦這些氫氣受熱膨脹，就會導致相關部件變形甚至斷裂。這對於長期處於高温、高壓狀態下工作的發動機來説，顯然是不可接受的。
幾乎所有的金屬材質在在含氫介質中長期使用時，都會出現吸氫或氫滲現象，通俗的解釋就是少部分氫氣會殘留在金屬中，一旦這些氫氣受熱膨脹，就會導致相關部件變形甚至斷裂。
更為關鍵的是，H2 + O2 → H2O的反應只發生在理想的純氧狀態，而事實上，氫內燃機在高温工作時，發動機內的氫氣難免和空氣中的氮氣反應生成NOX，這同樣是大氣污染的主要成分。為了降低污染，氫內燃機也需要在排氣端增加EGR廢氣循環、催化器等附加裝置。
為了降低污染，氫內燃機也需要在排氣端增加EGR廢氣循環、催化器等附加裝置。
最後，由於所佔市場份額的比例過小，目前全球範圍內加氫站等補能配套設施仍不完善，而且，目前工業制氫的主要方式仍為分解天然氣、煤炭等化石燃料，其過程不僅成本高昂，同時也會產生大量主要的温室氣體——二氧化碳，而這恰恰正是所有新能源車所極力避免的。當然，上述的這些氫氣本身帶來的問題也同樣困擾着另一種依賴氫氣對的新能源形式——氫燃料電池。
總結
在越來越多車企出於成本考慮宣佈放棄氫燃料電池開發的當下，憑藉着更低的技術門檻和明顯的成本優勢，氫內燃機這個“古老”發明再次被納入了傳統車企的視野中。雖然該技術是否讓內燃機重獲新生現在下定論還為時過早，但對於那些懷念內燃機轟鳴、頑固不化的“老派車迷”而言，尚存無限可能的氫內燃機，仍是與未來世界和解的最佳機會。
昂貴又低效 氫沒有想象中美好