1.内燃机简介

内燃机包括汽油机和柴油机，是应用最广泛的热机。大多数内燃机是往复式的，有气缸和活塞。内燃机有很多分类方法，但常用的是根据点火顺序分类和根据气缸排列方式分类。按点火顺序可将内燃机分成四冲程发动机和两冲程发动机。

四冲程发动机的工作过程如图6-15所示。它完成一个循环要求有4个完全的活塞冲程。

1）进气冲程。活塞下行，进气门打开，空气被吸入而充满气缸。

2）压缩冲程。所有气门关闭，活塞上行压缩空气，在接近压缩冲程终点时，开始喷射燃油。

3）膨胀冲程。所有气门关闭，燃烧的混合气膨胀，推动活塞下行，此冲程是4个冲程中唯一做功的冲程。

4）排气冲程。排气门打开，活塞上行将燃烧后的废气排出气缸，开始下一循环。

两冲程发动机是将四冲程发动机完成一个工作循环所需要的4个冲程纳入两个冲程中完成。如图6-16为两冲程发动机的示意图。当活塞在膨胀过程中沿气缸下行时，首先开启排气口，高压废气开始排入大气。当活塞向下运动时，同时压缩曲轴箱内的空气-燃油混合气；当活塞继续下行时，活塞开启进气口，使被压缩的空气-燃油混合气从曲轴箱进入气缸。在压缩冲程，活塞先关闭进气口，然后关闭排气口，压缩气缸中的混合气。在活塞将要到达上止点之前，火花塞将混合气点燃。于是活塞被燃烧膨胀的燃气推向下行，开始另一个膨胀做功冲程。当活塞在上止点附近时，化油器进气口开启，新鲜空气-燃油混合气进入曲轴箱。在这种发动机中，润滑油与汽油混合在一起对曲轴和轴承进行润滑。这种发动机的曲轴每转一转，每个气缸点火一次。

图6-15 压燃式四冲程发动机的工作过程

a）进气行程 b）压缩行程 c）膨胀行程 d）排气行程

图6-16 两冲程发动机的工作过程

a）换气 b）压缩 c）燃烧 d）排气

四冲程发动机和两冲程发动机相比，经济性好，润滑条件好，易于冷却；但两冲程发动机的运动部件少，重量轻，发动机运转较平稳。

2.氢内燃机

随着世界上汽车保有量的不断增加，预计在50年内全球汽车总数量将超过16亿辆。目前汽车的能源消耗占世界能源总消耗的1/4，我国每年1/3的石油消耗来源于汽车。汽车的传统燃料石油将会严重缺乏。而且以石油为原料的燃料汽油及柴油，在燃烧时带来CO、NO_x等有害废气及CO₂温室效应，也将更严重地危害人类生存环境。因此世界上各大汽车公司都在不断进行针对性研究，以解决传统发动机燃料的缺陷。

目前，研究人员所做的针对性研究主要有两大类。一类是从结构上改进发动机，提高发动机效率。另一类研究是改变发动机所用燃料，如使用液化石油气、天然气、二甲醚以及氢燃料等。其中使用氢作为发动机燃料的技术近期发展很快，受到专业人员的普遍重视。

氢作为内燃机燃料，与汽油、柴油等相比，具有以下特点：

1）密度小，扩散系数大（氢为6100m²/s、汽油为500m²/s），混合气易均匀一致，燃烧速度快（氢最大可达3.1m/s、汽油仅为1.2m/s），这有利于氢和空气的快速混合和燃烧。因此，氢燃料发动机应比汽油机的热效率高。若预混式氢发动机的理论压缩比为14时，氢发动机的热效率可比汽油机提高13.5%。但是，如果氢和空气按化学当量比混合时，由于燃烧温度高，发动机热负荷高，排气中NO_x排量将迅速增加。

2）与汽油机（A/F=14.7∶1，质量比）相比，氢内燃机的空燃比大（A/F=34∶1）。

3）在气态条件下，氢气作为燃料时需要的空间更大，在理论混合比下进入气缸时，氢气约占气缸体积的30%（汽油仅占1%～2%），而且所含的能量也少，故而会导致效率下降（与汽油机相比降低15%）。

4）最大火焰速度下的最高火焰温度高达2100℃，也比一般烃类物质的相应值高。质量低热值为120.17MJ/kg，是一般烃类物质的3倍左右，是汽油的2.73倍，柴油的2.81倍。

5）释放单位热量所需的燃料体积极大，如0.1MPa、20℃的氢气需3130L，30MPa、20℃的氢气需15.6L，即使是液态氢也需3.6L，而汽油只需1L。

6）氢燃烧后分子变更系数不是增大，而是缩小，即燃烧后混合气的分子数减少。这是汽油机改烧氢气后功率下降的原因之一。(www.daowen.com)

7）氢与空气燃烧的范围最宽，为4.2%～74.2%，故氢在气缸内的燃烧浓限和稀限两侧都较汽油的相应值宽，它可以在过量空气系数0.15～9.6范围内正常燃烧。

8）着火温度为585℃，在常用燃料中仅次于甲烷（632℃），比优质汽油高35℃。不能采用外点火，相对汽油-空气混合气而言，氢-空气混合气更适合采用火花点火方式。但由于氢的着火温度高，蒸发潜热大，当发动机采用液氢直接喷射时启动性很差。

9）最小点火能量低，仅为15.1μJ，比一般烃类小一个数量级以上。这种性质，一方面有利于发动机在部分负荷下工作，但另一方面热气体或气缸壁上的“热点”却容易引起早燃、回火或敲缸。

10）氢与空气混合气燃烧产物中唯一的有害成分是氮氧化物NO_x，无其他有害排放物。

11）在内燃机的燃烧中，氢的滞燃期最短（点火时），其点火提前角（θ_ig=6nΔτ_ig），式中，Δτ_ig为点火提前时间；n为发动机转速）可用到最小。如果浓度合适，甚至可以在上止点点火（θ_ig=0°）。由于其燃烧速度快，其放热速度、压力升高速度和压力升高加速度都是常用燃料中最快的，因而其燃烧等容度最好，过后燃烧量最少，排气温度较低。

12）氢气火焰的熄灭距离与汽油相比更短，故氢气火焰熄灭前距离缸壁更近，因而与汽油相比，氢气火焰更难于熄灭。此外，更短的熄灭距离也使回火的趋势增强。

13）氢气的自燃温度高，因此氢气发动机可使用更大的压缩比。

氢燃料在车辆驱动能源方面的应用，起始于把氢燃料电池用作电动车电源。近代的氢燃料电动车的某些性能可满足使用要求，如Daimler Chrysler公司使用Mark900氢燃料电池的NECAR5电动车，其电动机输出功率可达75kW，最高时速可达150km/h。

但电动车不可能完全取代汽车，主要是因为电池的寿命远短于发动机寿命，而且电动车的最大连续行驶里程受到配备电池数量的限制。一般情况下，电动车装用近百千克的电池，最大连续行驶里程也仅200km左右。尤其是对于数量巨大的在用汽车，不可能将其发动机全报废而改用电动机驱动。因此近代专业人员一直致力于对现有汽油机、柴油机加以改进，从而将氢气直接作为发动机燃料的研究，一方面适合发动机能源、排放等方面的要求；另一方面又满足汽车连续行驶里程及能利用在用的发动机。

3.液氢内燃机汽车的发展里程与现状^[18]

第一次全面认真研究氢发动机的科学工作者，当属英国学者里卡多（Ricardo）和伯斯托尔（Burstoll），他们两人合作用了整整20年对氢发动机的燃烧及工作过程进行了详细的研究，得出了一些有价值的结论。在氢发动机的发展史中，不得不提到鲁多夫·埃伦（Ru-dolph Erren）他第一次在氢发动机中采用内部混合气形成方式，氢通过一些小喷嘴直接喷入气缸内进行混合，他保留了原来的燃油供给系统，这种改装使得发动机可以用其中任何一种燃料工作，从一种燃料换成另一种燃料。

1）1968年，前苏联科学院西伯利亚分院理论和应用力学研究所用汽车发动机进行了分别燃用汽油和氢的试验，并研究了改用液氢的结构方案，试验取得成功，改用氢以后，发动机热效率提高，热负荷减轻。

2）美国于1972年在通用汽车（General Motors）公司的试车场上，举行了城市交通工具对大气污染最小的比赛。参加比赛的63辆装着各种不同发动机的汽车，包括电瓶车、氢和丙烷等作为燃料的汽车，结果大众（Volkswagen）汽车公司的改用氢的汽车夺得第一名，据称它的废气比吸入发动机内的城市空气还干净。

3）日本武藏工业大学与尼桑（Nissan）公司长期合作，从1974年开始研制“武藏1号”氢燃料汽车，几乎每一届世界氢能大会都展出新品。在1990年研制成功“武藏8号”液氢发动机汽车，在1990年7月26日于美国夏威夷召开的第八届世界氢能会议上展出，展示了液氢汽车研制中所取得的新成果。

4）德国奔驰（Benz）汽车公司和巴伐利亚汽车厂还组建了一个用水分解氢气作为燃料的汽车队，同时开展公共汽车用氢燃料的试验研究。第一批未来型公共汽车——MAN公司制造的氢燃料公共汽车，已于1996年复活节后在德国巴伐利亚州的埃尔兰根（Erlangen）市投入运行。德国为此每年投资5000万马克的费用。德国斯图加特大学、德国宇航中心和奔驰汽车公司参与研制的奔驰F100液氢汽车被称为21世纪房车，它和武藏系列液氢汽车代表了当今世界液氢汽车研究的最高水准。

5）宝马汽车（BMW）公司于1996年6月在德国斯图加特市举行的第11届世界氢能会议上展出了计算机控制的新式氢能汽车。BMW公司称它为“人类最终使用的汽车，是汽车发展史上的一个里程碑”。与此同时，氢能也进入了一个规划、开发、研究和应用的新时期。

2004年9月，宝马集团在法国用一部名为H2R的氢内燃机驱动的汽车创造了9项速度记录。该车装备了6L V12氢燃料内燃机，最大功率为210kW，0～100km/h加速约6s，最高速度达302.4km/h。这表明氢动力汽车的性能丝毫不逊于传统能源汽车。H2R的核心是经过改造的宝马顶级12缸发动机。氢和空气混合会产生更高的内燃压力，从而可以用同样多的能源提供更多动力，也就是说氢的效能更高。当然要实现这一点涉及一系列精密的技术应用。H2R加氢是通过一个移动加氢站完成的。液氢储罐具有双真空绝热层，容量为11kg液氢，位置被安棑在驾驶座椅的一侧。其三阀门设计可以确保最大的安全性。工作阀门在4.5Pa的压力下打开，另外两个安全阀门可以防止任何液氢泄露产生的危险后果，在压力超过5Pa时将立即开启，释放压力，从而保证液氢储罐不会因为压力过高而发生事故。

图6-17 二冲程发动机的工作过程

图6-18 氢内燃机压力过高后会自动释放压力

BMW是最早（20世纪70年代末），也是一直坚持研制氢发动机汽车的厂商，并于2006到2007年开始小批量（几百辆）生产7系列氢发动机汽车。如图6-17所示为现已经部分商业化的7系列液氢系统汽车。无论从性能上还是安全测试（见图6-18和图6-19）上都清楚地表明：氢气内燃机汽车已经完全达到目前汽油内燃机汽车的技术指标，氢气完全可以替代汽油而满足人们的驾驶需求。

图6-197 系列液氢系统汽车的冲撞试验和冲撞后液氢罐损毁状况