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。

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。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。日本武藏工业大学与日产（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。日本武藏系列液氢汽车研究处于国际领先水平，研发出系列氢燃料汽车，推动了这一研究领域的前进。该机由多缸柴油机改装而成，氢由实验室专用管路供给。该实验室也有缸内直喷汽油机改装而成的氢内燃机，这也许从一个侧面说明电控缸内直喷高压供氢方式内燃机是当今氢燃料内燃机主流研究方向。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世纪汽车。

进入21世纪以来，随着计算机技术和控制技术以及氢气存储供给以及电控缸内直喷技术的不断发展，世界各大汽车公司纷纷推出新型氢内燃机汽车。下面主要介绍宝马、马自达和福特公司的新型氢内燃机汽车，以及我国氢内燃机汽车的发展状况。

（1）宝马公司（BMW）

作为世界汽车工业中一直处于技术领先的宝马公司（BMW）在氢内燃机的技术上走在了世界的最前端。自1979年开始研发氢内燃机动力，迄今已经投资超过了10亿欧元，经过数代氢动力汽车的发展与改进，终于实现了小批量商用运行。由柴油机/汽油机的改造到现在已经研发了7代氢燃料内燃机驱动的轿车。

2004年9月，宝马公司在法国Miramas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，如图15-6所示。这部车被命名为“H2R”，意为H2R可以代表“氢赛车Hy-drogen Race Car”、“氢创纪录车Hydrogen Record Car”或者“氢研究车Hydrogen Research Car”。该车装备了6L12缸氢燃料内燃机，最大功率为210kW，0～100km/h加速约6s，最高速度达300km/h。这表明氢动力汽车的性能丝毫不逊于传统能源汽车。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，位置被安排在驾驶座椅的一侧。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漏产生的危险后果，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15-6 宝马H2R氢内燃机汽车

2006年11月22日，宝马H2R诞生在柏林，并在不久前的2007年上海车展上完成了在我国的首次亮相。并开始小批量（几百辆）生产Hydrogen7氢发动机汽车，其结构如图15-7所示。无论从性能上还是安全测试（见图15-8和图15-9）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。^[15，19-21]

图15-7 Hydrogen7氢动力汽车的结构示意图

图15-8 压力过高后会自动释放实验照片

图15-9 Hydrogen7氢内燃机汽车的冲撞试验和冲撞后液氢罐损毁状况

Hydrogen7系氢动力汽车是在宝马760Li基型车基础上制造的，并且可以选择液氢或汽油为燃料。其各项性能与传统的轿车相比毫不逊色。Hydrogen 7不采用燃料电池，而搭载6L采用的12缸发动机，配备宝马专门开发的全可变的Valvetronic气门管理系统，就像宝马760Li搭载的一样。发动机在以汽油为燃料时，汽油直接喷射。而以氢为燃料时，则采用进气道内混合气形成方式。另外，Hydrogen 7采用了两个控制系统：一个控制汽油喷射，另一个控制氢燃料系统。两个控制系统的微机组成不可分离的系统结构而发挥调节功能。尽管氢具有汽油的3倍高蓄能量，但是宝马公司在V12发动机上，在两种工况模式下最大功率控制在195kW，这是为了确保发动机在两种燃料变换时平顺工作。Hydrogen7在9.5s内加速达到100km/h速度，通过电子系统控制，最高车速可以达到230km/h。Hydrogen7续航能力为425mile^[1]。其中汽油燃料（16.3英加仑）可驾驶300mile，氢气燃料（8kg）可驾驶125mile。从驾驶体验上来讲，人们几乎觉察不到用氢燃料驱动或是用经过节气门调节的汽油驱动的差异。在起动和暖机过程，Hyd rogen7需要用氢驱动。如果用氢燃料驱动最大达到200km/h速度时，则发动机会自动切换到汽油驱动。由于无论采用哪种燃料，内燃机功率和力矩仍然保持不变，所以从一种燃料模式转换到另一种模式对于Hydrogen 7驾驶性能没有影响。^[19-21]

图15-10 马自达RX-8 RE氢内燃机汽车

（2）马自达公司(www.daowen.com)

马自达公司从20世纪80年代末开始一直在开展转子式氢气内燃机研究开发。2004年马自达公司推出装有氢燃料Renesis转子发动机的RX-8跑车。这种转子式氢气内燃机的进气室与燃烧室封闭隔离，避免了回火问题的发生。

2006年3月，马自达公司又研发出RX-8RE氢能源汽车，如图15-10所示。马自达RX-8RE转子发动机可以在氢气和汽油任意一种燃料下运行，发动机结构如图15-11所示。由于它不易引起回火和早燃现象，所以这种转子发动机非常适合以氢作为燃料。它拥有单独的燃料进入室和燃料点燃室，燃料只有达到汽缸顶部中心时才进行点火。在汽油模式下，它的输出功率达到210马力^[2]，它拥有一个充氢压力为34.5MPa的压缩氢气罐，可行驶330mile。在氢气模式下，它的输出功率达到109马力，可行驶60mile。^{[2，14，21，22]}

图15-11 马自达RX-8转子发动机及其结构示意图

马自达Premacy（见图15-12）是在RX-8RE基础上研发出来的新型氢能源汽车，也是采用氢-汽油双燃料模式，在2008年车展中亮相。马自达Premacy汽车以汽油或压缩氢气为燃料，可以方便地进行在氢气和汽油燃料模式切换。双燃料单元和转子发动机放置于汽车前轮附近，氢气罐位于后排座椅的附近。这种设计保证了汽车拥有足够的空间和优良的驾驶性能。Premacy汽车在氢燃料模式下可以驾驶124mile，它同样具有单独的燃料进入室和燃料点燃室，保证其不发生普通内燃机中的回火和早燃现象。

图15-12 马自达Premacy氢内燃机汽车

2009年3月底，马自达公司在日本国内开始向用户长期租赁Premacy氢转子发动机混合动力车。考虑到用户日常使用的方便性，它的发动机也采用氢与汽油均可使用的“双燃料系统”，与RX-8发动机不同的是，RX-8转子发动机是“直接”输出驱动力，而“Premacy氢转子发动机”则用于发电。Premacy发动机是串联式混合动力车的原动力，并通过发电机发电，再通过电动机输出功率驱动车辆运转。其电动机最大功率为110kW，最大力矩为350N·m。采用锂离子动力蓄电池。此外，又采用怠速/停止系统（Idling stop）与制动能量回收系统，在只用氢燃料工况时使其续驶里程达200km，是RX-8氢发动机的2倍。Premacy汽车与使用相同氢燃料的燃料电池车相比，马自达公司的转子发动机混合动力车的动力来源于转子发动机，基本上发动机在连续运转，但与一般的串联式混合动力车的正常运转不同，它是随着输出功率的需要，发动机转速相应变化。^[21，22]

（3）美国福特（Ford）公司氢能源汽车

2003年美国福特公司开发出福特U型氢内燃机越野汽车，如图15-13所示。它是福特与多家公司联合开发的成果，其中氢储存罐由Dynatek公司提供，氢燃料喷射系统由Quantum公司提供，而软件系统由Sun Microsystems公司提供。与当年福特公司的Ford Ranger汽车一样，该车采用一台2.3L四冲程增压内燃机，只是为了氢燃料进行了部分改装。它既可以用汽油，也可以用氢气作燃料，发动机输出功率为151马力，耗油率为45加仑/mile，续驶里程达到300mile。福特公司宣称，U型越野车的动力系统的热效率达到38%，比典型的汽油燃料汽车的热效率提高25%，与氢燃料电池大致一样。这台具有稀燃NO_x收集后处理功能，在氢燃料内燃机工作过程中，包括CO₂在内的污染物排放几乎可以忽略不计。该车的另一特点是可以在任何气候下运行，低温启动无需任何加温设备。^{[2，21，23，24]}

图15-13 福特U型氢燃料越野车

Ford公司最近又推出一款F-250新型氢燃料车，如图15-14所示，它是带有3种燃料系统的10缸发动机，它可以燃用汽油、E85乙醇或氢燃烧，因而用户能够在驾驶过程中方便地选择不同燃料。F-250新型氢燃料车能够续驶500mile，它的氢燃料热效率能够比其他两种燃料提高12%，同时它比汽油的CO₂排放量减少99%。^[21]

图15-14 福特F-250氢燃料车及其发动机结构图

（4）我国在氢内燃机发展状况

20世纪后期，我国跟踪美国、德国、日本和俄罗斯等国对氢燃料发动机的研究，以高等院校为主对氢燃料发动机的燃烧规律和机理进行了原理探索。浙江大学针对氢发动机运转中存在的问题开展了研究，提出了燃烧改进方案，并针对氢燃料的需要开发基于模糊控制的模型。上海交通大学也利用计算机数值模拟技术对氢气发动机的性能进行了预测。浙江大学、吉林工业大学、天津大学等单位进行了有关在传统燃料内燃机中加入氢气对改善内燃机燃烧过程的研究。重庆长安汽车股份有限公司从2005年开始，与北京理工大学、北京飞驰绿能等单位合作开展了氢内燃机总体设计、车载氢供应系统、电子控制系统、性能匹配等多项相关基础研究，得到原国防科工委、科技部863相关课题的资助，取得了一些重要的研究成果。^[25]

总之，我国在氢气发动机研究方面起步较晚，虽然在氢能源的制取和供应上取得了很多卓有成效的研究成果，为氢燃料内燃机的应用奠定了良好的基础，但是在关键技术上与国外还存在较大的差距，在规模制氢、增压技术、氢气供应与安全系统、控制策略、排放控制技术、综合电子管理系统等技术领域还处于起步阶段。