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初中化学课上我们就学过氢气的性质,这个元素周期表中第一个元素,也是宇宙中最初始的原子。它与氧气本身就可以发生燃烧,并释放出大量的热能和水,火箭发动机中液氢液氧发动机也是比冲最大的发动机。所以,氢气用作汽车内燃机的燃料当然也是可行。
早在2007年,宝马就推出了搭载V12氢燃料发动机的7系,但是续航和性能太低,百公里加速将近10秒!如此低的性能,让氢燃料发动机在很长一段时间淡出了人们的视野,直到丰田和现代汽车推出了氢燃料电池的电动车,氢能源才又获得高度的关注。氢燃料电池通过氢气与氧气的电子转换来生产电能,电能再带动电机驱动车轮,从而大大提高了氢能源的利用效率。
到目前,氢燃料电池技术已经发展了10年左右的时间,而如今丰田又推出了一款燃烧氢气的发动机,并搭载在赛车上,看来丰田已经解决了直接燃烧氢气的低效率。那么问题来了,氢能源的两种发展路线:氢燃料电池、氢燃料发动机,到底哪种才能代表未来呢?一种是能给你电动车一样的驾驶感受,一种是能给你传统燃油车一样的驾驶感受。其实,我们不妨大胆猜想一下,没准未来会推出氢燃料发动机+氢燃料电池组成的“氢氢”混动系统。
宝马是世界上第一家推出氢动力汽车的汽车制造商,已成功完成了系列开发过程。Hydrogen 7采用191千瓦/260马力的6.0L V12发动机,最大功率191 kW,最大扭矩390N·m,在9.5秒内从0-100公里/小时,最高车速电子限制在230公里/小时。如果保证不了氢气的充分供应,这台V12发动机可以快速切换到传统汽油工作模式。
宝马早在1978年就开始对氢动力装置进行研究,并在未来几年不断开发和升级这项技术,开发出几代氢动力汽车。2000年,宝马成为世界上第一家在德国汉诺威2000年世博会上展示氢动力汽车示范车队的汽车制造商。与此同时,宝马750hL氢动力车已在实际测试条件下证明了其优点。
2000年,世界上第一个公共氢气加注站在慕尼黑机场启用。2004年搭载氢燃料发动机的概念赛车发布,也是搭载6.0L V12发动机,但最大功率为210kW,带动1.5吨的车身,最高时速可达300.175 km/h。
虽然赛车的性能表现还行,但是移植到7系上,很显然这台6.0L V12的大怪兽,采用氢气氧气燃烧的方式做功,效率真是太低了。200公里的续航里程让其实用性大打折扣,而且根本谈不上什么驾驶激情。对于宝马来说,V12发动机百公里加速9.5秒,这简直就是个笑话。但是,在氢能源的碳探索上,宝马并没有停止脚步,而是换了一个方式—— i Hydrogen Next
2019年,宝马发布了氢燃料电池技术的 i Hydrogen Next 将一台X5车型改装成氢燃料电池,可容纳两个700巴氢气罐,能够容纳6千克氢气。氢燃料电池系统产生约125kW的发电功率,电机输出功率为275kW。
宝马终于放弃了氢燃料发动机转型氢燃料电池,这也是目前氢能源利用率最高的技术,同时也被丰田、现代以及许多大厂共同研发的目标。目前,国内氢能源技术企业蓬勃发展,在最关键的储氢罐、减压阀、电堆等技术上,都已经发展的相当成熟。
氢燃料电池的好处显而易见,补能快,仅需3分钟就能加满氢气,续航里程与燃油车相同,驾驶感受与纯电动车相同,排放只有水。
2021年8月23-24日,丰田Mirai 在南加州的一次往返旅行中,消耗了5.65公斤氢气,总里程达到了845.3英里(1360公里),并创造了新的吉尼斯世界纪录。这是EPA续航里程402英里的两倍还多。另一项由氢燃料电池汽车创造的记录,是2019年现代NEXO创造的,续航里程为778公里。
既然氢燃料电池这么好开好用,应该没什么新玩法了吧。但是脑洞大开的丰田却又让“氢能源”倒回20年,再一次推出了燃烧氢气的发动机卡罗拉氢燃料赛车。丰田尚未宣布氢燃烧技术是否有望在短期内进入消费领域,但在赛车上应用可看做是一次验证和尝试。而对于那些热衷传统内燃机汽车的人来说,丰田的这款氢燃料发动机与汽油发动机拥有相同的驾驶感受、性能以及浑厚的排气声浪,而排放仅有水和非常少量的氮氧化物。
丰田卡罗拉氢燃料赛车这台氢燃料发动机搭载了DENSO喷气嘴,将氢气通过高压方式喷到气缸中,并通过电脑控制点火角来控制燃烧室内的温度。另一个亮点,丰田卡罗拉氢燃料赛车搭载了四个储氢罐,能装180L的氢气。
写在最后
从氢燃料发动机到氢燃料电池再到氢燃料发动机,有句话说的挺好,30年河东,30年河西,但氢能源的利用方式随着技术的发展只用了20年就开始向两个方向快速发展。未来,我们不仅仅能享受氢燃料电池带来的“宁静猛兽”,也能享受到氢内燃机带来更澎湃的驾驶激情。但就目前量产车来看,氢燃料电池技术发展的更迅速,同时氢能源的化学能到电能到机械能的转换(无大量的热损失),相比氢内燃机化学能到机械能的能量转换效率更高,而且省去了内燃机中的机油润滑系统和散热系统。也许未来的氢内燃机,只会成为有钱人的大玩具。
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