氢⽓的常规利⽤⽅式主要是两种，⼀种是通过电化学⽅法，利⽤我们前两讲介绍的“燃料电池”将氢的化学能变为电能和热能；另⼀种⽅式是通过热化学⽅式，即燃烧氢，将化学能变成热能或动能。例如，⽤锅炉将氢能变成热能，⽤“内燃机”将氢能变成动能。本讲就是介绍氢内燃机。“内燃机”是⼀种动⼒机械，它是通过燃料在汽缸内燃烧，将放出的热能直接转换为动⼒的热⼒发动机。内燃机的形式很多，有往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机、⾃由活塞式发动机、旋转叶轮式燃⽓轮机和喷⽓式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机将燃料和空⽓混合，在⽓缸内燃烧，释放出的热能使⽓缸内产⽣⾼温、⾼压的燃⽓，燃⽓膨胀推动活塞做功，再通过曲柄连杆机构或其它机构将机械功输出，驱动从动机械⼯作。活塞式内燃机⾃19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已成为⽐较完善的机械。它热效率⾼、功率和转速范围宽、配套⽅便、机动性好，所以获得了⼴泛的应⽤。全超界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、⼯程机械、⼩型移动电站和战车等都以内燃机为动⼒。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些⼩型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动⼒机械中居⾸位，它在⼈类活动中占有⾮常重要的地位。⼀内燃机的燃料发展活塞式内燃机起源于⽤⽕药爆炸获取动⼒，但因难以控制⽽未获成功。1794年，英国⼈斯特⾥特提出从燃料的燃烧中获取动⼒，并第⼀次提出了燃料与空⽓混合的概念。早在1820年，Rev.W.Cecil就发表⽂章，谈到⽤氢⽓产⽣运动⼒的机械，还给出了详尽的机械设计图，这⽐第⼀台实⽤的⽤煤⽓做燃料的内燃机的出现整整早了40年。由于氢具有
特殊性质，⽽与现代液体化⽯燃料内燃机燃料不同，⽤氢作内燃机的燃料，会带来诸如早燃、回⽕、爆燃等异常燃烧的现象，使发动机正常⼯作过程遭到破坏。1“早燃”是指⽕花塞点⽕以前，氢⽓混合⽓已被⼀些热点点燃，开始燃烧。热点可能是燃烧室中的尖⾓、⽕花塞的过热电极、排⽓门、机油⾼温分解的碳粒、杂质的过热沉积物等。在浓混合⽓发⽣早燃时，⽕焰传播速度极快，压⼒急剧升⾼，使发动机的正常⼯作遭到破坏。2所谓“回⽕”，就是在进⽓过程中，进⽓门尚未关闭，⽓缸内混合⽓未经⽕花塞点燃⽽被热点引燃，⽕焰传播到进⽓管内的⼀种不正常现象。在以浓混合⽓⼯作时，进⽓管内回⽕会造成强烈的噪声，也容易损坏发动机。3“爆燃”则是内于氢的滞燃期短，⽕焰传播速度相当快，导致燃⽓压⼒急剧增⾼，燃烧过早结束，飞轮因克服不了压缩功，会造成突然停车。所幸经过科技⼈员的多年研究，已经采取⼀些措施，解决了上述问题。⽬前，氢内燃枧的研究已经达到很⾼的⽔平。例如，福特公司的氢内燃机的压缩⽐为(14～15)：1，空燃⽐接近柴油机的⽔平，热效率⽐现在的汽油机⾼15％左右，并有望提⾼到25％；由于的氢内燃机采⽤了稀薄燃烧技术，有效地降低了发动机的最⾼燃烧温度，从⾯使NO 的排放量达到极低的程度。下⾯是福特公司Ford 2.3LDOHC，I4型氢内燃机的⼀些参数：重124公⽄；最⼤功率为6lkw(3000转／分)；尺⼨(长×宽×⾼) 为0.53×0.66×0.76⽶。烧天然气的汽车
2004年5⽉25～28⽇，在北京举办的第⼆届国际氢能论坛上，宝马公司展出了可以使⽤汽油和氢⽓的汽车发动机实物(图1)，引起⼈们极⼤的兴趣。宝马公司双燃料液氢发动机为6升，12缸，最⼤输出191kW(5100转／分)。
图1 BMW在北京氢能论坛2004上展出的12缸氢内燃机2007年7⽉，德国宝马公司在上海氢能展览会上展出的BMW7氢-汽油双燃料轿车，就是采⽤了这种氢内燃机。
氢内燃机和汽油内燃机相⽐，有很多优点：排放物污染少，系统效率⾼，发动机的寿命也长，具体⽐较参阅表1。
表1 氢内燃机的主要技术经济指标⼆内燃机的纯氢燃料
可燃⽓体与汽油的性能有很⼤区别，⼀般说来，氢的性能优于碳氢燃料，详见表2。氢的热值约为汽油的3倍，⽐汽油具有更宽的着⽕界限。混合⽐在过量空⽓系数很⼤的范围内变动时均可稳定燃烧，因此发动机可燃⽤稀混合⽓。氢的热效率⾼，点⽕能量低，最⼩点⽕能量仅为汽油最⼩点⽕能量的⼗余分之⼀(0.02MJ)，⽽且氢的⽕焰传播速度⽐碳氢燃料快得多，低温下容易启动。将汽油车改装为氢汽车并不困难，氢汽车的排放物主要是H O(⽔蒸⽓)、N 、O 和少量的NO 。在常⽤情况下，低负荷时NO 的排放量很少，仅在全负荷时，接近或少许超过汽油机的NO 排放量，但也可采取措施予以降低。
表2 可燃⽓体与汽油的性能对⽐
三内燃机的氢-油混合燃料在汽油-氢混合燃料发动机中，氢在燃烧时起促进作⽤。由于氢的点⽕能量低，稀混合⽓易于燃烧，发动机可燃⽤稀混合⽓；由于氢的活化能低，⽕焰传播速度快，扩散系数⼤，
混合⽓的滞燃期缩短，⽕焰传播速度加快，实际循环⽐汽油机更接近于等容循环，燃烧时间更短；由于氢是双原⼦分⼦，⽽且可燃⽤稀混合⽓，因此双原⼦含量相对增加。所有这些，都使发动机的热效率得以提⾼。试验结果表明，汽油机中加⼊5％的氢后，可节省汽油约30％以上，故具有节油的优点。由于在燃烧中促进了CO完全燃烧为CO ，发动机的CO ，排放量减少⾄原汽油机的1／4以下，HC排放量降低⾄原汽油机的3／4以下；燃⽤稀混合⽓时，也能减少NO ，排放量。汽油-氢混合燃料汽车在实际应⽤时，在常⽤的中、低负荷⼯况下，加氢率应⾼些，以便在很⼤程度上克服汽油机中、低负荷时，油耗率⾼和有害排放量⾼的缺点；在⾼负荷时，应少加氢，以免功率下降，保持其动⼒性。不过，使⽤这种燃料，需要在汽油车上再加装⼀套氢⽓供应系统，虽然这在技术上可以实现，但在经济上未必合算，因此使⽤的⽅便性也⼤打折扣。四内燃机的氢和天然⽓混合燃料将氢按⼀定⽐例添加到天然⽓中混合，混合后的燃⽓⽤作汽车的燃料有很⼤的好处。氢⽓和天然⽓可以很容易地以任何⽐例混合，国内外的试验都表明，5～7％质量的氢⽓和天然⽓混合燃料，具有最低的NO 排放。天然⽓作为汽车燃料，虽然可以降低CO 、SO 、Pb以及直经≤2.5 m细颗粒物(PM2.5)等污染物的排放量，但是，由于甲烷热值较⾼，达到36000kJ/m ，在⾼温⾼压下燃烧，燃烧温度可以达到2300℃，容易产⽣NO ⽓体。因此，在实际使⽤过程中，和汽油、柴油车相⽐，天然⽓汽车并没有降低NO ⽓体的排放。
将氢⽓掺混到天然⽓中⽤作燃料，可以有效降低燃料的燃烧温度，从⽽减少排放⽓中NO 的含量。美国国家可再⽣能源实验室的研究结果指出，天然⽓中加⼊5～7％的氢⽓(质量百分⽐)，即15～20％(体积百分⽐)，NO 的排放量将减少50％。图2给出了美国DENVER⽰范项⽬的结果，
可见与天然⽓相⽐，5％质量的氢⽓和天然⽓混合燃料的碳氢化合物(THC)、CO和NO 的排放量分别降低约30％、50％和50％。氢⽓和天然⽓混合燃料对CO 的减排也有效果(图3)。
图2 美国DENVER5%(质量)氢⽓-天然⽓⽰范项⽬的结果
图3 不同燃料CO 排放量⽐较
美国阳光车道(Sunline)运输公司已经在⼤型客车上成功地使⽤了氢和天然⽓混合燃料，氢／天然⽓混合燃料汽车与纯天然⽓汽车相⽐⼏乎没有差别，⽬前我国已有数⼗万辆天然⽓汽车在运⾏，现有的运⾏经验和基础设施都有利于这种燃料的推⼴。笔者早在2005年2⽉出版的《科技导报》中就著⽂《氢能及其近期应⽤前景》，指出氢／天然⽓混合燃料内燃机汽车将是连接现在汽车和零排放氢燃料电池汽车之间的⼀个实⽤和可⾏的桥梁，现在也更加相信这点。
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