氢气/甲醇/氨气发动机的特点
[汽车之家 发动机技术] 随着纯电动车技术的不断成熟，综合性能不断提升，传统燃油车的市场在不断萎缩。在过去的一段时间里，内燃机技术在很多消费者眼中已是一种接近淘汰的技术了。然而，新能源技术的突飞猛进式发展，使得内燃机技术又有了焕发第二春的可能。广汽研究院的新型发动机采用了氨气、甲醇和氢气作为燃料，在国家大力发展氢能的战略背景下，或许能在未来汽车动力系统中占据重要的一席之地。
在今年的广汽科技日上，广汽传祺E9氢混版正式亮相，据称该车是行业首款搭载氢气发动机的氢混整车，氢能动力系统具备高压缩比及爆震抑制技术，将为车辆提供强劲动力，氢耗低于1.4kg/100km，综合续航将近600km。
● 氢能指的不仅仅是氢气
丰田Mirai作为全球最先量产的氢能源汽车，采用了氢燃料电池技术。它的燃料是存储在高压氢气罐中的氢气。在媒体的铺天盖地的宣传下，丰田Mirai的氢燃料电池技术一时间成为了氢能汽车最热门的技术路线。实际上，氢能不止氢气一种，采用氢气作为原料制备的甲醇和氨气也属于氢能范畴。
利用绿氢合成的甲醇和氨气，从某个意义上来说也属于是环保燃料。相比氢气，甲醇和氨气在运输上的突出优势，能够大大降低其终端售价。
在这样的背景下，甲醇和氨气等利用绿氢制备的物质便可看成是氢气的载体，极大地降低储运成本，成为氢能大规模商业化的一种可行思路。氨气在常温加压的情况下就可以液化，有利于实现高密度氢能储运；而甲醇在常温常压下就是液态，储运成本会比氨气更低。
● 甲醇和氨气发动机不是零排放，但促成了碳中和
甲醇完全燃烧产物为二氧化碳和水，燃烧不充分时产生一氧化碳（可利用三元催化器催化转换为二氧化碳）。所以甲醇燃烧和汽油燃烧一样，都会产生二氧化碳这种温室气体的。所不同的是，由绿氢制备的甲醇是一种可再生能源。
由于氨气的制备需要氮气，发动机燃烧氨气后生成氮气，所以理论上不会改变大气中氮气的总量，也属于环保可再生燃料范畴。
● 氢气、氨气、甲醇发动机各有怎样的特点？
针对普通消费者关心的问题，我们从动力性、制造成本以及系统小型化程度这三个方面去看看这三种新型发动机。首先从动力性来看，甲醇发动机≈氢气发动机>氨气发动机。这个比较好理解，采用燃烧速度越快的燃料，发动机动力性能也就越强。
而甲醇发动机要面临的问题是燃料在燃烧过程中会产生甲酸，这种物质会引起金属零件的腐蚀问题，所以需要对相关金属零件（如甲醇喷射器）进行独特的防腐涂层处理。氢气在一定条件下有可能对金属具有腐蚀性，导致金属产生氢脆或者氢腐蚀，零部件（如氢喷射器）需要选择合适的材料、防氢脆处理、表面涂层保护、控制氢气环境等。
同时，氢气对金属的腐蚀性也需要采取对应的措施来避免，增加了制造成本。甲醇发动机的燃料存储与供给系统与汽油发动机类似，这方面成本增加不多，但发动机燃烧过程中产生的甲酸腐蚀现象需要特殊的金属防腐涂层应对，增加了发动机零部件的制造成本。对于氨气发动机，其储氨容器制造成本介于储氢容器和传统汽油油箱之间。氨气发动机的成本主要增加在其特殊的预燃室和相关部件上面。
氨气虽然也需要高压容器存储，但其内容物为液态氨，能量存储密度大，体积会比储氢罐更小。而甲醇可以在常温下以液态方式存储，所以其存储容器与传统汽油油箱类似，也可以做成不规则造型进一步提升空间利用率。从目前的的研究数据来看，在续航里程目标设定和车型大小相同的情况下，空间利用率由高到低的排序为甲醇发动机车型>氨气发动机车型>氢气发动机车型。
● 高低温适应性和耐久性
氢气发动机和氨气发动机在高低温适应性方面与汽油差异不大，而甲醇发动机由于燃料在低温下汽化困难，不利于燃烧初期火焰的稳定发展，在冷启动方面存在一系列的挑战。
氢气发动机燃烧产生的水在低温条件下容易结冰，因此可能存在停机前缸内残留的水凝结在火花塞电极附近，导致下次冷启动困难的潜在问题。对于氨气发动机来说，低温并不是其主控因素，氨气燃烧火焰传播速度慢，如何提升着火速度才是技术难点。
在极端情况下，只有在发动机长期低温低负载工况运行时，才会出现燃烧产物水与机油相互掺杂，引起机油稀释，进而引起机械摩擦副磨损，这种机油稀释或机油乳化可能性在汽油发动机上同样存在。在发动机设计过程中，广汽已经有针对性措施避免此类问题的发生。
看看广汽氢气和氨气发动机实物
● 来看看广汽新型发动机实物
目前，广汽氢气、氨气以及甲醇发动机已经完成了样机样件试制，处于整机性能开发阶段，只要市场环境准备好就能够快速实现量产装车。在广汽研究院的展厅里陈列着它们最新研发出来的氢气和氨气发动机展具。甲醇发动机由于与传统汽油发动机相似程度较高，展厅中并没有展出。
■ 氢气发动机
从该发动机的动力参数来看，它作为一款2.0T氢气发动机，动力输出相当于1.5T汽油发动机，44%的热效率不输目前主流的涡轮增压汽油发动机。
GMC2.0混动专用变速箱属于时下主流的双电机串并联构型，具备2个挡位，相比单挡位设计，能够在动力性和燃料经济性上取得更好的平衡。
目前制约氢气发动机的并非燃料成本，而是加氢的便利度。在加氢站资源比较丰富的广州，目前加氢站数目也只有30多个，很多还需要预约才能加氢，其它地区的加氢便利度更是有待提升。
来自氢气罐的氢气经过两级减压后会直接经过喷嘴喷入气缸燃烧。相比起传统汽油直喷发动机，省去了为汽油建立压力的高压油泵部件。
作为对比，燃料电池车上面的储氢罐规格更高，会采用金属内胆外用碳纤维缠绕的储氢罐，耐压达到70MPa。在未来，轻量化程度更高的高分子材料内胆外用碳纤维包裹的储氢罐将在耐压值不变的情况下，实现更高的轻量化水平。
■ 氨气发动机
另一个展具展示的是氨气发动机技术。广汽的氨气发动机同样采用了2.0L排量直列四缸的设计，进气形式为涡轮增压。
于是在这个预燃室上就需要一个单独的汽油喷嘴，火花塞的电极也暴露在预燃室内而非气缸内。除了这个特殊的汽油喷嘴，这款展示样机上还带有常规的氨气歧管喷射喷嘴以及缸内直喷喷嘴。
虽然这是一款氨气发动机，但是它上面的很多技术配置都是和汽油发动机类似的，这也是其制造成本较低的一个重要原因。
氨气在一般环境中的可燃性远不及甲醇和氢气，但氨气是一种刺鼻气体，对人体是有害的。所以与氢气、甲醇燃料供给系统一样，氨气供给系统中也会设置相应的气体浓度传感器以及气体压力传感器，实时侦测系统是否存在气体泄露的情况。不过就现阶段而言，我国对于整车上的氢气、甲醇以及氨气的泄露检测尚未有统一的国标，遵循的是企业内部标准。搭载这些新型发动机的车型要真正落地还需要法律法规以及标准的进一步完善。
● 全文总结：
目前广汽在新型发动机领域的技术储备明显要领先于市场和基础设施配套。这些新型发动机都有各自的技术难点需要攻克，可幸的是，这些技术难点都有成熟的解决方案，所以不存在太多的不确定性。只要时机合适，这些新型发动机都能在短时间内装车实现量产。但采用氢气、氨气以及甲醇作为燃料的三种发动机，究竟哪种能最先成为市场的主流目前还不好说，这很大程度取决于国家政策的支持以及氢能产业的发展情况。屏幕前的各位觉得未来哪种新型发动机能够脱颖而出呢？不妨在评论区留言，分享你的观点！（图/文/摄/汽车之家 常庆林）
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