氢气发动机是电动车终结者，还是内燃机的绝唱？
近期一则新闻，让内燃机爱好者们又激动了一把。丰田官方宣布将派出一辆搭载氢燃料内燃机的卡罗拉赛车参加“富士SUPER TEC 24小时耐力赛”，并在5月23日顺利完赛。
注意，这里的氢燃料发动机指的并不是我们现在已经相对了解的，已经搭载于Mirai上量产的氢燃料电池发动机，而是氢燃料内燃机。它的工作原理和我们目前使用汽油、柴油、天然气的内燃机并没有差别。燃料在气缸内燃烧膨胀，推动活塞做工。
有传统内燃机的排气声浪，还没有传统内燃机的碳排放，哇哦，在这个电动化趋势统治的世界中，氢燃料内燃机是天使吗？丰田，不愧是你，真是玩氢的一把好手。
★ 或许你不知道，100年前就有了氢气内燃机
氢气内燃机其实并不是什么新鲜的概念，它的起步很早，它的研究可以追溯到19世纪中期，1841年，英国颁发了第一个用氢气氧气混合气工作的发动机的专利。20世纪初也曾有人进行过氢气内燃机燃烧过程的研究。
在此之后，20世纪70年代，由于石油危机，氢气内燃机曾有过一小波研究高峰，随后无疾而终。到了20世纪末，因为排放需求提高，氢气内燃机又被重新拾起，MAN、福特、三菱、马自达、FEV等等车企或零部件供应商都有一些概念产品。
这些概念车型中相对比较出名的是宝马。宝马从1978年就开始研究氢燃料动力，他们在1996年的世界氢能会议上展示了一款氢气内燃机汽车，随后在2000年德国汉诺威世博会上展示了用自家旗舰7系改造的750HL示范运营车队。
在追求氢气内燃机的性能方面，宝马也做了尝试，2004年推出了名为H2R的概念车，其中H2即为氢气，R则是Record。它的性能的确不错，来自760i的6.0升V12发动机被改造成氢气内燃机，可以输出286马力。
这是一款赛车，采用了不对称的驾驶舱设计，单座，全铝框架车身配上碳纤维强化壳体，在拥有5.4米车长，2米宽车身的情况下，总重不过1560kg，风阻系数低至0.21。最高车速可达300km/h。
在2007年，宝马几乎就要引领世界了。在这一年，宝马推出了迄今为止氢内燃机汽车最接近量产的产品，Hydrogen 7，注意，没有Concept的后缀，它的确完成了整个产品的完整开发流程。为了推进氢动力的商业应用，宝马还与道达尔（Total）合作，建立加氢站。
Hydrogen 7是一款划时代的产品。它充分考虑到推广初期加氢困难的情况，它的氢气内燃机既可以使用氢气，也可以简便的切换为汽油驱动。它同时具备两个油箱，一个装74升汽油，一个装8kg液态氢。
Hydrogen 7的那台V12氢气内燃机是宝马在760i发动机的基础上改造而来，虽然输出仅有260马力，百公里加速需要9.5s。但技术含量还是极高的，Valvetronic、VANOS宝马招牌技术全部用上，保留了燃油的缸内直喷系统的同时，改造了300MPa的气体喷嘴，氢气在进气歧管喷射。火花塞经过特殊设计，加强了高能高压点火能力，改善了气门和气门座圈的耐磨性、加强了活塞连杆、气缸垫等一系列的结构件。它似乎要成功了。
但最终结果我们也看到了，Hydrogen 7虽然没有Concept的后缀，它的存在感也仅限于Concept级别。宝马也将精力转到氢燃料电池方向。
★ 氢燃料内燃机的优劣势
相比较汽柴油、氢气的可燃极限非常广，常温下以气体存在无需雾化，与空气混合容易，不需要很多诸如缸内直喷、分层燃烧等技术即可实现稀薄燃烧，甚至可以实现4%体积分数情况下的稀薄燃烧。没有积碳风险。
氢气的燃烧火焰扩散速度快，热值高，等质量氢气燃烧释放的能量差不多是汽油的三倍。这两点的共同作用下，气缸的温度相比汽油车更高，基于卡诺循环的基本效率计算公式，提高热源温度也是提高内燃机效率的最有效方式。
相比较于氢燃料电池或者电动车，氢燃料内燃机可以在传统发动机的基础上进行改造，适应性强，更关键的就是，氢燃料内燃机有排气声浪，也就是说，它有“灵魂”。
但是，氢气作为燃料优秀的一面也会引发问题。氢虽然质量能量密度高，但体积能量密度低，输出功率和扭矩相比较同等条件下的汽油发动机都有所下降。
因为氢气火焰扩散快，燃烧过程过快，膨胀做功过程较短。同时，由于氢气的点火能量极低，混合气容易被气缸内的热点比如火花塞电机、过热杂质堆积物等提前引燃，甚至可能早到在进气门未关闭之前就被点燃，火焰进入进气歧管中。回火、早燃、爆燃问题突出。所以很多提高汽油发动机功率密度的手段无法适用于氢内燃机。
此外，氢燃料内燃机的NOX排放问题不能忽视，理论上，氢气燃烧只会形成水，是一种完全无污染的燃料。但实际上却不是，没有碳排放不等于没有排放。
由于我们不可能给氢气发动机提供纯氧，氢气与空气混合燃烧，空气中大量的氮气就会参与反应产生大量NOx排放。而且由于氢内燃机的温度更高，NOx的排放问题比起传统内燃机更加严峻。
★ 氢燃料内燃机的困境不在于技术，而在于产业
当然，以上的问题其实到了如今的阶段，都不算突出了。比如早燃、回火等问题可以通过缸内直喷技术解决、NOx排放也可以利用缸内喷水、EGR等方式减少。制约氢燃料内燃机应用的绝大部分原因都应该归结于我们并没有一个完美的车用氢气供应体系。
这个问题其实和氢燃料电池是一样的，制氢、储氢、运输氢、加氢站，链条上的每一个环节几乎都没有打通。唯一比氢燃料电池稍好的一点就是氢燃料内燃机对于氢气的品质要求稍低一些。
但这点优势并没有用，氢内燃机和氢燃料电池的竞争中基本上是全面处于下风的，最简单的，同样的储氢量，给氢燃料电池发电再驱动车辆比起直接再气缸中燃烧，车辆能跑的距离更远。氢燃料内燃机还是内燃机，它超脱不了热力学极限，在这方面，它的潜力远没有氢燃料电池大。
另外，电动机的优越性不可忽视。就输出机械能的动力装置而言，电动机的优越性是发动机不可企及的。极高的能量转换效率，几乎免维护的使用特性，完美的输出外特性曲线，变态的转速范围，可怕的功率密度，优秀的NVH，较为低廉的成本，良好的空间布置能力，以及很关键的，电机具有能量回收的能力，回收一次刹车能量带来的节油效果远高于压榨那1%的热效率。
除了所谓的“灵魂”声浪，我实在找不到电动机会输给内燃机的理由。所以连带着，氢燃料内燃机在潜力上也是远不如氢燃料电池。
明确了电动化的发展方向，下一步是氢气与电池这两种中间储能原件的争夺。氢气很有潜力，但目前看来，电池更胜一筹，只是这点优势还不够大，氢气还有很多机会。
唯独一点，在现阶段，氢气内燃机可以视为传统化石燃料内燃机的一条出路，在新时代，给内燃机粉丝们留了一丝念想，毕竟氢燃料内燃机还是内燃机，高亢的排气声浪还是仍然存在的。氢燃料电池发展路上，普及氢气供应链条的任务，可以交给氢燃料内燃机。
所以直到现在，虽然在消费端毫无声量，但氢气内燃机作为一种基于现有内燃机体系的一种新能源备选方案，以车企的技术储备的身份，还是有一批人在进行相关的研究，毕竟车企不会把鸡蛋都放在一个篮子里，时不时的还能够出来刷刷存在感。我国的车企比如长安、一汽也都曾有过新闻，试制成功了氢燃料内燃机。
丰田这次的氢燃料内燃机赛车也是类似的性质，秀秀肌肉，展示一下企业的技术储备，检验一下目前氢燃料内燃机技术的极限，评估一下成熟度有没有量产机会，更重要的是寻找志同道合的伙伴，这辆卡罗拉赛车上，氢燃料发动机技术由DENSO提供，氢燃料则由岩谷产业、大阳日酸福岛县、浪江町和NEDO提供。丰田章男在推特上表示，通过这次比赛，各领域志同道合的伙伴们都凝结在了一起，不然丰田也完不成这次挑战。
氢能源作为一种新兴能源，尽管丰田已经在相关领域耕耘了多年，也被许多人视为真正的新能源。但其基础建设比起电池储能的电动车还要差上不止一截。它的发展需要更多的关注，燃料电池不温不火，找不到宣传着眼点。
正巧，随着电动车严重威胁到了传统内燃机的地位，“汽油头“们对于电动车缺少声浪”缺少灵魂“的抱怨愈多，那么就放出一个氢燃料内燃机的概念，刷一波存在感，试探一下消费市场的反应。丰田也可以转移注意力，在一定程度上弥补自身电动化能力稍弱的映像。
一石多鸟，丰田，妙啊。
本文作者为踢车帮 Route64