氢气作为内燃机的替代燃料，具有两个非常突出的特点：首先，氢气可用水来制取，并且氢气燃烧后又生成水，这种快速的资源循环，使得氢能源取之不尽、用之不竭，这决定了氢气将在未来可耗尽资源消耗殆尽时起主导作用；其次，氢气是非常理想的清洁燃料，燃烧生成水，无CO2、CO、HC、炭烟等污染物质。所以，目前世界上各国都纷纷投入大量人力、物力和财力从事这方面的研究。
1.氢气资源
在自然状态下，大气中只含有极微量的氢气，因此，要想利用氢气必须依靠制取。制取氢气的资源很多，如煤、石油、天然气、水等，都可用来制取氢气。尤其是水，在地球上的储量极其丰富，约为1.3×1012 t，并且可快速循环使用。所以，尽管氢气不像煤、石油、天然气等有较大的自然储量，但作为氢气来源的资源还是非常丰富的。这为氢气的广泛研究和使用提供了有力保障。
2.氢气的主要物化特性
氢气的主要物化特性见表6-17。
表6-17 氢气的主要物化特性
3.氢气的特点
氢气作为燃料，有以下比较突出的特点。
1）着火界限宽
氢气在空气中燃烧的界限非常宽，为4.1％～75％，比汽油和柴油的着火界限大很多。所以，氢气可以实现稀薄燃烧，可以降低发动机在部分负荷时的能量消耗与排放污染。
2）点火能量低
氢气最小点火能量为1.34×10-5 J，比一般烃类低一个数量级以上。所以，氢气点火能量低，比汽油小得多，当掺入汽油后，可降低汽油的点火能量，并改善汽油机的性能。
3）火焰传播速度快
氢气燃烧的火焰传播速度高达291 cm/s，是汽油的7倍。说明氢气在汽油机中燃烧时的抗爆性能很好。
4）与空气的理论混合气热值低
虽然氢气的质量热值在所有的化学燃料里面是最大的，低热值为120.1 MJ/kg，约为汽油的3倍。但由于氢气的相对分子质量小，质量轻，使得其标态体积低热值只有10.80 MJ/m3，其与空气的理论混合气热值也只有3.186 MJ/m3，比汽油低15％，发热量仅相当于汽油的85％，所以使得燃氢发动机的功率要比燃用汽油的发动机功率低15％。
5）自燃温度高
氢气的自燃温度比较高，为580℃，而柴油为350℃，这就决定了燃氢发动机难以压燃，比较适合于点燃。故而汽油机易于改为氢发动机，这就为将来氢气发动机的开发运用提供了一个有利的条件。
6）燃烧排污低
氢气是一种无色、无臭、无毒的干净燃料，同时也是一种无碳燃料，完全不产生汽油等烃类燃料燃烧时所排放的CO、CO2、CH等化合物，燃烧只生成水和NOx，并且NOx的排放也比目前的汽油机低得多，即使有一定的排放量，作为比较单一的排放物也非常容易控制。先进的氢燃料电池和催化氢技术，排放中只有水，如果使用这些氢能开动车辆，则可以真正实现零排放。故而，氢气作为发动机燃料有利于保护环境。
氢气的自燃温度比较高，其辛烷值比异辛烷（辛烷值为100）高，其抗爆性高于汽油，因此，用氢气做燃料时，可以通过提高发动机压缩比来提高其热效率。并且氢气在空气中的火焰传播速度非常快，这也使得发动机的热效率有较大的提高。
8）可使发动机的磨损量减小
氢气燃烧的产物比较单一，使得它对发动机润滑油的污染比较小。同时，由于氢气的沸点比较低，仅为-253℃，在发动机上使用液氢发生汽化时，可较好地降低发动机的机体温度，使得发动机润滑油的高温氧化程度低，这些都有利于保证发动机的正常润滑，减小机械磨损。
4.氢气在发动机上的使用
氢气既可以单独作为内燃机燃料用于发动机，也可与汽油作为混合燃料用于发动机。
1）氢气单独作为内燃机燃料
氢气单独作为内燃机燃料在发动机上使用时，其供氢方式有缸内直接供氢法、预燃室喷氢法、进气道间歇喷射-电磁控制法、进气道间歇喷射-进气门座工作面吸入法、进气管连续喷射-空气导流法和进气管连续喷射-混合器法等几种。(www.xing528.com)
为提高发动机的功率，一般采用内部混合气形成的氢发动机，即缸内直接供氢法。这种缸内喷射的氢混合气的热值比汽油混合气高20％，比外部混合气形成的氢发动机的功率约高41％。在进气门关闭后，将氢直接喷入缸内形成混合气的喷射，由于喷射压力的不同有低压喷射型和高压喷射型两种喷射形式。
（1）低压喷射型。
低压喷射型的喷射压力比较低，约为1 MPa。它是在发动机压缩行程的前半行程将氢喷入缸内。其优点是可提高发动机的功率，不发生回火现象。
（2）高压喷射型。
高压喷射型的喷射压力比较高，须大于8 MPa。它是在发动机压缩行程末上止点附近将氢喷入缸内。其优点是可增大发动机的压缩比，提高其热效率，也不会发生回火、爆燃及早燃等现象。
但随着氢喷射压力的提高，对发动机的技术要求更高，如为保证喷射系统的密封性，必须采用非常精密的零件；为保证混合气燃烧充分，应使发动机燃烧室形状与氢喷束相适应等。
2）氢与汽油混合作为燃料
目前，氢燃料在汽车上的使用多为氢与汽油混合作为燃料用于发动机。由于氢气具有点火能量低、火焰传播速度快、燃烧界限宽等特点。所以向汽油中掺入一部分氢气后，可使汽油发动机着火延迟期大大缩短，火焰传播速度加快，燃烧持续期缩短。再加上氢在燃烧时释放出OH、H、O等活性物质，可大大地加快燃烧速度，抑制爆燃。这样一来便可提高发动机的压缩比，从而提高热效率和改善汽油机的性能。
汽油掺氢后燃烧，也可以改善排放污染，如CO和NOx等的排放率都会明显降低。
5.氢气的储存
氢气的储存常用金属氢化物、高压容器、液氢等三种方式。
金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样，效率很高，但金属氢化物储氢方式的装置重量大，且氢压太低，使得氢很难直接喷入气缸。
高压容器是将氢压缩后存储其中，这种储氢方式能提供较高的压力，但高压容器储氢方式的装置重量也比较大，与金属氢化物储氢方式相当。
液氢是把氢气液化后存储在绝热容器中，这种储氢方式的装置重量轻，并且借助小型液氢泵还可获得8～10 MPa的高压，以满足高压喷射方式的需要。但这种储氢方式需使用绝热容器，价格昂贵，并且还容易发生蒸发泄漏等。
6.氢气的安全性
由于氢气的自燃温度高，若无明火，一般不会着火，使用比较安全；另外，氢气的密度比较小，质量轻，如在储存过程中发生泄漏，也会很快扩散到空气中，不会发生爆炸或着火。因此氢气的使用安全性比较好。
但是，氢气在储存、使用过程中，也存有一定的危险，如泄漏能力强、易被高温炽热点点燃等。
7.氢气使用存在的问题
氢气作为内燃机替代燃料，在使用和推广应用过程中还存在一系列技术问题。
1）在汽车上安全方便的储运方法
因为液氢采用低温储运，其液化保温是技术难题，另外，还要避免氢气在储存过程中的蒸发损失等。
2）大量生产廉价氢气的方法
目前，如采用电解水的方法制取氢气，其耗电费用甚至高于汽油价格。
3）氢气燃料的供给系统
由于氢气本身的物理和化学特性，以及燃烧特性，氢气燃料的供给系统需要专门的结构，以保证燃料的供应量。
但是，从长远和发展的观点来看，氢气是最有前途的替代燃料。
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