氢燃料内燃机研究综述：成果、挑战与展望
论文 “A Comprehensive Overview of Hydrogen - Fueled Internal Combustion Engines: Achievements and Future Challenges” 对氢燃料内燃机的研究成果进行了全面综述与分析，探讨了其应用的优势、面临的挑战及未来发展方向。
一、研究背景与氢燃料特性
（一）研究背景
在全球应对气候变化的大背景下，欧盟等地区积极推动温室气体减排行动。如欧盟提出 Green Deal 计划，旨在 2050 年实现净零温室气体排放，2030 年较 1990 年减少 55%的温室气体排放。在此形势下，寻找低碳甚至零碳的替代燃料成为关键。氢作为一种潜在的清洁能源载体，在能源领域的重要性日益凸显。目前，氢的生产方法多样，包括蒸汽甲烷重整、煤气化、水电解、生物质气化等。其中，蒸汽甲烷重整是最常用的方法，其氢气生产效率较高（65 - 75%）且成本相对较低，但会产生大量 CO₂排放；煤气化效率低（45%）且 CO₂排放高；水电解虽无碳排放，但耗电量大、成本昂贵；生物质相关方法虽具有一定潜力，但仍处于发展阶段。太阳能 - 氢系统可实现无排放制氢，但成本高昂。2016 年，96%的氢气产自化石燃料，在使用化石烃制氢时，需对产生的 CO₂进行捕获和储存以减少排放。
（二）氢燃料特性
氢的物理和化学性质与传统化石燃料（汽油、柴油、甲烷）有显著差异。在常温常压下，氢的密度极低（0.089 kg/m³），是天然气的十分之一左右，这是由于其分子量小（2.016）。但氢具有极高的质量 - 能量比，其低位热值（119.9 MJ/kg）远超汽油（43.9 MJ/kg）、柴油（42.5 MJ/kg）和甲烷（45.8 MJ/kg）等传统燃料，按质量计算，氢的能量含量约为汽油的 3 倍、酒精的 5 - 6 倍、甲烷和丙烷的 2.5 倍。
氢在空气中的可燃范围极宽（4 - 76%），相比之下，汽油的可燃范围仅为 1 - 7.6%。这使得氢发动机能够在更广泛的混合气浓度下运行，可采用稀薄燃烧技术，实现从极稀薄（λ = 10）到较浓（λ = 0.14）的混合气燃烧，从而通过调整混合气成分来灵活控制发动机功率。在稀薄燃烧时，火焰温度较低，减少了向气缸壁的传热，提高了燃油经济性，同时降低了 NOx 排放。
氢的最小点火能量极低，在大气条件下仅为 0.02 mJ（汽油 - 空气混合物为 0.24 mJ），且在一定浓度范围内（10% - 50%）相对稳定，这使得氢燃烧所需的点火能量极少，甚至可以通过电热塞或电阻热线引发燃烧。但当氢浓度低于 10%时，点火能量急剧上升，增加了早燃和回火的风险。
氢的火焰传播速度快，在化学计量比下，其火焰速度比汽油快近一个数量级，这有助于提高发动机的热效率，使其更接近理想的热力学循环。此外，氢的扩散系数大，在空气中的扩散能力强，有利于燃料与空气迅速混合形成均匀混合气，同时在发生泄漏时能快速扩散，降低安全风险。
二、氢在内燃机中的应用
（一）火花点火发动机（SI）
氢在 SI 发动机中的应用方式主要有进气道喷射、直接喷射和与汽油混合喷射。进气道喷射时，低温氢通过阀门控制管道注入进气道，与空气混合后进入气缸燃烧。直接喷射则是利用低温储罐存储氢，经泵和热交换器汽化后直接喷入发动机气缸，这种方式可避免早燃并减少 NOx 生成。氢与汽油混合喷射是将氢 - 汽油混合物引入燃烧室，由火花塞点火燃烧。
氢作为 SI 发动机燃料具有诸多优势。其快速的火焰传播速度、低点火能量和宽工作范围优化了燃烧过程，使得发动机在部分负荷下性能良好，能有效限制有害排放物，主要排放物仅为 NOx 和少量颗粒物（PM）。与汽油发动机相比，氢发动机的碳氢化合物和一氧化碳排放几乎可忽略不计，这是因为氢燃烧的产物主要是水。此外，氢发动机的制动热效率更高，在超稀薄燃烧时，由于火焰温度低，减少了热量向气缸壁的传递，进一步提高了燃油经济性。然而，在低发动机转速且需要高扭矩的工况下，SI 发动机的性能不如柴油发动机。
（二）压燃式发动机（CI）
在 CI 发动机中，氢通常作为柴油的添加剂使用。由于氢具有高扩散性，少量氢注入 CI 发动机可显著改善柴油喷雾流的混合均匀性，使燃烧过程更充分，几乎可完全消除碳氢化合物、一氧化碳和二氧化碳的生成，仅有少量来自润滑油的不完全燃烧产物。
但 CI 发动机不能单独使用氢作为燃料，因为氢的自燃温度（853 K）远高于柴油，仅依靠压缩过程中的温度升高无法点燃氢 - 空气混合物，需要借助火花塞或预热塞来辅助点火。在双燃料发动机中，氢作为主燃料注入进气口或化油器，柴油作为引燃燃料，其用量通常占总燃料的 10 - 30%，其余能量由氢提供。
与 SI 发动机类似，氢 - 柴油双燃料 CI 发动机也面临 NOx 排放问题。废气再循环（EGR）技术可通过稀释进气降低氧浓度来减少 NOx 排放，但会导致容积效率显著下降（约 15%），且增加颗粒物排放。另一种降低 NOx 排放的方法是向燃烧室喷水，其原理与 EGR 相似，可冷却进气并降低燃烧速率，但会降低发动机的容积效率。
三、异常燃烧问题及应对措施
（一）异常燃烧现象
早燃是氢发动机开发中常见的问题，指燃料混合物在火花塞点火之前在燃烧室内被点燃。这会导致发动机运行不稳定，功率输出下降。早燃若发生在进气门附近，可能引发火焰回流至进气系统，导致回火现象，回火会使进气歧管压力升高，损坏进气系统。早燃的原因主要包括高温热点（如火花塞部件、排气门头部、燃烧后的高温气体、活塞与气缸间的缝隙燃烧）和残余电荷等。
爆震也是氢燃料发动机面临的重要问题。在氢 - 空气混合物接近化学计量比时，由于氢的燃烧速度极快，在燃烧过程中会产生强烈的压力波，引发爆震。爆震产生的高机械和热应力可能严重损坏发动机部件，影响发动机的可靠性和耐久性。
（二）应对策略
为减少早燃的发生，可采用多种措施。在火花塞设计方面，选择合适的火花塞材料和结构，降低其工作温度，避免成为早燃的热点。优化曲轴箱通风系统，减少残余电荷在点火系统中的积累，降低早燃风险。使用钠填充的排气门，增强排气门的散热能力，防止其温度过高引发早燃。合理设计发动机缸盖的冷却通道，避免燃烧室内出现局部高温区域。采用氢适配的直接喷射系统，精确控制燃料喷射时机和量，减少燃料在进气道和燃烧室内的停留时间，降低早燃可能性。此外，调整气门正时，优化进气和排气过程，提高发动机的换气效率，也有助于减少早燃的发生。
对于爆震问题，可通过优化燃烧过程来控制。例如，调整燃料 - 空气混合气的浓度和喷射策略，避免在易产生爆震的工况下运行。同时，提高发动机的压缩比，利用氢的高辛烷值特性，在一定程度上抵抗爆震，但需注意控制压缩比在合理范围内，以防止其他问题的出现。
四、氢燃料喷射技术
（一）喷射方式
化油器是一种传统且简单的燃料供应方式，在氢发动机中使用时，其优势在于对氢的压力要求相对较低，便于将传统汽油发动机改装为氢发动机或氢 - 汽油发动机。然而，其缺点也较为明显，由于氢在混合气中所占体积比例较小（约 1.7%），采用化油器供气会导致发动机功率损失约 15%。此外，进气道中大量的氢 - 空气混合物增加了早燃的风险，一旦发生回火，可能会对发动机造成严重损坏。
进气道喷射（PFI）是在进气冲程开始后，通过机械或电子控制的喷油器将氢燃料注入进气道。电持续时间，在高发动机转速下优势明显。在进气冲程中，子喷油器能够精确控制喷射定时和空气单独供应，可稀释热的残余气体，降低燃烧室内温度，减少早燃的可能性。与化油器和中央喷射系统相比，PFI 的进气系统压力较高，但低于直接喷射系统。在 PFI 系统中，又分为恒定体积喷射（CVI）和电子燃油喷射（EFI）两种方式。CVI 采用机械凸轮控制装置确定氢喷射到每个气缸的时间，使用恒定的喷射频率和可变的燃油轨压力；EFI 则通过电子燃油喷油器（电磁阀）向每个气缸分配氢，采用可变的喷射频率和恒定的燃油轨压力。
直接喷射（DI）是在压缩冲程末期将氢直接喷入燃烧室。由于氢的扩散速度快，与空气混合后火焰能迅速传播。与进气道喷射相比，DI 可避免进气道内的功率损失，在怠速转速范围内，发动机效率虽可能略有降低，但在高负荷工况下，相比汽油发动机可实现 20%的功率提升，相比氢化油器系统可获得 42%的功率增加。然而，DI 也面临一些挑战，如氢的高自燃温度、长自燃延迟和快速的压力上升速率等问题。此外，由于氢与空气的混合时间短，混合气均匀性较差，可能导致较高的 NOx 排放。在 DI 系统中，根据喷射压力的不同，可分为低压直接喷射（LPDI）和高压直接喷射（HPDI）。LPDI 在进气阀关闭且气缸压力较低时进行燃料喷射，HPDI 则在压缩冲程末期进行喷射，HPDI 虽能提供更好的燃烧性能，但需要更高的压力供应系统，成本和复杂性也更高。
（二）喷射系统要求
氢燃料喷射系统的基本功能要求包括精确的燃料计量和输送。由于气态燃料在喷射系统外已被压缩，喷射系统主要负责燃料的计量功能，通过精确控制喷射持续时间来确保喷入发动机燃烧室的氢量符合要求。
为实现良好的喷射性能，氢喷油器需满足多项要求。首先，喷油器应具备短的全开时间，即喷油器针阀从一个极限位置移动到另一个极限位置的时间要短，且在开启和关闭阀门时应采用低流量速率，以提高平均质量流量，改善内部混合气形成。其次，喷油器对驱动其工作的脉冲信号要有快速响应能力，响应时间上限通常接近一个发动机循环，否则在高发动机转速下无法 正常工作。此外，喷油器应具有良好的密封性，减少燃料泄漏。燃料泄漏可能导致压缩过程中的早燃以及排气冲程中的氢损失，进而降低发动机的容积效率。最后，喷油器需具备高耐用性，由于喷油器针阀运动频率高达 50 Hz，高动态运动产生的冲击载荷易对其造成损坏，因此喷油器应具有良好的抗磨损性能和稳定的流量特性。
五、燃烧策略与效率提升
（一）燃烧方式结合
氢发动机可充分利用 SI 发动机的预混燃烧和柴油发动机的非预混燃烧特点，实现燃烧过程的优化。在实际运行中，通常先将部分氢以预混方式在早期注入并由火花塞点燃，形成均匀的预混火焰，然后将剩余所需的氢直接喷入火焰中进行扩散燃烧，以满足发动机的负荷需求。在低负荷工况下，预混燃烧阶段的空气过量系数可控制在约λ = 2.2，此时虽可能出现轻微爆震，但在扩散燃烧阶段，即使在高负荷下也能有效避免爆震的发生。
（二）效率提升策略
为提高氢发动机的效率，可采用多种燃烧策略。在稀薄燃烧方面，利用氢的宽可燃范围，使发动机在稀薄混合气下运行，可显著降低火焰温度，减少传热损失，提高热效率，同时降低 NOx 排放。但稀薄燃烧会降低发动机的功率输出，因此需要根据发动机的工况合理调整混合气浓度。
多次喷射技术也是提高效率的有效手段之一。通过多次喷射氢燃料，可形成更均匀的混合气，在燃烧过程中实现更精确的控制。例如，在燃烧初期进行少量氢的喷射，形成稀薄的预混火焰，然后在适当的时机进行后续喷射，补充燃料并控制燃烧速率。根据第二次喷射相对于火花点火的时间不同，可进一步优化燃烧过程，实现低 NOx 排放和高燃烧效率的平衡。
分层燃烧技术通过在压缩冲程后期进行燃料喷射，使混合气在燃烧室内形成分层结构，靠近火花塞处混合气较浓，便于点火，而远离火花塞处混合气较稀薄。这种分层结构可减少热量损失，提高燃烧效率，同时在高负荷工况下有效降低 NOx 排放。在实施分层燃烧时，喷油嘴的设计至关重要，需要精确控制燃料的喷射方向和喷雾形态，以实现理想的混合气分层效果。
此外，根据发动机的不同负荷工况，选择合适的燃烧策略也能显著提高效率。在低负荷时，可采用发动机在化学计量比混合气下运行并结合节流（和/或 EGR）及排气后处理的方式，或者维持固定的稀薄当量比（接近 NOx 阈值偏差）并结合节流但不使用排气后处理系统，也可采用超稀薄当量比、节流且无排气后处理系统的策略。在中等负荷时，可采用发动机在可变当量比下运行，节气门全开且无排气后处理的方式。在高负荷时，对于 DI 发动机可采用化学计量比混合气并结合后处理的策略，对于 PFI 发动机可采用化学计量比混合气并结合增压和后处理，或者采用化学计量比混合气并结合低温燃料喷射和后处理，也可维持固定的稀薄当量比（接近 NOx 阈值偏差）并结合（高）增压且无后处理的方式。
六、发动机改装与面临挑战
（一）改装要点
为适应氢燃料的使用，发动机需要对多个系统进行硬件和软件的改装。在燃烧系统方面，需对气缸盖、活塞、活塞环、气门、气门座和气门导管等部件的材料进行优化，以适应氢燃烧的高温、高压和低润滑性环境。例如，选择耐高温、抗氢脆的材料，同时优化这些部件的设计，如减小活塞顶岸间隙，防止氢火焰传播至顶部环岸；调整气门座和气门导管的材料和尺寸，确保良好的密封性和耐磨性。此外，还需优化燃烧系统的控制策略，包括调整点火系统和爆震控制系统，确保发动机在氢燃料下稳定运行。
涡轮增压系统需要专门设计或改装，以适应氢燃料发动机的特性。由于氢的燃烧速度快，对增压压力的需求与传统燃料发动机有所不同，通常需要较低的增压压力，因此涡轮增压系统应具备精确的压力调节能力，确保进气量和压力符合氢燃烧的要求。
燃料喷射系统的改装是关键环节之一。无论是采用 PFI 还是 DI 方式，都需要安装专门设计的氢喷油器和相关的燃油轨及管道。对于 PFI 系统，要优化氢喷油器在进气道的安装位置，确保燃料与空气的良好混合；对于 DI 系统，要根据发动机的性能需求选择合适的喷射压力和喷射策略，并配备相应的高压泵或低压泵，以及精确的压力调节器，保证氢燃料的稳定供应和精确喷射。
点火系统也需要进行调整，由于氢的点火特性与传统燃料不同，点火能量需求低且易发生早燃，因此需要选择合适的火花塞和点火线圈。通常采用冷型火花塞，其电极温度较低，可避免超过氢的自燃温度引发早燃，同时应避免使用铂电极火花塞，因为铂可能会催化氢的氧化反应。此外，点火系统应确保良好的接地，防止残余点火能量引发不受控的点火。
排气后处理系统需要针对氢燃烧的排放特性进行优化。氢发动机的主要排放物是 NOx，因此需要采用高效的 NOx 减排技术，如选择性催化还原（SCR）、废气再循环（EGR）等，并优化后处理系统的结构和参数，确保在满足排放标准的同时，尽量减少对发动机性能的影响。
曲轴箱通风系统在氢发动机中尤为重要。由于氢的点火能量低，一旦进入曲轴箱容易引发燃烧，因此需要设计高效的曲轴箱通风系统，防止氢在曲轴箱内积聚。同时，在气门盖上安装压力安全阀，当曲轴箱内压力突然升高时能够及时泄压，避免发生发动机火灾。
润滑系统也需要进行适应性调整。由于氢的低润滑性，发动机润滑油应具有更好的抗磨损性能和抗氧化性能，同时应选择合适的添加剂，防止润滑油在氢环境下变质。此外，还可采用无灰润滑油，减少沉积物的形成，避免因沉积物引发热点和磨损问题。
（二）面临挑战
氢燃料发动机在运行过程中面临着诸多挑战。在燃料喷射系统方面，氢的特殊性质会导致喷油器部件的损坏。例如，用于驱动喷油器的压电陶瓷可能会因氢中毒和高压氢吸收而发生降解，影响喷油器的性能和可靠性。喷油器针阀与喷嘴体之间的滑动摩擦和磨损问题也较为突出，在氢的化学还原环境下，金属表面的氧化物层容易磨损，导致摩擦系数增加，进一步加剧磨损，甚至可能引起氢泄漏。此外，氢还可能扩散到介电涂层或压电致动器中，导致其性能下降；在高温、高压或减压过程中，环氧树脂（介电）涂层可能会发生击穿，形成空洞、微弧和碳迹，引发电极短路，最终导致喷油器故障。
发动机的其他部件也会受到氢的影响。例如，氢的清洁燃烧特性使得燃烧室内几乎不产生油焦润滑，导致气门和气门座等摩擦副缺乏润滑，加速部件磨损。同时，氢的扩散可能导致金属部件发生氢脆现象，降低材料的韧性和强度，增加部件开裂
