范英杰

摘要：本文介绍了车用氢气发动机的发展背景、清洁高效的优势及目前的发展情况。重点介绍了车用氢气发动机目前存在的技术问题，包括早燃、回火、动力性能劣化及氮氧化物排放等，并介绍了相关的解决方法。最后对氢气发动机未来研究趋势进行了总结，主要包括性能研究、排放研究及缸内喷射研究。

关键词：氢气发动机;进气道喷射;缸内直喷

Abstract： The development background， clean and efficient advantages and current development status of automotive hydrogen engines are introduced in this paper.The paper focuses on the current technical problems of hydrogen engines for vehicles，Including pre-ignition， tempering， deterioration of power performance and nitrogen oxide emissions， etc and introduced related solutions.Finally， the future research trends of hydrogen engines are summarized， including performance research， emission research and in-cylinder injection research.

Key words： hydrogen engine;port-injection;direct-injection

1  車用氢气发动机发展情况

目前全球变暖问题愈演愈烈，各国都寻求降低碳排放的方法，中国计划在2030年实现碳排放的零增长。在此背景下，我国汽车行业也制定了以新能源汽车为主的发展方向。但我国的新能源汽车以纯电动汽车为主，纯电动汽车目前仍需克服其续航、充电及电池衰减等一系列问题。除纯电动汽车以外，国家也加大了对燃料电池行业的支撑，但其技术、成本等问题还亟待解决。因此，在未来很长一段时间内，汽车动力来源还是以内燃机及内燃机与电机结合的混合动力为主。但内燃机目前也在寻求新的突破。内燃机目前的低碳排放路线有两条，一条是提高传统内燃机的燃烧效率，另一条为寻找新的替代燃料，氢气即为替代燃料中的一种。

氢气燃烧理论上只生成水，除此以外，以氢气作为燃料有以下的一些优点：①氢气的可燃极限极广，不需使用分层燃烧技术即可实现稀燃。稀燃同时也允许氢内燃机使用质调节的负荷控制策略，采用此策略可显著降低泵气损失。②氢气的燃烧速度快，远高于其他气体燃料。燃烧速度快使得燃烧的等容度上升，有利于提高燃烧效率。③氢气很容易就能被点燃。但这也被认为是氢内燃机容易发生回火、早燃和爆燃的原因之一。④氢气热值高。氢气的低热值为120MJ/kg，大约是汽油的3倍。同等质量的氢气与汽油燃烧，氢气可释放更多的热量。在内燃机中，使用氢气要比汽油热效率高15～25%[1]。⑤氢气的质扩散系数远高于碳氢燃料。如此高的质扩散系数使得氢能够在十分稀薄的情况下燃烧。但这也会使得火焰锋面的不稳定性增强，自湍化倾向增加。

氢气独特理化性质使其作为燃料时可直接用传统汽油机进行改造。传统汽油机只需对燃料供应与喷射系统、安全防护系统以及控制等方面做一些改动。宝马2007年在一个12缸的汽油机上，对燃料供应系统、润滑冷却系统以及点火系统、热管理、电控系统等进行了改造，设计出一款氢气发动机[2]。该发动机最高功率可达到210kW。长安汽车研发的氢内燃机也在同年点火成功，该发动机为长安同北京理工大学共同开发。但因储氢、加氢技术及制氢、运输成本的制约，无法进行大规模产业化，各主机厂都停止对其继续开发，转而去研究氢燃料电池，只有部分高校及科研机构还继续对其进行研究。2018年，日本产业技术综合研究所与日本冈山大学、东京都市大学、早稻田大学组成的研发小组成功开发出了全球首款能实现高热效率和低NOX排放的火花点火氢燃料发动机。同年的12月3日，北京理工大学在国家军民融合公共服务平台上发布了目前国内唯一的一套可以进行氢燃料内燃机系统开发的专用试验台架。

氢气发动机虽短期内无大规模产业化可能，但还需继续研究作为未来的技术储备。本文针对当前氢气发动机的研究现状、关键问题及现行的解决方案进行综述，并对未来研究应用趋势进行分析。

2  车用氢气发动机研究现状

氢气发动机分为进气道喷射氢气发动机与缸内直喷氢气发动机。进气道喷射氢气发动机喷氢系统结构简单，易于改造，便于产业化，但此种结构易发生早燃、回火等异常燃烧现象[3]。早燃是混合气在进气门关闭之后、火花塞点火之前的非正常燃烧。回火是混合气在进气门关闭之前的燃烧现象。早燃是因为氢气所需点火能量较低，火花塞跳火前混合气即被缸内热点点燃。缸内热点包括燃烧室中的尖角、电极以及残留的废气等。早燃可引起爆震。影响早燃的因素主要有压缩比、转速及混合气温度[4]。氢气点火能量低、着火界限宽和火焰传播速度快是引起回火的主要原因。回火主要与进气道混合气浓度、配气相位以及点火系统有关。针对早燃与回火，研究人员进行了大量研究，目前已初步解决这些问题，所用措施如下：

2.1 减少发动机系统热点  可针对缸内运动副、冷却系统及点火系统等进行优化设计，减少缸内热点产生。对运动副进行优化设计，如活塞、活塞环、缸套等优化后可降低进入燃烧室的机油量，减少热点及热灰分产生。对冷却系统优化设计，增强冷却系统对局部的冷却能力，可加强对火花塞及气门座的冷却，使这些易形成热点的部位温度降低。对点火系统尤其是火花塞进行优化设计，采用裙部短的冷型火花塞，使其散热更快，不易成为热点。除此以外，对发动机的压缩比等进行合适设计，降低混合气在压缩终了的温度，使其更不容易发生早燃。

2.2 降低发动机混合气温度  降低发动机混合气温度可使用进气道喷水或低温气体、废气EGR及调整配气相位、液氢喷射等措施。喷水的原理极为简单，水汽化会吸收热量，目前很多汽油机都通过缸内喷水来降低温度以避免爆震及氮氧化物的产生。喷射低温气体则是直接使混合气降温。废气EGR的加入使混合气比热容升高，使其吸收同等热量的情况下温度不会上升太多，这样也可使混合气在被点燃之前温度相对较低。调整配气相位，减小气门重叠角，在发动机进气时使缸内废气排出较多，避免燃烧后的废气对进气进行加热。液氢喷射对储氢及供氢系统要求较高，其主要技术难点反而并不在发动机方面，故目前使用较少。

2.3 采用合适的喷氢策略  对喷氢策略进行优化，在进气初期减少氢气喷射量，使低浓度混合气进入燃烧室，首先不易被废气及热点点燃，其次低浓度混合气中含有较多新鲜空气，也可对缸内降温[5]。在排气门关闭后再开始喷射氢气，进气门关闭之前就停止喷氢，可避免混合气受到排气的加热，且进气道中残存较少的氢气，避免回火。但氢气发动机喷氢策略优化也带来一个问题，优化后的喷氢策略不仅使发动机无法完全的进气与排气，也减少了氢气的喷射量。

进气道喷射氢气发动机，因氢气常温下为气态，喷射时会占用进气道空间，使进气量减少，发动机充量系数减少。除此以外，为避免早燃、回火采用的喷氢策略等，都会造成进气道喷射氢气发动机功率与扭矩较低的问题，该问题目前可通过增压技术来进行解决。增压可提高进气充量，达到提升功率与扭矩的效果，但增压也存在一个问题，增压后的气体在经中冷冷却后温度还是比较高，相当增加了混合气的温度，对早燃与回火的控制也有不利影响，因此增压氢气发动机中冷系统需有良好的冷却功能，其冷却功率必须足够大。

针对缸内直喷氢气发动机，因其燃料直接喷入燃烧室，不像进气道喷射方式，氢气要占用进气体积，故可提高发动机的充量系数。其次直喷方式也不会带来回火的问题，早燃问题也可通过进气道喷射氢发动机的研究成果进行规避。此外，还可直接将液氢喷入缸内，进行功率提升。对缸内直喷氢气发动机的研究目前还比较少，主要集中在对喷氢特性方面。Xi Wang，Bai-gang Sun等人利用纹影法研究了外开喷油器的氢喷射特性[6]，Ho Lung Yip等人同样使用纹影法研究了压燃点火时氢气射流特性以及影响其压燃火焰结构的因素[7]，为今后的缸内直喷氢气发动机的开发丰富了理论基础。目前对直喷氢内燃机的研究主要还是依靠光学测试来进行氢气射流、缸内燃烧等的相关研究，除纹影法外还有LIF、PLIF等方法。且研究一般也是在光学发动机及定容弹中进行。但目前对液氢喷射特性研究较少。

进气道喷射氢气发动机及缸内直喷氢气发动机的共同问题为氮氧化物排放较高，虽然氢气燃烧理论上只生成水，但实际情况氢气是在空气中燃烧，空气中含有大量氮气。氢气燃烧速度快，燃烧温度高，氮气在高温下会变为氮氧化物。针对其氮氧化物排放，主要的控制措施为调整点火提前角、采用稀薄燃烧及EGR技术等。在不同转速与负荷下需设定合适的点火提前角，防止氢气燃烧终了的温度过高，且点火提前角的设定与喷氢相位也密切相关。氢气燃烧极限广，本来就接近稀薄燃烧的范畴，因此稀薄燃烧对氢气发动机降低氮氧化物的排放作用较小。EGR技术无论在何种燃料的发动机中都有明显的降低排放的作用，氢气发动机也不例外。

3  车用氢气发动机未来研究趋势

氢气发动机未来发展还是以提升发动机性能、降低氮氧化物排放、缸内氢气喷射与燃烧特性研究为主。虽然目前制氢、储氢技术发展较快，但想要在常温下将氢气以液态形式进行喷射还是有很大难度，故针对进气道喷射氢气发动机需继续研究提升其性能及排放。进气道喷射氢气发动机制约其动力性的原因前文已提到，因此若想实现产业化应用，必须对性能进行进一步提升，如采用富氧燃烧[8]等。但根据目前研究进展，进气道喷射氢气发动机动力性提升路径极其有限，因此在未来发展中研究人员会减少对其的研究热度。至于缸内直喷氢气发动机，需继续对氢气缸内喷射特性、燃烧发展情况等进行研究，为缸内直喷氢气发动机的缸内气体流动设计等提供依据。此外，考虑到液氢喷射的各种优良特性，需开展对液氢喷射的实验室研究，以便在供氢设备成熟时进行应用。缸内喷射氢气发动机的研究是未来的主要趋势。至于氮氧化物的排放，从目前的研究结果来看，EGR技术有着显著的效果，未来针对氢气发动机降低氮氧化物排放的研究还是会集中在EGR技术上，如采用不同的EGR率、不同温度的EGR、不同压力的EGR等。

但目前制约氢气发动机研究的关键问题，就是提供相关零部件的配套产业极少。当前的氢气发动机基本都是使用汽油机或柴油机的零部件进行改制，其特性往往无法与氢气进行高度匹配。如供氢管路、喷嘴、进气门、火花塞等，进行相关研究的企业极少。所以，在未来若是想大力发展氢气发动机，必须首先从最基本的硬件方面着手，加强对氢气发动机硬件的研究，开发出针对氢气设计的零部件。但由于氢气发动机的产业化前景不明朗，该问题也较难解决。

4  结束语

氢气作为一种替代燃料，拥有其他燃料无法比拟的特性，研究人员针对氢气发动机也作出了大量的研究，解决了其一系列技术问题。但因其产业化前景问题，目前仅有少数机构在继续进行研究，配套产业也严重不足，很大程度上影响了其发展。随着制氢、储氢、运氢、供氢技术的发展，该情况将发生改变，氢气发动机相关的零部件研究产业将越来越多，在不远的将来，氢气发动机将有望实现产业化。

参考文献：

[1]蒋涛，张吉祥，等.氢能的开发与应用前景[J].魅力中国，2014（23）：126.

[2]Wolfram Enke， Manfred Gruber，Ludwig Hecht and Bernhard Staar. The Bi-fuel V12 Engine of the new BMW Hydrogen 7[J].MTZ，2007（6）.

[3]杜明侠，郭浩，等.氢在内燃机上的应用研究[J].华北水利水电学院学报，2013，34（1）：114-118.

[4]张永锋，周仁斌，等.氢内燃机异常燃烧的研究[J].内燃机，2011（4）：54-56.

[5]段俊法，刘福水，孙柏刚.进气道燃料喷射氢内燃机回火机理与控制研究[J].农业机械学报，2013，44（03）：1-5，37.

[6]Xi Wang，Bai-gang Sun，Qing-he Luo et al.Visualization research on hydrogen jet characteristics of an outward-opening injector for direct injection hydrogen engines[J].International Journal of Hydrogen Energy， 2020.

[7]Ho Lung Yip; Ale？觢 Srna; Xinyu Liu et al.Visualization of hydrogen jet evolution and combustion under simulated direct-injection compression-ignition engine conditions[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2020.

[8]付洪宇，柴華，孙柏刚，包凌志.富氧燃烧对PFI氢内燃机性能的影响[J].车用发动机，2020（04）：1-6.