氫能是實現(xiàn)碳達峰與碳中和的最佳能源形式，氫內(nèi)燃機具有零碳排放、高效率、高可靠性和低成本的顯著優(yōu)勢，成為氫能應(yīng)用的重要方向之一。缸內(nèi)直噴氫內(nèi)燃機可有效抑制回火，并顯著提高功率密度，是氫內(nèi)燃機近階段的發(fā)展熱點，引發(fā)國內(nèi)外汽車企業(yè)和研究機構(gòu)的高度關(guān)注。

本文總結(jié)了各類氫內(nèi)燃機的優(yōu)缺點以及相關(guān)直噴氫內(nèi)燃機的技術(shù)途徑及其達到的技術(shù)指標(biāo)，采用廢氣渦輪增壓可使氫內(nèi)燃機的功率密度達到80kW/L，采用高壓縮比、稀薄燃燒可使有效熱效率提升至42%~45%，采用廢氣再循環(huán)技術(shù)等可使氫內(nèi)燃機的唯一污染物NOx降低至0.5g/kWh，并具有達到近零排放的潛力。針對下一代缸內(nèi)直噴氫內(nèi)燃機所帶來的新問題，從混合氣形成、燃燒特性、燃燒模式、有效熱效率提升、NOx控制方法及后處理器等技術(shù)角度分析了開發(fā)現(xiàn)狀及技術(shù)水平，探討了近零排放條件下有效熱效率達到50%的未來技術(shù)發(fā)展趨勢。
氫氣具有質(zhì)量熱值高、燃燒速度快、擴散性好、可燃濃度范圍廣等優(yōu)點，是非常合適的內(nèi)燃機替代燃料。相比于汽油機，氫氣燃燒速度快，更類似于定容燃燒，因此燃燒效率高。氫氣自燃溫度為858K，不易被壓燃，點燃式就成為氫內(nèi)燃機最簡單、最可控的燃燒方式。氫氣的辛烷值為130，燃料抗爆性好，因此氫內(nèi)燃機可以采用比汽油機更高的壓縮比來提高熱效率然而氫氣密度小，在有限的空間內(nèi)需要采用液氫或35/70MPa的高壓進行儲存，燃料攜帶不夠方便。

直噴氫內(nèi)燃機優(yōu)勢  

直噴氫內(nèi)燃機按噴射壓力可劃分為高壓直噴和低壓直噴，低壓直噴的噴射壓力通常在1.5~6MPa，而高壓直噴一般大于10MPa。缸內(nèi)直噴消除了氫氣占用氣缸容積的問題，大幅提升了氫內(nèi)燃機的動力性，直噴氫內(nèi)燃機理論上相比于同排量的汽油機可以提高17%的動力性。相比于進氣道噴射，直噴氫內(nèi)燃機可以在進氣門關(guān)閉后再噴射，避免氫氣回流進入進氣道導(dǎo)致回火在相同工況下，直噴氫內(nèi)燃機可以采用更稀薄的燃燒方式，從而降低了泵氣損失，提升熱效率。

直噴氫內(nèi)燃機動力性比較

直噴氫內(nèi)燃機研究成果  

近年來國內(nèi)外研究機構(gòu)開發(fā)的直噴氫內(nèi)燃機機型和性能排放參數(shù)。從表中可以看出，直噴氫內(nèi)燃機總體熱效率都大于35%，在稀燃條件下的熱效率大于40%。

不同氫氣噴射方式內(nèi)燃機特點比較

直噴氫內(nèi)燃機樣機參數(shù)及性能指標(biāo)

直噴帶來的新問題  

1)直噴后最高燃燒壓力增加，燃燒速度加快，內(nèi)燃機承受高機械負荷和熱負荷的能力受到考驗。

2)考慮到直噴氫內(nèi)燃機工作的過量空氣系數(shù)范圍廣，燃燒和氮氧排放都對過量空氣系數(shù)的變化敏感，因此，工作過程中熱效率和排放存在著強烈的相互制約關(guān)系。

3)氫氣缸內(nèi)直噴噴嘴對流量、密封和耐久特性要求高。

4)直噴氫內(nèi)燃機混合時間短，影響排放、效率和燃燒的穩(wěn)定性。

5)直噴氫內(nèi)燃機中的控制策略復(fù)雜，若噴射相位不合適，排氣中的未燃氫會增加6倍，熱效率也會隨之下降。直噴氫內(nèi)燃機在不同負荷下都對應(yīng)著不同的噴射和點火策略，因此噴射壓力、相位、噴嘴結(jié)構(gòu)都會影響混合氣的形成進而影響燃燒排放。

直噴氫內(nèi)燃機噴射及點火策略

混合氣形成過程研究  

直噴氫內(nèi)燃機中，采用激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、粒子圖像測速(PIV)、和火花引入激光誘導(dǎo)擊穿光譜法(SIBS)技術(shù)可以測試不同曲軸轉(zhuǎn)角下混合氣的形成情況，測量火花塞周圍的濃度分布。

不同噴射相位下點火時刻時缸內(nèi)混合情況

提前噴射的策略能保證缸內(nèi)氣體均勻混合，H.Rottengruber發(fā)現(xiàn)確定提前的時間主要與噴射壓力有關(guān)。采用15MPa單孔噴嘴在上止點前CA40°噴射，到點火時刻上止點時已經(jīng)可以形成非常均勻的混合氣。此外提高噴射壓力后，缸內(nèi)的湍動能增加，貫穿距加長，高壓氫氣射流與上行活塞作用，若為多孔噴嘴，氣流與氣流之間還會相互作用，這樣有利于氫氣的擴散。因此高噴射壓力也有利于均質(zhì)混合氣的形成。研究表明，直噴氫內(nèi)燃機缸內(nèi)最理想的混合氣形成情況應(yīng)該高湍流度的缸內(nèi)均質(zhì)混合氣，高噴射壓力和合理的多次噴射可以促進理想混合氣形成。

氫內(nèi)燃機熱效率  

直噴氫內(nèi)燃機有效熱效率計算公式為:

BTE=ηIRC-ηΔIC-ηΔRC-ηΔICS-ηΔWH-ηΔGE-ηΔF

其中：BTE為有效熱效率；ηIRC為理想循環(huán)熱效率；ηΔIC為不完全燃燒導(dǎo)致的效率損失；ηΔRC為實際燃燒效率損失；ηΔICS為噴射導(dǎo)致的效率損失；ηΔWH為壁面?zhèn)鳠嵝蕮p失；ηΔGE為換氣效率損失；ηΔF為摩擦效率損失。

氫氣燃燒范圍廣，在中小負荷下可以采用稀薄燃燒的控制策略，保證節(jié)氣門全開降低換氣損失，利用低摩擦技術(shù)可以進一步降低摩擦損失，從而實現(xiàn)直噴氫內(nèi)燃機高效運轉(zhuǎn)。如下圖所示，采用高壓直噴的策略可以將效率提升至42%，若進一步降低傳熱損失，采用增壓和Atkinson循環(huán)后，直噴氫內(nèi)燃機的效率有望突破50%。

不同技術(shù)下直噴氫內(nèi)燃機效率

直噴氫內(nèi)燃機氮氧排放控制  

氫內(nèi)燃機的排放從理論上有未燃H2、HC、CO、CO2、NOx等5種，其中排氣中未燃H2的含量主要與混合氣的濃度有關(guān)，試驗證明：當(dāng)混合氣λ＞3時，由于燃燒不充分，導(dǎo)致未燃氫的體積濃度上升至1.2%；λ=4時，未燃氫的占比最高可達1.5%；在λ＜3的工況，未燃氫的體積濃度均小于0.2%。HC、CO、CO2這3種污染物主要是少量機油參與燃燒導(dǎo)致的，這3種排放物濃度都小于20ppm。

NOx作為氫內(nèi)燃機的主要排放產(chǎn)物，是氮氣和氧氣在缸內(nèi)高溫環(huán)境下通過5步反應(yīng)形成的。相比于汽油，氫氣燃燒溫度高，直噴氫內(nèi)燃機的NOx排放最高可達10-2，必須加以控制。內(nèi)燃機的經(jīng)濟性和排放性通常存在trade-off關(guān)系，這里主要討論直噴內(nèi)燃機中在不過多犧牲效率的前提下，降低排放的手段以獲得經(jīng)濟性和排放性之間的權(quán)衡。

EGR技術(shù)  

直噴氫內(nèi)燃機的廢氣主要由水和氮氣組成，通過廢氣再循環(huán)技術(shù)，可以提高進氣的比熱，降低燃燒的速率和溫度，從而降低NOx排放。

直噴氫內(nèi)燃機中EGR的計算方法主要有4種：

1)定容積法，假設(shè)容積效率不變，測量使用EGR前后空氣流量、溫度；

2)進排氣氧濃度計算法；

3)進排氣濕度計算法；

4)測量EGR和空氣流量計算法。

前3種方法隨著EGR率的逐漸增加，誤差都逐漸增大。其中依據(jù)氧濃度計算的誤差量最小，且氧濃度傳感器布置方便，精度更高。最后1種方法主要取決于流量計測量濕空氣的精度，適用于試驗臺架。

噴水技術(shù)  

噴水的原理和EGR類似，但是相比于EGR，噴水不會大幅影響直噴氫內(nèi)燃機的動力性，且噴水可以更精準(zhǔn)的調(diào)控燃燒工質(zhì)、控制燃燒溫度。噴水技術(shù)按噴射方式劃分也可以有進氣道噴水和缸內(nèi)直噴2種。采用進氣道噴水方式時，噴射相位可選為排氣沖程，進氣道的水蒸發(fā)后在下一循環(huán)吸入缸內(nèi)，而采用缸內(nèi)直噴噴水方式時，噴射相位選擇在進氣和壓縮沖程，從而降低混合氣溫度，降低缸內(nèi)燃燒壓力，抑制NOx的生成。

后處理技術(shù)  

利用上述缸內(nèi)手段降低NOx排放后，還需要缸外手段進一步降低NOx排放，使其滿足更嚴格的排放法規(guī)要求。東京城市大學(xué)提出了一種兩段式的氮氧化物儲存還原系統(tǒng)(NOx storage/reduction，NSR)和氧化催化器(diesel oxidation catalyst，DOC)的組合系統(tǒng)。其中利用未燃氫氣或在后處理系統(tǒng)中噴入低壓氫氣在NSR還原NOx，而DOC則負責(zé)氧化未反應(yīng)的氫氣和還原過程生成的氨氣。試驗結(jié)果顯示NOx凈化率可達98%，氫氣消耗只增加了0.2%~0.5%，但過量噴射會導(dǎo)致NH3和N2O的生成。這套后處理設(shè)備在整車上運行的結(jié)果更為可觀，使用NSR的DOC系統(tǒng)后，日本JE05循環(huán)的排放從1.07g/kWh降低至0.08g/kWh。

若氫內(nèi)燃機僅在稀燃工況運行，A.Kufferath提出由氧化催化劑處理未燃氫和少量因機油燃燒生成的HC和CO；利用顆粒過濾器捕集機油消耗產(chǎn)生的顆粒物；利用選擇性還原SCR降低NOx，利用氨氣催化滑移裝置吸收多余的NH3。如下所示，其中：OC：氧化催化器；PF：顆粒補集器；SCR：選擇性催化還原；ASC：氨逃逸催化器；TWC：三元催化器。若氫內(nèi)燃機運行在當(dāng)量比工況，此時排氣中的三元催化器可以還原NOx，氧化氫氣、HC和CO。利用NOx儲存催化器處理多余的NOx排放。在后處理管路中還加入了氫氣濃度傳感器、溫度傳感器和NOx傳感器等，用于測量不同催化器的轉(zhuǎn)化效率。采用串聯(lián)混動的氫內(nèi)燃機NOx排放可低至10~14mg/km，若加入此后處理系統(tǒng)且轉(zhuǎn)化效率達到90%，預(yù)計直噴氫內(nèi)燃機汽車的NOx排放僅為1~2mg/km。

后處理系統(tǒng)

總結(jié)  

典型機型的氫內(nèi)燃機的有效熱效率可以達到35%~45%，熱效率的提升得益于氫燃料自身的優(yōu)良理化特性；進氣道噴射式氫內(nèi)燃機的升功率比缸內(nèi)直噴高20%；氫內(nèi)燃機的主要污染物是NOx，可以采用廢氣再循環(huán)、進氣管噴水、稀薄燃燒等多種途徑降低NOx排放，過量空氣系數(shù)大于2的稀薄燃燒表現(xiàn)出降低NOx的更好潛力；為進一步降低NOx，需要采用后處理技術(shù)，氧化催化器(DOC)+選擇性還原(SCR)是比較好的后處理組合方式；由于燃料屬性的差異，氫內(nèi)燃機也明顯不同于柴油機、汽油機，更應(yīng)從燃料特性出發(fā)來開發(fā)新型氫內(nèi)燃機，也需要建立一個從燃料噴射到排氣后處理的新設(shè)計技術(shù)體系。