氢燃烧特性对氢内燃机性能的影响

李星国

（北京大学化学与分子工程学院，稀土材料化学及其应用国家重点实验室/北京分子科学国家研究中心，北京100871）

　　摘要：氢能开发是“双碳”战略中的重要一环，目前氢能主要是通过氢燃料电池把化学能转变成电能的形式得以应用。与此不同，氢内燃机则是将氢能直接转变成机械能，应用在交通、机器运转、发电等众多领域，对氢能发展具有重要的推动作用。氢内燃机与传统内燃机的最大区别是用氢气取代传统的化石燃料，因此，氢气的燃烧特性对内燃机的性能具有很大影响，对内燃机的结构也提出新的要求。至今从氢燃烧特性的角度去理解氢内燃机的研究不多，为此，文章尝试从氢气燃烧特性的角度出发理解氢内燃机的性能，并重点对氢内燃机的热效率、输出功率、NO_x排放、异常燃烧等性能进行分析和讨论。结果显示，氢内燃机比传统内燃机和氢燃料电池在节能减排、输出功率、成本等方面具有更加优异的综合性能，是氢能-电能转换的另一种有效的方法。氢内燃机的发展也能促进氢能的大规模应用，其性能受到氢气燃烧特性的影响，氢燃烧特性的控制对氢内燃机性能的提高非常重要。

　　氢气以其清洁、高效燃烧和几乎零排放的优势成为化石燃料的理想代用燃料。氢气作为发动机燃料主要有两种转化形式：一种是通过内燃机实现氢分子的燃烧，将化学能转化为机械能发电；另一种是通过氢燃料电池实现氢气直接转变为电能[1-3]。氢燃料电池有质子交换膜燃料电池（PEM fuel cell,PEMFC）、固体氧化物燃料电池（solid O_xide fuel cell,SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（molten carbonate fuel cell,mCFC）等，其中PEMFC能在车辆、船舶、飞行器等众多领域使用。本文将仅以PEMFC为例进行比较。

　　氢燃料电池不同于氢内燃机的直接点燃式，而是采用氢气和氧气以一种非燃烧的形式发生氧化还原反应，反应过程释放出电能。氢燃料电池的产物只有水，对环境无污染，且不受卡诺循环效率的限制，能量转换效率高。此外，电池中没有运动部件，噪声低。如果制氢过程采用绿色可再生方式，那么整个循环将不产生有害物质，因此制氢过程成为氢燃料电池的开发重点。

　　另外，氢燃料电池仍有很多关键技术尚未突破，目前的生产成本极其高昂。氢燃料电池的催化剂是金属铂，其产量很低且价格昂贵[4-6]。氢燃料电池的另一个核心技术“质子交换膜”，截至目前，全球仍依赖美国杜邦公司商业化供应。核心技术、催化剂资源、成本上的限制，以及基础设施及其维护的缺乏等制约了氢燃料电池的产业化发展[7-9]。

　　相对于氢燃料电池，氢内燃机（hydrogen internal combustion engine,HICE）只需对传统内燃机做少许改动就可以直接燃烧氢气，能利用100多年积累下来的内燃机技术，沿用相关的设备、工厂和就业人员，不论技术和成本都有很大的优势。与质子交换膜燃料电池相比，氢内燃机在输出功率、燃料供给、产业积累、能源效率等方面具有明显的优势（表1），更容易实现产业化。

　　英国学者里卡多（Ricardo）和伯斯托尔（Burstoll）率先对氢发动机的燃烧及工作过程进行了详细的研究，鲁多夫·埃伦（Rudolph Erren）随后提出在氢内燃机中采用混合气[10-12]。日本武藏工业大学与日产（Nissan）公司从1974年开始合作研制“武藏1号”氢燃料汽车[13-15]。德国大众和宝马、美国福特、日本马自达和丰田都已推出氢内燃机汽车，证明氢内燃机具有良好的动力性、经济性和实用性[16-18]。日本川崎重工正在开发适合陆地、海上和空中移动应用的氢内燃机，例如用于两轮车、船舶和飞机，并考虑联合雅马哈汽车共同开发用于摩托车的氢内燃机。本田汽车公司和铃木汽车公司也计划加入，它们打算共同探索通过在两轮车上使用内燃机实现碳中和的可能性[19-23]。

　　中国氢内燃机的研究相对滞后，目前是以大学为主，企业的参与不多。近些年来，华北水利水电大学、北京理工大学、浙江大学、长安大学都在氢内燃机燃烧与优化控制、废气排放等方面取得了不小的进展。2017年国家工信部联合发改委和科技部发布的《汽车产业中长期规划》将氢内燃机车纳入其中。近年来，北京航天试验技术研究所、长安汽车、中国北方发动机研究所等单位也加入到氢内燃机的研究开发中[24-26]。

　　至今对氢内燃机的讨论大多是从内燃机工作循环组织（燃烧时刻缸内流动状态、混合气状态，传热特性、机械摩擦损失，热负荷、机械负荷优化措施等）方面开展的，已经取得了重要成果。本文从氢气燃烧特性出发介绍氢内燃机，包括内燃机的热效率、有害物排放和稳定性，以期可以加深对氢内燃机的理解。

　　1氢内燃机结构系统

　　氢燃料内燃机保留了传统内燃机的基本结构，沿用曲柄连杆机构、配气机构、固定件等结构形式。另外，根据氢燃料的特点，对燃料供应系统、控制与管理系统、燃料燃烧系统和局部零部件进行改进设计，主要增加了氢燃料发动机控制系统和发动机氢气供给系统。氢气供给系统主要包括氢气瓶、减压阀、氢气过滤器、氢气稳压气轨、氢气温度传感器、氢气压力传感器、氢气喷射阀和氢气引管。根据氢燃料喷射位置的不同，氢燃料内燃机可以分成缸外喷射式（外部混合式）和缸内直喷式（内部混合式）两种（表2），缸内直喷式又分压缩前期（低压）喷射和压缩后期（高压）喷射（图1）[27]。

　　为了控制氢发动机的燃烧，氢气的供给方式以及氢气和工作气体的混合过程很重要，需要适当控制、管理氢气和工作气体的混合状态。图1是以氢为燃料的往复活塞式内燃机的代表例子。图1（a）是开放式预混合氢发动机，大多是在汽油机基础上开发的，预先把氢气注入到进气管道内与空气混合（外部混合）。这种结构的氢内燃机输出功率小，因为进气管道内注入的氢气量不多。与此不同，图1（b）～（c）采用的是喷射式结构，直接向发动机气缸内增压式注入氢气，比非增压式预混合方式增加4成以上氢气量和输出功率[27]。另外，使用氢气体喷射器直接喷射可以人为控制氢气与工作气体的混合状态，提高氢气注入时刻的准确性，从而避免由火焰逆流到进气管中的回火现象以及由此引起的引擎损伤等严重危害，这是直接喷射方式的一大优点。

　　2氢气与主要车用燃料的性能比较

　　图2是氢气与几种燃料质量能量密度和体积能量密度的比较。氢气是一种质量能量密度高，但是体积能量密度低的燃料，为此现在正在开发高压储氢、固态储氢、有机液体储氢等高容量储氢方法。

　　氢气在常压空气中的最小点火能量和消焰距离分别约为0.02mJ和0.6mm，而甲烷和丙烷的约为0.25mJ和2mm。相比之下氢气的点火能量和消焰距离要小很多，即着火性要强很多，可被非常微弱的静电火花点燃，且穿透力强[29]。氢气和空气的混合物非常容易被点燃，即使是几乎不可见的火花，甚至干燥天气中人体的静电都有可能使之点燃（人体的静电能约为15mJ）。此外，H₂的电导率很低，容易积累电荷导致火花，因此所有运送氢气的容器都必须可靠地接地。

　　氢气燃烧反应的时间比氢气在空气中的混合时间短得多，氢气燃烧的决速步骤是氢气的扩散，所以氢气的燃烧也称为扩散火焰。火焰长度与喷口的直径、压力有一定关系。氢气燃烧的火焰中仅含有氢、氧、水以及不稳定的含羟基的中间产物，不会出现微小的固态碳化物颗粒，不会形成黑体辐射或被电磁波捕获，同时燃烧温度高、火焰短，火焰呈淡蓝色（不会出现红色或橘黄色）且难以被观察到[30]。

　　氢气的燃烧类型有A、B、C三种分类方式（表3），常见的分类是层流燃烧及湍流燃烧。气体燃烧的速度可分为层流燃烧速度和湍流燃烧速度，后者比较复杂，往往比前者快很多[28]。

　　与其他车用燃料和碳氢化合物燃料相比（表4），氢气具有不同的物理和化学性质[31-32]：分子量小，但单位质量的热量大；可燃范围比其他燃料大很多，燃烧速度也快得惊人，最小点火能不到甲烷和汽油的1/10，在以火焰传播燃烧为主体的点火装置中，即使在非常稀薄的混合状态下氢气也可以点火，且能快速完全燃烧；空气等工作气体的混合状态不同，燃烧速度和燃烧产物等特性可能会有很大的变化。由于氢气易于引火和燃烧，如果不能很好地控制氢气燃烧，内燃机中的过热点和润滑油等燃烧残渣处会产生难以预测的点火，导致急剧发热反应和异常燃烧，这也是氢内燃机最大的技术难关[33]。

　　3氢气燃烧特性与氢内燃机的相关性

　　3.1内燃机中氢气与汽油燃烧的差别

　　氢气的摩尔热容比甲烷、汽油、柴油等要小很多（即便换算成燃烧产物的热容也如此），同样的热量，氢气燃烧的温度升高更明显，这是氢气燃烧的特点。

　　从燃烧反应也可以理解这一点。汽油的主要成分是C5～C12脂肪烃和环烷烃，为了简单起见，我们以C₈H₁₆来计算汽油的燃烧。以燃空当量比燃烧时，会由13个分子变成16个分子，是分子数目增加的化学反应，燃烧反应为：

　　C₈H₁₆+12O₂=8CO₂+8H₂O。（1）

　　而氢气以燃空当量比燃烧时，由3个分子变成2个分子，反应方程式为：

　　2H₂+O₂=2H₂O。（2）

　　由理想气体方程式（PV=nRT）可知，内燃机气缸中的反应可以近似为定容反应，燃烧热转化为活塞做功为：

　　W=VΔP=R·Δn·ΔT。（3）

　　由式（3）得出，燃料燃烧做功的大小取决于分子数目和温度的变化。同样的热量转为功时，氢气燃烧因分子数目的减少，会使每个分子动能有更大的增加，温度升高明显；而汽油燃烧时，因为分子数目增加，平均每个分子的能量提高减少，所以温度升高不如氢气明显。由此我们可以简单地理解两者的燃烧区别在于氢气燃烧提高温度的效果明显，而汽油燃烧提高分子数目的效果明显。

　　3.2氢内燃机的热效率和输出功率

　　3.2.1热效率

　　氢内燃机除了可以实现CO₂减排外，另一个优势就是热效率比汽油和柴油内燃机高。这一点可以从几个方面来理解：①氢气燃烧的温度高，卡诺循环热效率高；②内燃机压缩过程中气体温度升高与压缩比有关，氢气的自燃温度高，不容易自燃，所以可以采用较大的压缩比，做功区间大；③氢气气态混合均匀，氢气的燃烧速度为270cm/s，是其他燃料的近10倍，燃烧速度快使得燃烧的等容度上升，在理论燃空比接近于定容燃烧时，氢内燃机更接近理想发动机循环；④氢气燃烧快，相当于一种脉冲的推力，不会因燃烧延迟引起效率下降；⑤氢在燃烧时有较短的淬熄距离（0.64mm），是汽油的1/3，较小的淬熄距离使火焰传播到接近气缸壁，甚至达到活塞余隙，燃烧更完全。这些都有利于提高热效率。

　　直喷氢内燃机总体热效率都大于35%，在稀燃条件下的热效率大于40%，而通过降低热损失有望获得大于50%的热效率[34]，比汽油热效率高15%~25%，逼近甚至超过氢燃料电池的效率，这是氢内燃机的另一个重要优势[35]。同时，缸内最大压力较原机提高了14%。在氢内燃机压缩冲程后期高压喷射供氢，气缸内压力较高（通常在8~10mPa），其压缩比提升为12~15，可以显著提升发动机的性能[36]。

　　3.2.2输出功率

　　氢气的质量能量密度低热值是120mJ/kg，而汽油的低热值只有43.5mJ/kg。在质量相同条件下，氢燃料比汽油产生的能量多，加上氢燃料发动机效率高，燃烧相同质量的燃料，氢内燃机比汽油机的续航里程要远得多[37]。然而氢气的体积能量密度为10.8mJ/m³，不到甲烷（33.0mJ/m³）的1/3，与汽油以及柴油的气体相比能量密度更小，所以要获得同样的输出功率，需要提高氢气的体积（或压力）。在进气道喷射结构中（图1（a）），H₂与空气在进气道混合会占用气缸容积，在化学当量比下可以达到30%，而汽油大约为1%~2%。氢气的体积也不能通过压力来调控，因为相比其他燃料会导致功率下降，同时易发生回火和早燃等问题。为此，直喷式结构内燃机更受关注。缸内直喷式结构（图1（b）~（c））通过高压喷入氢气来提高氢气总量，就可以提高输出功率。

　　氢内燃机通过缸内高压直喷氢气可以获得4.53mJ/m³的能量密度，比汽油的3.82mJ/m³还要高。喷入的氢气量与压缩的氧气量的比也可以调控，通入理论空气当量的氢气时发热量是汽油的1.17倍，在空气过剩率高时理论输出功率也是汽油的1.17倍（图3）[38]。

　　氢发动机的理论最大输出功率取决于空气-燃料比和燃料喷射方法。当氢内燃机采用化学计量的空气-燃料比时，燃料的喷射方式决定了氢发动机的最大输出功率是比汽油发动机高15％还是低15％[39]。但是，采用化学计量的空气-燃料比，燃烧室的温度会很高，产生大量的氮氧化合物。由于使用氢发动机的重要原因之一就是为了减少污染排放，氢发动机不能简单地按照化学计量空气-燃料比来运行。通常情况下，氢发动机的设计要求使用完全燃烧所需空气量的2倍，这样可使氮氧化合物排放量几乎为0，但是，这样也使得氢发动机输出功率降至相同尺寸汽油发动机的一半。为了补偿这部分功率损失，氢发动机就得比汽油发动机尺寸大，并且配备涡轮增压器。

　　3.3NO_x的排放

　　氢气与氧气的反应是剧烈的放热反应，由于空气的参与，除了O₂+2H₂→2H₂O以外，还会导致一些副反应，产生有害物质[40-41]。比如氮气和氧气在高温氢气燃烧条件下会产生NO_x，其反应如下：

　　O+N₂→N+NO，（4）

　　N+O₂→O+NO，（5）

　　N+OH→H+NO。（6）

　　理论上氢内燃机的唯一有害排放物是NO_x，但实际也有少量机油参与燃烧产生的HC、CO、CO₂污染物，只是这些杂质气体的含量都小于20ppm（1ppm=1×10-6）。尽管氢气的燃烧速率高，火焰淬熄距离小，但也有未燃的H₂，其含量主要与其混合气的含量有关（当燃空比>4时，最高可达1.5%）。研究表明，NO_x包含NO、NO₂和N2O等成分，其中NO占主导地位。整个高负荷区，NO占全部NO_x排放的97%以上[34,42-43]。

　　NO、NO₂等氮氧化物的形成是很强的吸热反应，自由能变化大于零很难进行，往往只有微量形成（图5）。但如前所述，氢气火焰传播速度快、热值高、比热小（约为汽油的1/8）等特性使得氢气-空气混合气燃烧过程中放热集中且温度高。燃烧温度高会导致原本不活泼的氮气与氧气发生反应，生成较高浓度的NO_x。依据泽尔多维奇机理，在燃烧的过程中氢内燃机产生的NO_x排放随着温度的升高和氧浓度的增加呈指数型增长，而产生的CO排放则在1800K附近有一个最小值（图5）[44]。CO和NO_x都可以低排放的最佳温度区间在1680~1900K，然而氢气燃烧温度在2000K以上，这就不可避免地引起NO_x超标排放的问题。直喷氢内燃机由于喷射时刻晚，H₂与空气的混合时间短，混合气浓度分布不均匀，NO_x最高甚至可达8000ppm[45-46]。

　　燃空当量比对缸内的燃烧影响很大。图6是不同压缩比等速压缩下，NO_x排放量随燃空当量比的变化。在燃空当量比<0.4的稀燃状态，NO_x非常小几乎为零；在0.4~0.6之间，随着燃空当量比的增加NO_x非常缓慢地增加；在>0.6之后，随着燃空当量比的增加NO_x迅速增加，大体在0.8处达到最大值，随后逐渐下降。此外，NO_x排放随压缩比的增加，也会进一步增加。

　　燃空当量比较大时，滞燃期和燃烧持续期短，缸内工质的等容度更高，燃烧产生的最大压力和温度迅速上升，有利于提高氢燃料内燃机的效率。同时，迅速地燃烧放热产生的缸内高温必然会导致排放大量的NO_x。氢内燃机面临的一个最大问题就是如何解决NO_x的排放随着动力的增加而增加，这也是限制氢内燃机推广的关键问题之一。

　　如果把当量比控制在0.6以下，就可以大幅度降低NO_x的排放，同时也抑制了早燃和回火，因此通过稀燃可以改善氢内燃机的性质。氢气的可燃极限极广，在空气中可燃范围为4.0%~75%，按照体积比粗略换算成燃空当量比为0.1~7.6，而且在高温高压下还会进一步展宽。这使得氢内燃机的燃烧与排放控制有更大的灵活性，不需使用分层燃烧技术即可实现稀燃，也允许氢内燃机使用质调节的负荷控制策略，显著降低泵气损失。过量空气系数越大，气体越容易混合均匀且燃烧完全。气体热容大则燃烧升温小，燃烧速度快则持续时间越短，因此燃料稀混合气时既可以提高热效率，也可以降低NO_x排放。但是燃烧温度和压力的下降，也势必引起输出功率下降。为了既保证低的NO_x排放，也保证足够输出功率，氢内燃机的当量比大多在0.6左右，并根据负荷的状况来调控燃空当量比。

　　3.4早燃、爆燃、回火

　　由于氢气的燃烧特性，若按照传统内燃机的理论来构建氢内燃机的混合气形成和燃烧，就会出现异常燃烧，这是氢内燃机的一个瓶颈。最棘手的异常燃烧要数早燃、爆燃和回火。早燃和爆燃是氢气在火花塞点火前后由某一炽热点引起的氢气自燃现象，也是氢气不能在以往的内燃机上直接使用的一个主要原因。氢气的最小点火能（0.02mJ）比汽油的（0.25mJ）小得多，意味着氢内燃机可以燃烧稀混合气且保证了快速点火。点火能低也使气缸里局部温度高的点成为着火点，引起自燃。

　　氢内燃机气缸内气体温度高，对提高气体压力、增加输出功率有帮助，但是过高的温度会引起早燃、爆燃以及回火等问题，也会使排气温度高，热能消耗大，同时高温使气缸内器件烧损严重，并增大NO_x浓度。因此，氢内燃机燃烧过程中的过热控制非常重要。

　　在高压缩比、高负荷下，缸内高温容易造成某些炽热点，引起早燃。早燃会引起4个冲程的相位失调，导致内燃机效率低下，内燃机运行不平稳。早燃也容易引起回火，尤其是在进气道外混式氢内燃机中更明显。氢气的点火能量低、着火界限宽、火焰淬熄距离小、火焰传播速度快以及缸内压力升高率大等对于输出功率是有利的因素，同时也成为氢内燃机的早燃问题比传统内燃机严重得多的原因。进气道喷射式氢内燃机未能大面积推广的主要原因就是氢内燃机的早燃、回火和爆燃等异常燃烧问题。

　　目前抑制和消除早燃和回火的常用方法有以下4种[3]：

　　（1）保证气缸的严格清洁，采用相对较冷的火花塞、更狭小的火花塞间隙和合适的压缩比。

　　（2）采用稀燃、废气再循环抑制回火的产生。进入气缸的废气可以降低热点的温度，减少早燃的可能性。同时，废气再循环降低燃烧的最高温度，减少了NO_x的排放。

　　（3）采取有效措施降低进气温度，如喷液态氢气、喷水或喷射冷空气。

　　（4）采用缸内氢气喷射方式，在进气形成后期使氢气直接喷射进入气缸，换气过程中新鲜空气对燃烧室的冷却作用大大减少了不正常表面点火的发生，使得内燃机运转平稳可靠。另外，采用进气歧管多点氢气喷射系统，能够减少早燃和回火问题的发生。

　　3.5气缸中的氢气扩散速度和燃烧速度

　　氢气在空气中的扩散速度最快，其扩散系数为0.61c㎡/s（1atm,20℃），如果在空气中泄露，会比汽油扩散快1.6倍，能很快扩散开并达到燃烧的浓度。然而在内燃机中，转子转速很快（1000~3000r/min），即便以1000r/min的转速，一圈也仅仅需要0.06s。相比之下，氢气的扩散速度就显得很慢了，喷入气缸的氢气由于浓度差引起的扩散混合几乎可以忽略，气缸中的氢气和空气混合主要靠喷入的气流实现。因此，喷嘴的形状、节点以及点火的时间控制对于氢气和空气的混合均匀燃烧十分重要，也成为控制氢气燃烧的主要途径。

　　与氢气的浓度扩散不同，氢气的火焰传播速度高达270cm/s，是汽油燃烧时的6倍，远高于其他燃气。火焰引起的燃烧扩散远大于浓度差引起的扩散。日本产业技术综合研究所牵头与川崎重工业等单位合作在火焰扩散燃烧的研究中取得令人惊异的成果，确立了大型商用氢内燃机的新型燃烧方式——“PCC燃烧”（(plume ignition and combustion concept，过浓混合点火）技术（图7），可以实现高功率、高热效率、低NO_x排放。日本产业技术综合研究所和川崎重工业等开发的大型商用氢发动机的新燃烧方式，其特点是燃烧室内喷射的氢气喷流在扩散前的区域点火使其燃烧，然后通过点火引起的火焰传播燃烧。抑制火焰与缸壁碰撞，可以减少冷却损失。通过喷射与点火间隔的有效控制和排气以及废气再循环利用（(exhaust gas recirculation,EGR），最大净热效率达到54%，NO_x排放量低至20ppm[48]。

　　氢气的燃烧速度大也有利于提升内燃机转速。张勇等[49]的研究结果表明，纯氢燃烧2ms开始反应，5ms达到高峰，7ms完成，实际燃烧时间仅5ms，对应着4冲程内燃机的6000r/min转速。纯的甲烷是40ms达到最大值，60ms才完成，燃烧速度慢5~10倍。天然气中添加H₂可以明显提高燃烧速度和内燃机转速。

　　4结论

　　氢内燃机在热效率、输出功率、启动性等性能方面，以及成本和维修等经济方面都显示出优势，可以提供一种不同于氢燃料电池发电的新途径，对于氢能发展有重要价值。

　　氢气的热值高、比热小、火焰传播速度快，燃烧引起的温度升高效果比增加压力的效果更显著，导致NO_x排放增加，因此需要在不减小压力效果的前提下抑制温度升高。氢气压缩温度上升快和点火最小能小是氢内燃机更容易出现早燃等异常燃烧的主要原因。

　　氢气易燃、燃烧温度高、内燃机气缸内的燃烧时间短等特点，要求在控制方面有很高的技术，为此需要对氢气的燃烧和控制有更多研究和理解。