2026泰达论坛【向绿而行】丨潘家营：氢能发动机技术与早燃抑制

由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社联合主办的第二十二届中国汽车产业发展（泰达）国际论坛（以下简称“泰达汽车论坛”）于2026年9月17日至9月20日在天津市滨海新区举办。本届泰达汽车论坛将围绕“智绿筑基·生态蓄势·共创共赢”的年度主题，邀请重磅嘉宾展开深入研讨。

在9月20日“向绿而行专题论坛二：汽车绿色低碳与多元技术路线协同发展”中，天津大学教授潘家营发表题为“氢能发动机技术与早燃抑制”的演讲。

以下是演讲实录：

尊敬的吴总，各位老师、领导，今天我围绕氢能发动机的燃烧技术和早燃抑制做报告。

内燃机在国民经济和国防建设中发挥着不可替代的作用，重型卡车、船舶等很多场景无法替代，同时也在面临着发展瓶颈。目前全世界主要创新点在如何节能、降碳这两方面，尤其是降碳。2018年欧洲国家主导提出一揽子计划，设定了2030年减碳55%、2050年实现碳中和的一些目标，目标也在动态变更，可能时间点会提前，日本等对能源比较敏感的一些国家也在积极倡导。我们国家在电动车领域实现了弯道超车，大力的发展新能源、可再生能源，如何实现清洁能源和交通深度融合，是一个非常关键的事情。

从整个行业来看，因为发动机他本身实际上就是一种能量转换装置，主要的问题来自于化石燃料，汽油、柴油属于高碳燃料，产生的二氧化碳比较多。但是内燃机之所以不可替代，是因为功率密度很高，同时燃料适应性很强。汽柴油、生物制燃料、乙醇、甲醇等很多化石燃料都可以燃烧，只不过目前汽油、柴油、天然气是主流，实际上很多其他特定场景下也可以使用一些绿色燃料。国家“十五五”规划中也把绿色燃料，包括氢能、氨和醇作为实现碳中和重要途径。对于氢能发动机，实际上并不是一个最新的技术概念。我们做学术调研的时候发现，在内燃机发展初期，不是用汽油和柴油，是用煤油、瓦斯气体做燃料，最早的时候氢能、氨能都在试用，只不过在发展的过程中因为石油能量密度、燃料特点、常温下液态更好存储、成本方面的很多优势，所以传统化石燃料得到了飞速发展。

在这么长的时间内，也经历了各种环保的要求，也陆续出现了氢能发展的时期。日本曾经也提出宝马7系纯氢发动机，福特也出现过相应的汽车产品。但是到了2018年以后，大家开始注重碳中和，氢能技术进一步被推到舞台上。之所以氢能发动机得到重视和发展，实际上是因为技术有一些突破性的进展，比如储氢，我们知道氢气很难存储，烧的非常快。日本在氢能储运方面做了很多工作，现在高压储存技术相对来说比较成熟。当然还有一些发动机控制技术，像缸内直喷、增压、缸内净化技术也得到了快速的发展。后处理技术在柴油机、汽油机长期发展条件下，我们也可以把这样的技术直接用到氢能发动机上。内燃机电气化实际上也助力了氢内燃机技术的发展。

氢是一个理想的能源，正常来讲理想产物就是水，而且氢气比较清洁，燃烧性能比较好，仅在高复合条件下会出现一些NOX，但是NOX要么采用传统的柴油机后处理技术直接消除掉，或者是我们来控制他的运行工况避免产生NOX，都可以进行消除。技术、成本、续航里程、加油时间上目前大家认为和传统天然气等可以相媲美。现在的汽油机用的途径主要是两种，一种是在汽油机上直接用点火的方式，要么就是在柴油机上，那柴油机上要么采用火花点火，要么就采用柴油微燃方式进行燃烧，这个时候你只需要更换氢气的喷射系统，燃油系统、喷射系统、润滑油、通风等方案进行简单的改造就可以实现，氢气的燃烧的特性值比较高，我们可以采用先进的燃烧控制技术，比如高增压比、稀薄燃烧等。

整体来看，目前氢气发动机燃烧技术基本上集中在三块，一个是传统的进气道喷射，对喷射压力及各种喷油器控制要求不是很高，可以做到很低的成本。但是他有他的问题，因为氢气很容易自燃，着火极限特别宽，所以很容易引起回火早燃和爆震问题。第二就是低压直喷，把氢气直接喷到发动机里面去，但是采用低压喷射，这样的技术可以很好的避免回火，不会在气道内进行回火，价格比进气道成本要高一点。同时也存在早燃以及爆震问题，并没有抑制住。第三就是高压直喷，优势是可以组织扩散燃烧，边喷边燃烧，这样可以抑制一些异常燃烧。但是成本比较高，而且目前喷油器关键的零部件现在做的并不是很成熟，可靠性没有那么高，所以目前进气道喷射低成本，大家用的也比较多。低压直喷技术目前也是大家投入的一个技术，通过少量柴油引燃，实现氢气燃烧，最高热效率基本上做到了51%以上，同时有很好的排放性能。

今年上半年我们一个重点研发项目，做到48%的热效率，但是没有用到高压直喷，就是低压直喷的一套系统。没有用这种高成本技术，但是也取得了很好的效果。实际上氢发动机有很多个过程，不同于传统的汽油机和柴油机，换燃料有很多过程需要进行折中。首先经济性，就是我们讲的热效率，怎么把热效率做高，同时动力性实际上是有衰减的，因为喷的氢气基本上都是属于气态的，和汽柴油液态相比无论加速性、能量密度、动力性还是有变化的。还有进气，我们进气效率也有所降低，氢气因为需要大量的空气进去，大量的氢气进去维持动力性，这个时候增压有很多部件或者是过程需要调整，当然我们还需要再进行一个排放的优化，所以说需要综合考虑多个方面的折中。实际上基于缸内直喷技术或者增压稀薄燃烧技术是目前氢发动机用的主要的燃烧控制技术，很多企业基本上都实现了这种有效热气流大于42%的氢发动机，对于点燃小缸径的发动机来讲，热效率最早的时候大概在38%左右，经过这几年大概42%左右，对于重型大缸径来讲基本上可以做到46%-48%区间，未来我们的目标就应该做到50%以上，我们可能会把现有的技术再进行进一步的优化。

氢有它的特点，氨、氢不适合宽工况运行，小负荷、大负荷的宽工况条件不是很擅长。如果点工况，它的燃烧效率、排放等还是比较可观的。近年来行业讲能不能将这种新型的燃料和混动进行结合，这样既采用了电来弥补绿色燃料小负荷、大负荷存在的问题，同时利用绿色燃料的特点实现降碳。国内建立氢涉的实验室是非常困难的，尤其是在企业。天津大学是最早建立氢实验室平台的，采用的低压直喷燃烧技术，实现了热效率大概44%，现在做到46%以上。我们在做的过程当中也发现了两个问题，运行区间是非常窄的，不仅受到爆震的抑制，再往上就出现了很强的爆震；另外就是进气能力，这时候再怎么增压进气也供不上，两个技术瓶颈和传统汽油机、柴油机明显不同。

我们针对这个问题也提出了一些研究思路，比如采用多进气门，采用三进气门和两排气门。另外，我们知道重型发动机基本上采用柴油机，柴油机组织的是涡流，柴油机喷进去要进行混合，要采用涡流进气系统，如果在重型发动机上烧氢气的话会产生一个问题，采用是柴油的台架，火焰前期传播相对比较慢，我们想能不能组织复合湍流，在燃烧区组织涡流，这样在前期燃烧的速率会增加，我们也需要涡流，因为在后期的时候如果不组织很强的湍流，会在末端发生自燃爆震，如果保持这样一个涡流，就会很好的抑制自燃的发生，那我们就复合符合燃烧系统，实现燃烧性能的提升。

另外一个就是氨制氢。如果在车上用高压氢存储的话，很快氢气就烧完了。氨是存氢载体，用氨罐来携带，用的时候用氢，利用车上的余热来进行氨制氢。我们也设计了这样的实验装置，基本实现了90%以上的氨分解制氢，能量转化效率40%，比直接用氢燃料成本也是非常好的，后期尤其是在卡车、船舶稳定的工况我们可能会推这样的技术。

氢发动机产品采用是稀薄燃烧，不会采用当量燃烧。但是有一个问题，就是早燃。氢气早燃和传统的汽油不太一样，传统的汽油一旦发生早燃会产生很强烈的超级爆震，因为汽油采用的是当量燃烧。氢气早燃不会产生爆震，但是会产生很高的爆压，这样对火花塞、燃烧室都有破坏作用，而且这种早燃是不可预见性的，随机发生的。我们研究了当量比对早燃的影响，做了很多的优化，这些参数的优化有助于抑制早燃，但是并没有从根本上抑制住早燃。而且早燃发生的位置在火花塞周围，但是我们没有判断是由火花塞引起的，还是周围的热点引起的，目前原因很复杂，也没有得到很明显的规律。但是我们做了一点，就是我们在优化完控制参数之后，对润滑油这一点进行了详细的分析，因为我们发现我们特意往发动机上涂抹一些润滑油的时候，早燃和爆震的问题就非常明显，所以我们认为这是很重要的来源。我们做了很多配方，看这些添加剂早燃倾向有什么样的影响。实验统计，有7款容易发生早燃，11款不容易发生早燃，获得的基本信息就是，钙和镁加上之后有助于增强氢发动机的早燃，尤其是钙效果更加突出，添加锌的抗磨剂会抑制早燃，其他的抗磨剂他可能会促进氢发动机的早燃。这样的规律和传统的增压直喷汽油机规律有些相同，但是有很多不一样的地方。另外做基础研究之后，要在实际发动机做测试，我们把润滑油放在发动机上，之前需要分析怎么来判断早燃。原来我们认为火花塞点火之前用早燃，我们给氢发动机早燃做定义就不太准了。我们采用了两种，早燃累计发生率达到5%，这是一个指标；第二，我们还采用了最大的爆发压力，最大爆发压力如果明显高于正常的燃烧，我们也认为是早燃。这两个指标同时考虑，我们就可以得到一个很好的判断标准，如果用单个标准判断的话，早燃会好很多，就会有很多错判，如果用最大爆压也不准，用两个加在一起去判断可以获得一个很好的评判标准。

那通过这样的评判标准，我们对每个缸都进行3万个循环测试，大家可以看到早燃的发生，尤其是三和四缸发生的比较少，一和六缸发生的比较多。我们发现刚换上润滑油的时候，可能有的时候会减少，越运转越多这样一些规律。我们同时对三种润滑油进行了测试，对三种低灰分的高灰分的，包括六个缸都进行了统计，同时我们对3万个循环也做了均分，前半段我们认为1万个循环，中间是1万到2万，后期就是1万到3万。目前来看我们获得的规律就是低灰分。润滑油是否干净实际上并没有获得一致的讨论，目前来看原机的润滑油和低灰分的润滑油早燃是差不多的。我们发现边缘的缸，像一缸和六缸，重型发动机发生就比较多，这和发动机热管理比较相关，那这样的一个重型的规律其实实际上就是说对我们有一个很大的参考。我们经过润滑油统计，最后我们做到了1000个PPM以下，就是1000次里面只允许发生一次。

现在存在两个问题。第一个问题是这样的工作非常的难，属于破坏性实验，现在我们做这样的实验，一下就可以把火花塞熔掉；第二就是润滑油，目前还没有明确对氢气发动机润滑油有什么影响，后期我们可以再进一步探索。

这就是我做的报告，谢谢大家。

本文根据泰达汽车论坛现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅，仅供参考。