《氢内燃机》是《氢能利用关键技术系列》之一。氢能是未来的理想能源，在氢能利用中一直存在燃料电池与内燃机两种技术路线，氢内燃机是氢能动力的重要类型之一。本书总结概括了氢内燃机的基础理论及学术研究成果，主要内容包括氢内燃机开发的必要性和紧迫性、氢气性质与燃烧基础、氢空混合气形成、燃烧与性能、排放污染物生成及控制、氢内燃机及车辆设计、氢内燃机测试技术、氢气掺混燃料，最后简述了其他类型的氢能动力。
本书可供从事氢能动力、车辆及内燃机等专业的技术人员、高等院校相关专业师生参考，还可作为内燃机工程、车辆工程等专业的研究生教材，也可供从事能源与动力领域的管理人员及相关读者阅读。

第1章绪论 1
1.1能源与燃料 1
1.1.1化石能源 1
1.1.2可再生能源 4
1.1.3生物能源 5
1.1.4能源载体 6
1.2氢能 6
1.2.1氢气制备与生产 6
1.2.2氢气储存 8
1.2.3氢气运输 9
1.2.4氢能应用 9
1.3汽车行业发展趋势与问题 10
1.3.1汽车保有量及发展趋势 10
1.3.2汽车发展面临的主要问题 11
1.3.3主要技术对策分析 11
1.4动力技术发展趋势与问题 13
1.4.1中国内燃机工业发展情况 13
1.4.2氢内燃机技术进展 13
参考文献 15

第2章氢气性质与燃烧基础 17
2.1氢气的物理化学特性 17
2.1.1氢气理化参数及分析 17
2.1.2氢气的可压缩性 19
2.2着火与点火 23
2.2.1着火特性 23
2.2.2点火能量 23
2.3层流与湍流燃烧特性 24
2.3.1氢气层流燃烧特性 24
2.3.2氢气湍流燃烧特性 26
2.4氢-空混合气燃烧机理 27
2.4.1典型燃烧机理 27
2.4.2化学反应机理验证 28
参考文献 29

第3章氢-空混合气形成过程 31
3.1氢气喷射方式 31
3.1.1氢气喷射方式比较 31
3.1.2进气道氢气喷射 33
3.1.3氢气缸内直喷 34
3.2氢气喷嘴 34
3.2.1电磁阀驱动式 35
3.2.2压电晶体驱动式 35
3.2.3氢气喷嘴的开发难点 35
3.2.4喷嘴动态工作特性 37
3.3氢气喷射特性 39
3.3.1氢气射流特性理论基础 39
3.3.2氢气射流特性试验平台和测试方法 42
3.3.3典型PFI喷嘴射流特性 43
3.3.4典型DI喷嘴射流特性 46
3.4混合气形成数值模拟 47
3.4.1均匀性评价 47
3.4.2典型喷射模型计算基础 48
3.4.3进气道氢气喷射与混合 49
3.4.4缸内氢气直接喷射与混合 52
参考文献 54

第4章氢内燃机燃烧与性能 56
4.1点火方式 56
4.1.1火花点火 56
4.1.2压缩着火 57
4.1.3柴油微引燃 57
4.2氢-空混合气缸内燃烧特性 57
4.2.1缸内燃烧阶段划分 57
4.2.2不同工况燃烧特性 60
4.3氢内燃机的循环变动 71
4.3.1循环变动评价方法 71
4.3.2循环变动特性 71
4.4缸内燃烧数值模拟 74
4.4.1一维性能模拟 75
4.4.2三维燃烧仿真 76
4.5氢内燃机的异常燃烧 77
4.5.1回火 77
4.5.2早燃 79
4.5.3爆震 81
参考文献 84

第5章氢内燃机污染物生成与控制 87
5.1氢内燃机污染物排放特性 87
5.1.1NOx生成机理 87
5.1.2氢内燃机NOx排放特性 89
5.2NOx排放控制方法 90
5.2.1混合气浓度控制 90
5.2.2喷射和点火优化 91
5.2.3废气再循环 92
5.2.4喷水技术 95
5.3后处理器 95
5.3.1类柴油机后处理系统 96
5.3.2类汽油机后处理系统 96
5.4排放控制策略 97
5.4.1BMW控制策略 97
5.4.2三级跨越式控制策略 98
5.4.3超低NOx排放控制策略 99
参考文献 100

第6章氢内燃机及车辆设计 102
6.1氢内燃机热力学开发 102
6.1.1燃烧系统设计 102
6.1.2配气相位优化 104
6.2系统及零部件开发 105
6.2.1点火系统 105
6.2.2喷射系统 105
6.2.3冷却系统 105
6.2.4润滑系统 106
6.2.5曲轴箱通风系统 107
6.2.6电子控制系统 107
6.3氢内燃机增压匹配 108
6.3.1氢内燃机增压的难点 108
6.3.2压气机与涡轮选型 109
6.4设计实践案例 112
6.4.1增压直喷氢内燃机动力性提升 112
6.4.2增压直喷氢内燃机经济性优化 115
6.5氢内燃机材料 116
6.5.1氢脆与氢腐蚀 116
6.5.2防控策略 117
6.6车载储氢与供氢系统 118
6.6.1车载储氢系统 118
6.6.2车载供氢系统 119
6.7氢内燃机混合动力系统 120
6.8氢内燃机及车辆安全 121
6.8.1整机安全要求 121
6.8.2车辆安全要求 122
6.8.3氢内燃机TCO分析 123
参考文献 123

第7章氢内燃机测试技术 125
7.1氢内燃机测试 125
7.1.1实验测试台架系统及要求 125
7.1.2试验常用参数计算方法 127
7.1.3燃烧压力测试与修正 128
7.1.4主要性能及排放测试 131
7.2零部件及专项测试 133
7.2.1氢气喷嘴测试 133
7.2.2供氢系统测试 137
7.2.3机油测试 138
7.3试验平台安全性 140
7.4氢内燃机车辆测试 141
参考文献 141

第8章氢气掺混燃料 143
8.1掺氢燃料参数 144
8.1.1燃料参数及分析 144
8.1.2掺氢比与空燃比 144
8.2天然气掺混氢气 145
8.3汽油掺混氢气 148
8.4柴油掺混氢气 149
8.5醇类掺氢 151
8.5.1甲醇重整 151
8.5.2甲醇掺混氢气 152
8.5.3其他醇类掺混氢气 153
8.6氨气掺烧 154
8.6.1氨柴混合燃烧 155
8.6.2氨氢混合燃烧 156
参考文献 159

第9章其他氢能动力 162
9.1燃烧式动力装置 162
9.1.1火箭发动机 162
9.1.2叶片式发动机 163
9.2燃料电池 165
9.2.1燃料电池分类 166
9.2.2燃料电池工作原理 169
9.2.3燃料电池未来展望 176
9.2.4燃料电池与氢内燃机的比较 178
9.3氢能复合动力装置 179
9.3.1氢燃料电池和锂电池混合系统 179
9.3.2燃料电池、氢内燃机复合动力装置 180
9.3.3氢氧辅助动力装置 181
参考文献 181

中国汽车工业经过十几年的高速发展，助推我国成为汽车大国，但我国还不是汽车及发动机技术强国。在国家实现2030碳达峰、2060碳中和目标的约束下，传统燃油汽车及发动机行业面临更艰巨的挑战，采用低碳与零碳燃料是全球汽车发动机行业的主要技术途径之一。氢能被誉为21世纪的理想能源，氢气具有来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染等优点，使其成为优异的内燃机替代燃料。氢内燃机通过燃烧方式实现能量转化，主要生成产物是水，可以实现近零NOx排放，且具有较高热效率，是实现氢能应用的重要技术方向。国内外相关整机企业已开发了多款氢内燃机，研究机构已就氢内燃机方向发表了较多的学术论文，系统化整理这些氢内燃机整机关键技术及学术研究成果，以期指导氢内燃机的设计开发是本书的重要目标。因此在本书的编写过程中，力求反映氢内燃机的基础理论及学术研究成果，并在此基础上结合笔者及所在团队的研究基础，试图搭建出相对完整的氢内燃机设计体系，希望本书能够对内燃机同行有借鉴作用。
《氢内燃机》共9章，第1章阐述了有关氢能发展及汽车动力运用氢能的简要情况；第2章阐述氢气物理化学性质，也是考虑必须基于燃料特性来设计氢内燃机；第3～5章则围绕氢气进入气缸形成混合气、燃烧与异常燃烧、排放污染物生成及控制撰写，特别引入了部分光学测试方法和数字化设计方法；第6、7章阐述氢内燃机及车辆设计与试验测试方法，提出了氢内燃机试验的安全规程及整车氢安全措施；第8章则考虑氢气与常规燃料如何共同走向碳中和的问题，重点阐述氢气掺混燃料技术；第9章对其他氢能动力进行预测和展望。
在本书成稿过程中，借鉴了部分国内外的论文资料及北京理工大学已有研究成果，对该部分内容的提供者表示最衷心的感谢！同时也要感谢北京理工大学氢内燃机研究开发团队的全体同事、研究生，他们不仅贡献了自己的研究成果，也花费更多时间阅读论文、参与整理本书稿件。罗庆贺助理教授、包凌志博士后、牛庆宇博士全程参与书稿整理，其中罗庆贺助理教授协助编写了第3章，包凌志博士后协助编写了第5、6章，牛庆宇博士协助编写了第7、8章。感谢李超、张诗蔚、段永回、赖丰羽、李翔宇、汪熙博士以及王康达、邹凯翔硕士的辛勤工作！
本书可供汽车及内燃机企业的技术研发人员参考，进行相关氢内燃机设计及试验，还可供高等院校教师及研究生参阅或作为相关课程参考书，或供政府部门与社会投资者选读。氢内燃机与汽油机、柴油机一样，是一个新品类的内燃机，所涉及的基础材料、工艺、测试范围非常广泛，有些不是本书作者所熟悉的技术领域，疏漏之处在所难免。限于著者水平，恳请读者提出意见和建议，帮助著作者及本书不断进步。

孙柏刚
2025年1月30日