摘要：氢能源内燃机（Hydrogen Internal Combustion Engine, H2-ICE）是指以氢气作为燃料的活塞式内燃机。其基本工作过程仍遵循传统汽油或柴油机的四冲程循环（进气-压缩-做功-排气），差异在于燃料换成了氢气。

丰田 GR Corolla H2

氢能源内燃机（Hydrogen Internal Combustion Engine, H2-ICE）是指以氢气作为燃料的活塞式内燃机。其基本工作过程仍遵循传统汽油或柴油机的四冲程循环（进气-压缩-做功-排气），差异在于燃料换成了氢气。

氢内燃机具备零碳燃烧的天然优势：燃烧产物主要为水，无CO₂、CO、碳氢化合物（HC）等污染排放。与燃料电池相比，氢内燃机利用现有成熟发动机技术，成本仅比汽油机高约15%左右。然而，其推广也面临一些固有挑战，包括燃烧过程中的早燃、回火倾向和NOx排放问题，以及热效率相对燃料电池略低。

一、氢内燃机技术路径：缸内直喷与双燃料

氢能源内燃机（Hydrogen ICE）正作为实现交通领域低碳化的重要路径之一，主要沿着氢气直喷和双燃料两大技术路线发展。

1、缸内直喷氢燃料发动机

缸内直喷（Direct Injection）是氢内燃机的发展重点之一，即在压缩行程后期将高压氢气直接喷入燃烧室，与空气混合后由火花塞点火。相较于以往在进气道预混氢气的方式，直喷大幅降低了进气回火和早燃的风险。

因为氢气极低的点火能量和宽广的可燃浓度范围，若在进气管预混，易被热点引燃导致回火；而推迟到进气阀关闭后再喷射氢气，可以避免这种危险。博世等公司开发的氢直喷系统可在高达40 bar的压力下将氢气喷射入缸，在避免进气回火的同时，通过多次喷射优化燃烧，使氢内燃机在功率和驾驶特性上接近柴油机水平。

缸内直喷还避免了氢气占据进气容积，从而提高充气效率和功率密度。例如，丰田在其1.6L涡轮增压三缸氢发动机中应用了源自赛事的高压直喷技术，使氢气燃烧的动力输出与同排量汽油机相当，并在比赛研发中将功率提高了24%、扭矩提高33%。

直喷氢发动机通常采用稀薄燃烧策略以降低燃烧温度，从而减少NOx生成。通过精确控制喷氢时刻和喷雾形成，实现分层稀燃，可以在保持高热效率的同时，将NOx排放降至很低。

直喷技术也带来了材料和设计上的新要求：喷射系统需耐受高压氢气并防止氢脆，活塞、气门等部件需经优化以承受更快的燃烧放热和更高的局部温度。

2、氢气双燃料发动机

"双燃料"路径是指氢气与另一种燃料（典型为柴油或汽油）混合使用的技术方案。常见形式是在压燃式柴油机中引入氢气作为辅助燃料，由少量柴油喷射点火，实现氢-柴油双直喷燃烧。

这种氢柴油双燃料（又称H₂-DI或H₂-HPDI）兼有柴油机高压缩比、高扭矩的优势，又用氢气替代大部分柴油以降低碳排放。例如Volvo与Westport公司合作的高压直喷(HPDI)系统中，小剂量柴油先喷入点火，紧接着高压氢气直喷燃烧，使发动机动力提升20%、热效率提高约10%，而碳排放可降低95%以上。通过精确控制氢喷射时机和喷射量，使燃烧由部分预混过渡到混合控制，实现了低NOx的稳定燃烧。

双燃料技术的另一种思路是在火花点火汽油机中掺氢（如氢-天然气混燃），利用氢气提高贫燃极限和燃烧速率，以改善效率和排放。不过更广泛的应用场景还是柴油机改造：氢气作为辅燃料大幅削减碳排放，而柴油的压燃点火特性确保了燃烧的可靠性。这种方案改造现有柴油发动机相对迅速，可作为过渡路径。研究表明，为卡车等现有柴油动力加入氢气双燃料系统，只需几个月改造即可投入运行。需要指出的是，双燃料模式下由于仍有少量化石燃料，尾气中仍会有部分CO₂和HC排放，但已显著低于纯柴油机；而NOx排放则需通过贫燃、分层或后处理加以控制。

这两种技术路径相辅相成：直喷稀燃主攻纯氢燃烧稳定性，双燃料则兼顾现有柴油机改造的实用性，为不同场景下氢内燃机的推广提供了多元选择。

整体来看，无论直喷还是双燃料氢发动机，相对传统燃油机均可实现更高的热效率和更清洁的排放。氢气燃烧本身不产生CO₂、CO和烟粒，并大幅减少未燃HC和PM等污染物。实验表明，同等条件下氢内燃机在低负荷时的NOx原始排放远低于柴油机，高负荷时NOx接近柴油机水平，需要采用稀燃、EGR或SCR等手段控制。

氢气燃烧速度快（火焰传播速率约汽油的5~8倍），使发动机可接近更高的理想循环效率，但也意味着燃烧更集中，峰值温度高，必须优化点火和空燃比以避免爆震和NOx激增。缸内直喷配合稀燃能够在抑制爆震的同时降低峰温，是实现高热效率的重要路径。

例如日本AIST等研发的火花点火氢发动机通过贫燃策略，实现了42%以上的指示热效率和超低NOx排放，具备作为大型发电机组动力的潜力。双燃料压燃模式下，柴油引燃使得热压缩功损失减少，加上多数燃料能量来自氢气（高燃烧热值，燃烧无碳损失），总体热效率有望超过常规柴油机水平。总的来说，在结构合理设计、喷射和点火精确控制下，现代氢内燃机的燃烧效率可接近燃料电池水平（部分实验已达到热效率45%左右），同时污染物排放接近零排放（除NOx外）。

二、氢内燃机研发中的关键技术难点

1、早燃与爆震控制

氢气的自燃温度高（约585℃），按理不易爆震，但其点火所需最小能量极低，仅0.02 mJ级，是汽油的十分之一不到。这意味着在气缸内任何炽热点（如火花塞电极、积炭微粒）都可能过早引燃混合气，导致早燃和回火。特别是对进气预混供氢的发动机，背火回燃至进气歧管是重大风险。

为此，开发工作重点之一就是防止异常燃烧：采用缸内直喷延后混合，可从根本上杜绝进气回火；优化火花塞冷却和电极形状，减小电极表面滞燃；控制压缩比和缸内温度场，避免热点形成等。

同时，氢气高燃烧速率带来的爆震倾向也需遏制。氢气的辛烷值相当于130以上，但过高的燃烧温度和压力峰值仍可引起爆震震颤。解决途径包括：采用稀薄燃烧或分层燃烧降低火焰温度，必要时配合EGR稀释；精准控制点火正时，使燃烧相位远离爆震区；强化燃烧室冷却，抑制壁面热点。

这些手段相辅相成，使现代氢发动机在宽负荷范围内可避免爆震和早燃困扰。有研究指出，喷氢时刻和方式对异常燃烧极极大：浙江大学等早期试验表明，只要保证正确的喷氢系统设计、合适的喷射时序和点火时序，氢发动机的早燃和爆震趋势就可大幅缓解，同时动力性提高、NOx下降。

2、燃料喷射与混合精度

氢气作为气态燃料，能否在极短时间内均匀混合并按需要的空燃比分布，是影响燃烧稳定和效率的关键。相比液态燃油，氢气密度极低、喷射后易形成射流冲击壁面，如何设计高精度的喷射系统至关重要。

当前直喷氢发动机多采用高压电磁或压电喷嘴，将氢气以数十兆帕压力喷入气缸，以加速混合。喷孔布局和喷射定时经过优化，使氢气云形成理想的可燃区域。双燃料系统中更涉及两种燃料喷射协同：如前述氢-柴油双直喷方案，需要精准控制柴油先导喷射时刻与氢喷射时刻的匹配。氢喷射过早，柴油点火时混合气过于均匀，可能引发强爆震；氢喷射过晚，则难以及时混合导致不完全燃烧。

UNSW的试验表明，通过独立控制氢喷和柴油喷的时序，可在预混燃烧和混合控制燃烧模式间自由切换，使不同工况下都能保持高效率且洁净的燃烧。此外，喷射精度还意味着对小喷油量的控制能力——部分工况下需要喷射极少量氢以维持怠速或小负荷燃烧，这要求喷嘴线性度佳、响应快，避免因过量喷射导致混合气过浓。总体而言，先进的燃料喷射系统（包含喷嘴材料防氢脆设计、高速电子控制单元等）是氢内燃机的核心技术难点之一，需要兼顾供氢精确计量和安全可靠性。

3、热管理与冷却难题

氢燃烧带来的高温及高速燃烧特性，对发动机热管理提出了特殊挑战。一方面，氢气燃烧反应快，火焰传播距离短（淬熄距离仅约0.6 mm，远小于汽油火焰）。这意味着燃烧火焰可以更接近缸壁、活塞顶等冷却表面，把更多热量传递给金属壁面，增加了冷却系统负荷。

据报道，某直喷氢机测试中，相比汽油机颗粒物排放增加，原因即在于氢火焰淬熄距离小、射流撞墙，导致更多机油膜参与燃烧并生成微粒——这一现象也佐证了极燃烧对壁面传热更剧烈。另一方面，氢发动机往往采用稀薄燃烧降低NOx，这会使排气温度偏高，需要强化冷却保护涡轮增压器和排气阀等部件。

此外，由于氢燃料不提供像汽油那样的蒸发冷却效应，进气和缸内温度可能整体更高，从而更容易触发早燃，因此需要更高效的中冷和缸内冷却措施。

针对这些问题，研发者在材料和结构上采取了多种改进：例如改进气门和火花塞冷却通道，增加冷却液流量和针对性冷却喷嘴；选用抗氢脆且导热性能好的合金材料制作燃烧室部件；优化活塞环组以减少氢气窜入曲轴箱（氢的宽可燃范围意味着曲轴箱通风也要加强，以防可燃混合气聚积引发危险）。总之，氢内燃机在高温高热流密度环境下长期稳定运行，要求更高效的热管理体系与更耐高温的材料，这是制约氢发动机可靠性的关键一环。

4、NOx排放与后处理

虽然氢燃烧不产生碳基污染物，但氮氧化物（NOx）仍然是氢内燃机尾气中主要的排放物。高温燃烧条件下，空气中的氮气被氧化生成NOx，其生成量对火焰温度和过量空气系数极为敏感。氢内燃机如果以化学当量甚至富燃烧，会因氢火焰温度高达约2400K而产生大量NOx。

控制策略主要有两个：一是燃烧过程内控制，包括贫燃（增加过量空气降低温度）、分层燃烧（让部分区域燃烧不足以降低整体温度峰值）、废气再循环（EGR）稀释等；二是尾气后处理，主要借助选择性催化还原（SCR）技术。

目前车辆用SCR以尿素为还原剂最成熟，氢机亦可沿用，但需注意氢机排气水分更高，冷启动时尿素结晶等问题需要解决。有研究者提出直接用氢气作为SCR还原剂的方案（H₂-SCR），这样可免除尿素供给极系统，但相关催化剂技术尚在开发中。

好消息是，氢机在中低负荷时燃烧温度低，NOx原始排放比柴油机低很多，低负荷甚至接近零，使部分场景下可能无需复杂后处理即可达标。同时，氢机尾气中不存在硫和颗粒物，对三元催化剂等装置寿命更友好。

因此，综合控制策略下，氢内燃机有望实现近零污染排放。例如Mazda早期研发的氢转子发动机就通过贫燃实现了几乎不产生NOx的目标。未来随着预燃室点火、分级燃烧等技术应用，氢机的NOx将进一步下降，使其真正成为零碳低污染的动力解决方案。

三、氢能源内燃机的主要应用前景

1、重型商用车

重型商用车（包括长途卡车、客车、工程机械等）被普遍认为是氢内燃机最具前景的应用市场之一。这类车辆常用大排量柴油机，油耗和碳排放高，亟需脱碳解决方案。而电池动力由于能量密度和充电限制，在长途重载场景下难以完全替代；燃料电池虽零排放但成本昂贵且对工况敏感。相比之下，氢内燃机可以利用现有的柴油机底盘和供应链，改造成本低、功率密度高，并且可以快速补充燃料，非常契合商用车高强度运行需求。

同时，在炎热环境下氢燃料电池系统的冷却负担较重，而氢内燃机则更适应高温工况。采用双燃料直喷的氢内燃机重卡还能灵活切换燃料：当氢气不足时可过渡使用柴油或生物燃料，确保运营的连续性。据制造商介绍，如果引燃用的柴油更换为可再生合成燃料（HVO等），那么氢内燃机重卡从油箱到车轮可实现100%碳中和。在保持功率不变的前提下，一台12升排量的氢内燃机重卡可通过高效热管理，将绝大部分氢燃烧热转化为机械功，实现远距离运输的高效、清洁动力。

例如前文提到的氢-柴油双燃料改造方案，就为现役卡车提供了一种快速减碳的途径：实测平均节油（柴油）率可达85%以上。各大发动机制造商亦纷纷投入这一领域，康明斯、潍柴、现代等均宣布了氢发动机产品规划。

从成熟度看，目前已有多台样机通过台架和整车极试，少量示范车（如现代极燃烧卡车）投入路试，量产时间表在2025-2027年之间。可以预见，当加氢基础设施逐步完善时，长途货运卡车可能成为氢内燃机率先商业化的细分市场之一。特别在矿区、港口等固定路线运营场景，企业可自建制氢加氢设施，配合氢燃料发动机使用。例如澳大利亚矿业已经关注将现有矿用卡车改装氢双燃料以降低现场碳排放。总体而言，商用车领域对氢内燃机的接受度正在提高，随着发动机可靠性和经济性进一步验证，其市场前景被业内看好。

2、乘用车

在乘用车方面，氢动力目前主推燃料电池汽车（如丰田Mirai、本田Clarity等），氢内燃机尚属探索阶段。原因在于普通乘用车对效率、NVH和平顺性的要求更高，而氢内燃机热效率略低于燃料电池且仍有NOx排放，需要复杂控制与后处理。

但这并不意味着氢发动机在乘用车毫无用武之地。一方面，一些车企出于情感和品牌差异化考虑，可能推出氢燃烧跑车或越野车，为内燃机爱好者提供"碳中和的发动机轰鸣"。丰田等公司近年来在赛车和原型车上测试了氢燃料发动机，例如液态氢燃料的Corolla赛车，展示了氢内燃机在激烈工况下的可行性。丰田还开发了氢内燃机概念车（如GR Yaris H2），并着手研究1.5L三缸涡轮增压氢发动机，希望证明传统乘用车发动机也可通过燃烧氢气实现碳中和。

另一方面，氢内燃机为现有混合动力系统提供了新的可能：例如汽油机与氢燃料的可切换双模式，引入氢燃烧可以在城市零排放通勤和郊区燃油模式下灵活切换。早期北京工业大学与企业改装的依兰特轿车就探索了氢气-汽油双燃料乘用车：小负荷用氢零排放，中等负荷氢汽油混烧提升效率，大负荷用汽油保证动力。虽然该方案复杂且提升有限，但为逐步过渡提供了思路。

总体看，未来普通乘用车大规模搭载氢内燃机的可能性较小，除非氢燃料变得极为廉价充足且社会对内燃机保留有强烈需求。氢内燃机乘用车短期内主要以技术示范和小众市场为主，但其展现出的快速动力响应和良好动力密度，证明了在多元化能源汽车版图中仍有一席之地。

3、固定式发电和特种应用

氢内燃机在发电设备领域的前景尤其值得关注。这方面技术成熟度高、市场空间广，包括分布式能源站、大型应急发电机、船舶驱动等场景。传统燃气内燃机（烧天然气、沼气等）已广泛用于分布式发电，如果改烧氢气即可实现发电过程零碳。许多厂商已开展相关产品开发：如芬兰瓦锡兰公司推出"氢气备用电站"方案，采用多台氢燃气发动机模块化组成，可灵活并网调峰。通用电气（GE）的Jenbacher燃气发动机也宣布可支持掺氢甚至100%氢燃料运行。

固定场景的优势在于加氢供氢相对可控，无需考虑车辆空间和重量限制，可配备大型储氢罐或管道供氢。这使氢内燃机在发电领域的部署相对容易实现。另外，氢燃烧发电机组具有负荷响应迅速的特点，适合作为可再生能源电力的调峰和备份。

据报道，在相同功率下，采用0.5%氧化锌纳米流体冷却液的氢燃气机组，其散热能力提高了13.87%，允许缩小27%的散热器面积——这意味着更紧凑高效的氢发动机系统有利于降低发电设备的体积和成本。

在船舶和航空领域，氢内燃机也开始受到关注。中小型船舶可使用改装氢发动机满足近海零排放法规，而小型通用航空发动机使用极燃料则有助于摆脱含铅航空汽油。目前这些应用仍在试验验证阶段，但技术原理上较为通畅。一旦氢燃料供应瓶颈缓解，在发电、船舶、铁路机车、矿山设备等需要长时间连续动力的领域，氢内燃机都可能成为比电池或燃料电池更经济实用的选择。可以预见，固定动力和商用车将双轮驱动氢内燃机的商业化进程，而乘用车和其他小众市场将起到辅助验证作用。

综上，各应用场景对氢内燃机的接受程度和要求不同。目前看重型商用车和固定发电是最具前景的细分市场，技术成熟度较高且需求迫切。重卡的示范运营和发电机组的样机测试均已取得积极成果，随着规模化生产实现和氢气价格下降，其市场占有率有望逐步提升。而乘用车可能更多作为技术储备和形象工程存在，中短期内不会大规模普及。随着各国碳中和政策推进，氢内燃机将与燃料电池、电动车等共同构成多元化的清洁交通和动力解决方案，每一种技术都会在自己最擅长的领域发挥作用。

四、行业前沿：主流厂商氢能发动机技术布局与应用进展

丰田（Toyota）：

作为氢能源领域的先行者，丰田在燃料电池之外同步推进氢内燃机技术路线。2021年以来，丰田将改装的GR Corolla H2氢燃料赛车投入日本超级耐久赛，以赛带研。经过一个赛季的实战开发，这台1.6升直列三极涡轮增压氢发动机功率提升了24%，峰值扭矩提升33%，续航增加30%，加氢时间从5分钟缩短到1分30秒。这种高强度测试验证了氢发动机的可靠性能，并帮助丰田迅速改进了燃烧控制和供氢系统。

2023年，丰田更突破性地采用液态氢燃料参加富士24小时耐久赛，解决高压气态储氢续航不足的问题。在量产探索上，丰田已打造Corolla Cross氢燃烧概念车，搭载与GR赛车同源的1.6T直喷氢发动机和Mirai的储氢罐，可容纳5名乘客及行李。丰田称氢燃烧是迈向零排放的"另一条重要路径"，具有利用现有内燃机技术、加氢迅速、减少对锂镍稀有材料依赖等优势。

除了乘用车，丰田联合雅马哈开发5.0L V8氢发动机（基于雷克萨斯RC F的8缸发动机改造），输出功率可达450马力，扭矩540 Nm。这一项目展示了氢燃料在高性能发动机上的可行性和"激情"，五家日本企业（丰田、雅马哈、马自达、斯巴鲁、川崎重工）组成联盟，探索碳中和燃料以"保持内燃机激情"。目前丰田已将氢内燃机技术应用于概念跑车、赛用动力，并计划拓展至摩托艇等领域，体现出其在氢燃烧技术上的全面布局。

宝马（BMW）：

宝马对氢能源的探索始于上世纪末，是较早研发氢内燃机的车企之一。早在1978年宝马就启动了氢燃料汽车项目，陆续开发了六代氢燃烧轿车样车。在BMW 735i原型车上，宝马使用3.5升直六火花点火发动机改烧液态氢，采用多点进气道喷射避免回火，并保留汽油喷射系统实现氢/汽油双模式运行。该车一次加满液氢可行驶约299公里，证明了液氢车的可用性。

2004年宝马推出H2R氢燃料赛车，创造了9项速度纪录。2006年发布的BMW Hydrogen 7是全球首款搭载氢内燃机的豪华轿车（7系），其6.0L V12发动机在氢气模式下输出191 kW（260马力），0-100km/h加速9.5秒，在氢/汽油双模式间可切换。Hydrogen 7虽只小批量示范运行，但彰显了宝马氢技术的成熟度。值得一提的是，马自达也于同期研制出RX-8氢转子发动机车型，采用双燃料模式，几乎不产生NOx，被少量租赁用于示范。

进入近年，宝马将重心转向氢燃料电池，其iX5 Hydrogen燃料电池车在2023年已开始小规模示范运行。宝马高层表示短期内不会量产氢内燃机，而是与丰田合作开发燃料电池乘用车计划2028年推向市场。因此宝马在氢内燃机上的突破主要体现在早期技术储备和示范上，目前市场布局上倾向于燃料电池。不过宝马多年积累的氢燃烧经验（如低温液氢存储、多点喷射控制等）仍为业界提供了宝贵参考。

现代汽车（Hyundai）：

韩国现代集团同样高度重视氢能源应用，但策略上更专注于燃料电池商用车（如极NEXO氢燃料电池车、XCIENT氢燃料电池卡车）。然而在内燃机领域，现代旗下的工程公司HD Hyundai Infracore（原斗山机械）近年来开始发力氢内燃机研发，目标直指商用车和大型动力设备市场。

在2024年韩国H2 MEET氢能展上，HD Hyundai展出了HX12型11升氢气发动机和HX22型22升氢发动机，前者面向重卡，后者用于大型发电设备。据官方介绍，其氢发动机通过优化设计，实现了在同排量下最大功率和扭矩比国外竞品高出两位数百分比，极利用既有柴油机平台开发，便于老车型改造。与纯电或燃料电池相比，氢发动机在大功率下更具性价比和输出优势。

现代计划2025年下半年量产用于卡车的氢发动机，2026年量产11L发电用氢机，并在2027年开发更高功率的氢发动机用于重型设备。为提升性能，HD Hyundai正牵头开发直喷氢燃烧技术，联合韩国机械研究院、KAIST、FEV等开展直喷系统攻关，目标是较进气道喷射提升功率扭矩10～25%。

现代此举表明在商用车领域，对氢内燃机的商业化进程持积极态度：其HX系列氢发动机已经非常接近产业化，被授予2024韩国H2 MEET最佳产品奖，评委评价其具有高输出和量产前景。可以预见，现代集团未来可能将氢燃烧技术首先应用于重卡、工程机械等领域，与其燃料电池路线形成互补，为不同场景提供多元化零碳动力解决方案。

其他厂商与项目：

除上述企业外，全球还有多家公司布局氢内燃机细分市场。例如康明斯（Cummins）发布了15升大排量氢发动机原型，计划2027年投入量产，用于北美长途卡车。

英国工程公司JCB则专注开发氢燃烧发动机用于挖掘机等工程设备，宣称无需燃料电池即可实现工程机械零碳化。

初创企业方面，英国的ULEMCo公司致力于提供柴油车加装氢燃料套件的改装服务，早在2018年就将一辆沃尔沃FH16卡车改造为氢内燃机卡车，实测续航约180英里且实现零碳排放。

在发电与船舶领域，芬兰瓦锡兰（Wärtsilä）公司于2023年宣布推出全球首套100%氢燃料大型发电机组方案，其氢机基于31系列发动机平台，可灵活使用天然气或氢气并具备极快速启停能力。日本川崎重工也在研究船用大型氢燃气发动机。可以看到，氢内燃机正吸引着广泛的产业参与者，应用载体涵盖陆路交通、非道路机械和固定式电站等，多点开花共同推动技术进步。

五、高温燃烧与动态工况下发动机散热需求

1、亟待解决散热问题

氢内燃机的高温快速燃烧对发动机冷却系统提出了更高要求。传统汽油/柴油机通常使用水-乙二醇冷却液维持正常温度，但氢燃烧的特性可能导致更大的热应力：燃烧放热更集中、火焰可及壁面更近、部分工况下排气温度更高。因此，氢发动机需要更高效、更稳定的冷却系统来保护发动机组件并维持燃烧稳定性。

首先，氢气燃烧具有极快的火焰传播速度和较高的理论燃烧温度。氢气的燃烧反应放热集中且迅猛，这使得燃烧室在几个曲轴转角内迅速积累大量热量，局部峰值温度可高于汽油/柴油燃烧值。高速燃烧一方面有利于提高发动机热效率，但另一方面也会导致燃烧室壁面承受更大的瞬态热负荷。如果冷却不及时，气缸局部温度可能急剧上升，超过机件材料耐受值，甚至引发爆震或提前点火等异常燃烧。因此，氢内燃机要求冷却系统具备更强的峰值散热能力，能够迅速带走燃烧放出的集中热量，避免缸壁和缸盖出现热点。

其次，氢内燃机常在快速动态工况下运行。由于氢燃料燃烧反应迅速，发动机对负荷变化的响应非常敏捷，转速和负荷能够在短时间内大幅波动。这种场景下，发动机热功率输出随负荷瞬变剧烈变化，冷却系统必须具备快速的热响应能力。例如，重型氢内燃机在满载爬坡和怠速工况之间频繁切换时，冷却系需在几秒内适应从部分负荷到高负荷的热流量变化。如果冷却滞后，可能导致短时的过热积累，损害发动机可靠性。因此，氢内燃机散热系统强调动态稳定性，要求冷却介质在流量、温度上的调节能够跟上发动机工况的骤变，维持关键部件温度的稳定。

另外，氢内燃机为提高总体效率，往往配套有排气能量回收装置，这也对冷却提出额外要求。一方面，采用涡轮增压是氢内燃机提升功率密度的常见手段。涡轮增压利用排气能量提高进气压力，但增压后发动机燃烧温度和压力进一步提高，使冷却系统需要处理更高的热负荷；同时涡轮本身及中冷器也需要冷却空气或冷却液来保持效率。另一方面，为了回收利用燃烧产生的废热，氢内燃机可能集成废热发电（如热电发电器TEG）或废热蒸汽朗肯循环等系统。这些系统通常通过冷却液来带走一部分排气热，从而将热能转化为电能或其他用途。

例如，有研究在发动机冷却回路中串联热电发电模块，发现发动机冷却液吸收排气热后温度升高，但通过在冷却液中加入纳米颗粒，可以显著增强其导热和对流换热能力，提高热电模块的发电效率。因此，在氢内燃机加装废热回收装置后，冷却系统需同时承担发动机本体和附加设备的散热任务，其总体换热容量和效率必须相应提高。

综上，氢内燃机的高温燃烧、高动态响应以及废热利用等特点都对散热系统提出了更严苛的要求，适当增强冷却不仅是可靠性考虑，也是提升性能的途径——有效控制温度可降低爆震倾向，使发动机在更佳热状态下工作，提高燃烧效率。

研究表明，改进冷却介质的传热性能可直接改善发动机寿命、燃油经济性和排放表现。针对氢内燃机的特殊需求，下面对比当前主流的两类冷却液：传统乙二醇类冷却液与新型纳米流体冷却液。

2、传统乙二醇基冷却液的局限性

目前大多数车辆发动机使用的冷却介质是水和乙二醇按一定比例混合的冷却液。这类传统乙二醇冷却液兼具防冻和防沸功能，在汽油和柴油机上沿用已久。然而，在氢内燃机所需的高效散热背景下，传统冷却液暴露出多方面的局限：

一是传热性能的固有瓶颈。水-乙二醇冷却液的导热系数和比热容均有限，例如50:50配比的水/乙二醇冷却液在90℃时导热系数约仅0.5 W/(m·K)左右。相比之下，金属或氧化物等材料的热导率往往高出几个数量级。这意味着传统冷却液将发动机热量传递给散热器的效率相对较低，需要更大的温差和更快的流速才能带走足够热量。为安全起见，传统冷却液通常将发动机工作温度维持在100℃以下，以避免沸腾和气泡产生，但这也限制了发动机进一步提高燃烧温度和效率的空间。

二是粘度与流动特性的折衷。乙二醇提高了冷却液的防冻性能，却也增加了粘度，降低了流动性。在极高温高负荷时，过高的粘度会阻碍冷却液迅速在发动机内部循环，从而降低瞬态散热效果。工程上只能在防冻性能和流动性之间妥协折中。

三是高温稳定性与材料相容性。乙二醇类极高温冷却液在长期高温下可能分解变质，并且对某些发动机材料（如铝合金）有一定腐蚀性，需要添加防腐剂等加以缓解。这些添加剂一方面增加了配方复杂性，另一方面其性能在氢内燃机更高温度环境下是否足够也成疑问。

最后，传统冷却液的传热响应滞后问题在氢内燃机动态工况中更加突出。当发动机突然从低负荷转向高负荷时，冷却液需要时间升温并把热量传递到散热器。如果冷却液的热扩散速度慢，可能出现缸盖局部温度瞬时飙升的问题。综上，由于物理特性所限，常规乙二醇冷却液在传热效率、动态响应和高温适应性方面已接近天花板，难以完全满足氢内燃机严苛的热管理需求。这促使研究者将目光转向新型冷却介质，以突破现有瓶颈。

3、纳米流体冷却液的传热潜力与优势

为提升发动机冷却性能，近年来兴起了在冷却液中添加高导热纳米颗粒形成纳米流体冷却液的研究。纳米流体指将尺寸在纳米级（1~100 nm）的固体极高温颗粒分散于基液（如水或乙二醇）中形成稳定悬浮液。大量研究表明，纳米流体相较传统水-乙二醇冷却液具有显著更高的热传导能力。例如，在一项实验中，往水中添加质量浓度0.75%的氧化铝（Al₂O₃）纳米颗粒，可使90℃时冷却液的导热系数从约0.545提升到0.872 W/(m·K)，增幅接近60%。

如此大幅度的热导率提高意味着冷却液能更快将发动机产生的热量传递到散热器，大大增强了散热效率。除了导热率，纳米流体对流换热性能也有提升。有研究在汽车散热器条件下模拟发现，添加2%体积分数的Al₂O₃或TiO₂纳米颗粒可使冷却液的对流换热Nusselt数提高12~16%，总换热量增加约2~3%。另一项模拟研究表明，在发动机冷却回路中加入极高温2%纳米颗粒，可使发动机壁面最高温度下降约6.7%~7%，这意味着发动机各部件温度更均匀、更低，从而提高了运行安全裕度。甚至有实验报告，极低浓度（0.007体积百分比）的Fe₃O₄水基纳米流体就使换热速率提高了21.9%。这些数据充分显示出纳米流体在强化传热方面的潜力。

纳米流体冷却液的优势不止于传热系数的提高。由于纳米颗粒能够在冷却液中形成微对流和扰动，还可改善流体在受热面附近的边界层状态，推迟局部沸腾的发生。这对于氢内燃机高热流密度的缸盖冷却特别有益，纳米流体有望抑制冷却水套中汽泡的形成，避免换热恶化，极高温从而保持冷却稳定性。

同时，增强的传极高温热能力意味着在实现同样冷却效果时，系统可采用更低的流量或更小的散热器。有研究表明，应用Al₂O₃-CuO复合纳米流体后，在总换热稍有提升的情况下，冷却液流动速度降低了近40%，这暗示可以用更小的泵功率或更慢的流速达到与传统冷却液相当甚至更好的冷却效果。对于重型车辆，这将减少冷却风扇和水泵的能耗，提升整车能效。

此外，纳米流体可以通过降低发动机关键部件温度峰值，提升系统热稳定性。温度更均匀、更低，机油膜不易过热烧损，零件的热疲劳应力也减小，有利于发动机寿命和可靠性。在快速负荷变化时，纳米流体由于更高的导热和热扩散速率，能够更快将缸壁突然增加的热量传递走，从而加快散热响应，避免温度骤升。这种快速热响应对氢内燃机的瞬态工况尤为重要，意味着发动机温度调控将更加及时平稳。

值得一提的是，纳米流体技术还具备配方可定制的灵活性。通过选择不同材质、形状的纳米颗粒以及优化其浓度，冷却液的热导率、粘度等特性可以在一定范围内调控。这使工程师有机会“量身定制”适合氢内燃机具体需求的冷却液配方，兼顾高传热和低阻力。

例如，为兼顾粘度增加带来的阻力，研究者会优化纳米颗粒浓度以取得传热与流动性的平衡。未来甚至有概念提出引入对温度敏感的智能纳米添加剂，能随温度变化改变粒子分散状态或流体性质，从而动态优化冷却性能。总的来说，纳米流体冷却液在传热效率、温度控制和响应速度等方面展现出传统冷却液难以企及的优势，为满足氢内燃机严苛散热要求提供了全新思路。

在同等工况、仅更换冷却液且不改变热管理硬件/标定的前提下，基于权威台架与道路实测，济能纳米流体冷却液在商用柴油车上可带来约 5%—11%的燃油消耗下降；对点燃式天然气（CNG/LNG）发动机，考虑其更强的进气/缸盖温度敏感性，保守估计约 2%—6%的气耗改善具备可比对的工程合理性（实际取决于热管理策略与工况谱）。在氢能内燃机或混合燃料氢发动机上的应用也有突出优势。

真实道路（上限区间）：济能在重载柴油车“满载高速+城配”混合场景的长期跟踪给出：全样本平均节油 8.32%，其中高速满载场景 10.77%。这反映了长时间高热通量、散热器换热占比更高的场景里，纳米流体更易放大优势。多项同行评审研究与数值外推显示，纳米流体提升冷却侧导热与对流换热，可降低冷却液/缸盖壁面温度与泵功，加快热稳；在柴油机等高 BMEP 工况下，表现为单位油耗（BSFC）下降与热效率上扬的趋势。

2）天然气发动机（公交/城际物流/分布式发电同理）

结合天然气机对进气/缸盖温度与爆震边界更敏感的特点，在持续中高载的公交、物流高速巡航工况，落地收益可合理推断到≈2%—6%。我国与欧标对气体燃料点燃式发动机均强调对不同气质（沃泊指数/λ 转换系数）的适应；在相同标定下，更稳定、更低的缸盖/进气温度有助于推迟爆震、减少点火回退，从而维持更靠前的最佳点火角与稀薄燃烧策略，体现为单位气耗下降。

结语

展望未来，纳米流体冷却技术有望成为氢内燃机热管理解决方案的重要组成部分。在商用重卡等高负荷应用中，氢内燃机往往连续处于高热输出状态，纳米流体强化散热可确保发动机长时间高功率运行而不出现过热，帮助车辆在严苛环境下保持性能。

同时，强化冷却还能辅助氢内燃机进一步极高温优化燃烧策略。例如，可以在安全温度范围内提高压缩比或采用更稀的燃烧以提升效率，而不用过分担心冷却瓶颈。对于乘用车和其他中小型发动机，纳米流体冷却液的应用则有望减小冷却系统尺寸和重量，为车辆集成氢燃料动力腾出空间。

此外，在氢内燃机配套的废热利用系统中（如EGR冷却、热电发电等），纳米流体同样大有可为：更高的换热能力意味着可以从高温排气中提取更多能量，提高整车能源利用率。

当然，要将纳米流体真正应用到实际车辆，还需解决一些现实挑战。目前市场上制备稳定且成本可接受的纳米流体大部分仍在研发中，大规模应用的经济性需要进一步评估，仅有以武汉济能为主的极少数公司完成了技术论证和长期生产、测试。

主流发动机制造商已开始关注先进冷却液对提升发动机性能的作用。在氢能源大潮和碳中和目标的推动下，纳米流体冷却液作为一种具有革命性潜力的热管理介质，有望在未来的氢内燃机中获得实际应用。从纳米尺度入手强化宏观散热，这一创新将帮助氢内燃机更高效、更可靠地释放潜能，为绿色动力的普及保驾护航。

在不远的将来，我们或许会看到搭载纳米流体散热系统的氢能源发动机驰骋道路，成为节能减排与能源多元化时代下令人振奋的技术实践。

来源：襄襄汽车