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本文1808字，阅读约需5分钟

摘要：日本产综研在现有量产型液化石油气发动机的基础上进行少量硬件改造，开发出一种高输出功率的工业用氢燃料发动机，成功抑制了NOX排放和异常燃烧，提高了氢燃料发动机的输出功率。

关键词：氢内燃机、工业机械、稀薄燃烧、氢气浓度、空压机

要点

成功抑制了NO_X排放和异常燃烧，提高了氢燃料发动机的输出功率
在现有量产型液化石油气发动机的基础上进行少量硬件改造，开发出一种高输出功率的工业用氢燃料发动机
开发出搭载了氢燃料发动机的压缩机，并开始进行实证实验

搭载了氢燃料发动机的压缩机

背景

为实现脱碳社会，不排放CO₂的氢能正被大力推广。其中，氢燃料内燃机（以氢气为燃料的内燃机）虽然其效率低于氢燃料电池，但因其结构简单，且可利用现有发动机的生产线、维护技术和供应链，因此有望在短时间内以低成本投入使用。具体来说，氢燃料发动机具有高输出功率和耐用性，有望助力叉车、压缩机等工业机械动力源实现碳中和。然而，在氢燃料发动机实用化之前，仍面临诸多挑战。

氢燃料发动机面临的技术性挑战主要有以下两点。第一个挑战是抑制氮氧化物（NO_X）的排放。NO_X由暴露在高温燃烧环境中的空气中的氮气和氧气结合产生，由于人们担心它会造成光化学烟雾和酸雨，并对人体健康和植物生长产生不利影响，因此，即使是使用汽油和柴油等传统化石燃料的内燃机也面临着减少NO_X排放的挑战。氢燃料发动机的燃烧温度高于化石燃料发动机，因此燃烧场中产生的NO_X是其尾气中存在的唯一有害成分，因此需要采取燃烧控制和尾气后处理来抑制随着燃烧温度升高而产生的NO_X。另一个挑战是控制氢气的低能量点火特性和快速燃烧速度特性导致的异常燃烧。这就需要在发动机设计中优化点火控制以及进排气系统。

研究过程

日本产综研一直积极开展氢燃料发动机的研究与开发。在急需快速实现脱碳社会的背景下，产综研开展了广泛的研究，涵盖从分析氢喷射特性、阐明异常燃烧现象到与私营企业合作开展氢燃料发动机研发等各个方面。利用产综研迄今为止积累的知识和实验设备（图1），产综研与丰田自动织机株式会社自2021年11月起开展氢燃料发动机的联合研究，目标是将其安装在叉车上。自2022年12月起，株式会社AIRMAN也加入了合作，启动了一项新的联合研发项目，旨在将氢燃料发动机搭载到压缩机上。

氢燃料发动机的优势在于，它可以轻松利用现有的发动机技术，并且与氢燃料电池相比，可以构建一个更便宜的系统。为了充分利用这些优势，联合研究小组正致力于开发出一种在以液化石油气为燃料的量产型火花点火式发动机基础上，只需进行最小硬件改造的实用型氢燃料发动机。

图1 氢燃料发动机实验装置

研究内容

氢气具有最低点火能量小、可燃范围广、燃烧速度快等特点。此外，由于其分子尺寸小，因为氢气还具有比液化石油气和汽油等传统燃料更容易穿过较小缝隙的特点。因此，为了防止从发动机燃烧室逸出到曲轴箱内的氢气被点燃，研究小组搭载了一种通过增设曲轴箱内的通风系统，将曲轴箱内的氢气浓度控制在2%以下（氢气的可燃范围在4%以上，因此需要控制在此范围以下）的机制（图2）。

此外，在使用液化石油气或汽油等碳氢化合物作为燃料的燃烧环境中，由于存在大量离子，火花塞中的残余电压会在正常点火后通过放电释放；但在氢气燃烧环境中，由于离子数量较少且绝缘性强，因此火花塞中会残留电压，从而导致火花意外飞溅到不该飞溅的地方并点燃氢气，造成异常燃烧，这种异常燃烧会引发回火（Backfire），即燃烧火焰在进气阀关闭前返回进气管。因此，通过优化点火线圈和火花塞，联合研究小组成功控制了异常燃烧并提高了发动机功率。此外，通过稀薄燃烧（（在空气量为燃料完全燃烧所需最小空气量的两倍的情况下进行燃烧）抑制了燃烧温度，并显著减少了尾气中NO_X的产生（约为20ppm浓度）。

作为产综研与丰田自动织机的联合研究成果，这些技术在实际应用层面得到了融合，在2022年，联合研究小组成功开发出一种氢燃料发动机，其输出功率较此前的原型机提高了约180%，并保持了与基础发动机液化石油气（LPG）规格相同的最大输出功率（图2）。

此外，通过产综研、丰田自动织机和AIRMAN三方合作的联合研究项目，一台搭载了专为该氢燃料发动机特别调试的控制系统的压缩空气供应机（压缩机）已完成，2025年9月5日，联合研究小组在AIRMAN总部举行了点火仪式。计划在AIRMAN公司的新潟工厂场地内进行该氢燃料发动机压缩机的实证实验，并将继续找出问题，建立技术来实现实用化。

图2.改良后的氢燃料发动机示意图

未来展望

氢能是构建碳中和社会最重要、最有前景的燃料之一。联合研究小组将继续推进氢燃料发动机的研发，包括进一步提升功率输出、防止异常燃烧的措施以及提高耐久性，力争在物流、工厂及施工现场等领域中实现不排放CO₂的动力源的碳中和产品的实用化与社会实施，为工业界做出贡献。

（1）获取信息

https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2025/pr20251021/pr20251021.html

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氢燃料发动机作为工业机械动力源的实用化进展