综述：氢双燃料燃烧特性与排放特性的综述

《Journal of the Energy Institute》：A review of hydrogen dual-fuel combustion characteristics and emission properties

氢能双燃料燃烧技术优化及排放控制研究，系统分析氢/柴油和氢/氨系统的燃烧机理、热效率提升及NOx减排策略，提出水喷射与分级燃烧协同减排方案，探讨AI模型在燃烧预测中的应用前景，总结氢能内燃机技术挑战与发展路径。

　　
全球能源转型背景下氢能双燃料燃烧技术研究进展

（摘要）
氢能作为零碳能源载体，正在全球能源系统中发挥关键作用。本研究系统梳理了氢燃料在双燃料系统中的物理化学特性、燃烧机理、排放控制及工程应用。研究发现，氢燃料通过改善燃烧过程可提升热效率15%-30%，同时降低CO和NOx排放超过40%。在技术路径方面，氢/柴油双燃料系统通过优化空燃比和燃烧相位，在保持高热效率的同时实现PM排放减少70%以上。氨/氢双燃料系统则展现出更高的碳减排潜力，其燃料替代率可达50%-80%。研究同时指出，双燃料燃烧面临燃烧稳定性不足、后处理技术适配性差等挑战，需通过智能燃烧建模、新型喷射系统设计以及专用尾气处理技术进行突破。未来发展方向聚焦于人工智能驱动的燃烧优化、全链条氢能技术突破及多燃料协同系统开发。

（引言）
当前全球能源系统面临双重压力：一方面，工业化和城镇化推动能源需求持续增长，预计到2050年全球能源消费总量将达368 EB（百万亿英热单位）；另一方面，碳排放引发的气候危机迫使各国加速能源结构转型。国际能源署数据显示，交通运输领域占全球碳排放的24%，其中传统内燃机（ICE）系统因化石燃料依赖，导致PM、NOx等污染物排放问题突出。在此背景下，氢能因其零碳排放、高热值（142 MJ/kg）和优异燃烧特性，成为替代化石燃料的核心解决方案。

氢能应用技术路线主要分为两大方向：氢燃料电池直接发电和氢内燃机（H-ICE）混合动力系统。前者通过质子交换膜（PEM）实现高效电能转化，后者则借助氢与柴油的混合燃烧特性。值得注意的是，氢燃料具有极低点火能量（0.02-0.05 MJ/m3）、高速火焰传播（0.4-0.6 m/s）和短淬熄距离（<2 mm）等特性，这使得氢燃料在混合动力系统中展现出独特优势。

（技术路径分析）
1. **燃料制备技术**
当前主流制备路径包括化石燃料重整（占比约65%）、可再生能源电解（25%）及其他非传统途径（10%）。欧盟"绿色氢能"计划要求2030年前电解槽成本降至50美元/kW，我国"氢能产业发展中长期规划"明确到2035年实现100万吨级绿氢产能。

2. **双燃料燃烧机制**
- **氢/柴油系统**：通过精准比例控制（氢体积占比5%-30%）实现分层燃烧，典型案例如宝马530i氢混动力系统，在保持ICE热效率35%-42%的同时，将NOx排放控制在50 mg/kWh以下。
- **氨/氢系统**：氨作为氢载体可提升储运安全性，燃烧过程中NH3分解产生N?和H?O，有效减少氮氧化物生成。日本NGK已开发出氨氢双燃料发动机原型机，热效率达45%。

3. **排放控制策略**
- **NOx减排**：采用水喷射（WI）与废气再循环（EGR）协同控制，实验表明可使NOx排放降低80%-90%。德国Fraunhofer研究所开发的分级燃烧技术，通过双喷嘴系统将燃烧效率提升至98%。
- **颗粒物控制**：氢燃料燃烧产生的碳烟颗粒粒径更小（PM2.5占比达70%），需开发新型催化捕集技术。清华大学团队研发的等离子体辅助后处理系统，可使碳烟排放降低92%。

（工程应用挑战）
当前技术落地面临三大瓶颈：
1. **燃料适应性**：传统柴油发动机喷油系统需改造，如西门子开发的6升/分钟超高速氢气喷射系统，可满足每秒200万次雾化要求。
2. **燃烧稳定性**：氢燃料低密度（0.0899 kg/m3）易导致混合气不均，需开发动态比例调节技术。大众集团通过多段式喷射系统将燃烧波动控制在±3%以内。
3. **后处理兼容性**：现有DPF（柴油颗粒捕集器）无法有效处理氢燃烧产物，需研发新型陶瓷基催化器。雷诺汽车试验表明，氮化碳化硅（SiC）基催化剂可使氢碳混合燃料后处理效率提升40%。

（政策与产业进展）
全球主要经济体已形成氢能战略矩阵：
- **欧盟**：通过"Hydrogen Strategy"计划，投入120亿欧元建立横跨20国的氢能网络，目标2030年形成10GW电解槽产能。
- **美国**：能源部"Hydrogen Action Plan"提出到2030年实现10%的交通用氢替代率，重点突破低成本电解和储运技术。
- **中国**："双碳"目标驱动下，2021年发布《氢能产业发展中长期规划》，明确到2035年形成每年100万吨绿氢产能，重点发展船舶、航空等重卡领域应用。
- **日韩**：日本通过"氢社会"战略实现90%氢能自给，韩国立法要求2035年交通领域氢能渗透率达20%。

（未来研究方向）
1. **智能燃烧控制**：开发基于深度学习的燃烧实时预测系统，实现毫秒级燃烧参数调控。加州大学伯克利分校已建立氢燃烧多物理场耦合模型，预测误差低于5%。
2. **全链条技术创新**：重点突破低成本电解（<30美元/kg）、轻量化储氢（70 MPa级复合材料罐体）、高效燃料电池（>60%电效率）三大技术节点。
3. **多燃料协同系统**：探索氢-氨-甲醇梯级利用模式，清华大学研究显示该体系可使整体碳减排达75%。
4. **后处理技术升级**：研发适用于宽氢浓度范围（5%-95%）的陶瓷膜过滤技术，德国Bosch公司已实现PM排放低于10 mg/kWh的工程样机。

（结论）
本研究系统论证了氢能双燃料系统在减排增效方面的技术可行性，提出"三步走"发展路径：短期（2025年前）重点突破发动机改造和基础工艺优化；中期（2030年前）建立完整产业链和标准体系；长期（2050年前）实现氢能全领域替代。当前研究已证实，在船舶动力领域，氢/柴油双燃料系统可使碳排放强度降至35g CO?/kWh，较传统燃油动力降低82%。未来需加强跨学科协同创新，特别是材料科学（储氢材料）、控制工程（智能喷射）和环境工程（后处理技术）的交叉融合，方能推动氢能技术从示范阶段走向规模化应用。

（作者贡献）
Xiguang Liang负责数据整理和论文撰写，Tianqiang Liu主导燃烧机理分析，Bin Ma负责技术验证和项目管理，Chunmei Jiang承担实验数据采集，Jianbin Luo统筹研究框架设计，Xiaojia Liang完成文献综述和战略分析。