随着全球汽车数量的不断增加，汽车的传统燃料石油将会日渐稀缺。同时，以石油为原料的汽油及柴油燃烧时产生CO、NOx等有害废气会严重地危害人类生存环境。
氢能源作为可再生的清洁能源，被认为是解决上述问题的重要途径。目前，关于氢能源动力的研究有2大方向：一是在基于传统内燃机的基础上开发氢燃料内燃机；其二则是采用燃料电池等新型动力装置[1-2]。
目前，对氢内燃机汽车的研究已经得到各国科学家和工程师的广泛关注，其目标在于研发出不仅对人与环境无害，并且具备可再生性的新能源动力装置。
1 氢内燃机及其技术特点
1.1 氢内燃机
对于内燃机汽车，研究人员目前所做的针对性研究主要有2方面。一方面是从结构上改进内燃机，提高其工作效率[3] ；另一方面是改变内燃机所用燃料，如使用液化石油气、天然气、二甲醚以及氢燃料等。其中，使用氢作为燃料的技术发展迅速，受到各国政府和各大汽车公司的普遍重视。与燃料电池汽车相比而言，氢内燃机较易实现实用性，在向氢动力能源过渡的过程中，使用氢内燃机汽车，可能首先得到汽车制造商和用户的认可。
最早开展氢内燃机研究的是英国学者Reverend. W .Cecil。1820年，他在剑桥哲学学会提出了采用氢气作为机械动力的构想，随后研发出的氢内燃机获得了满意的运行效果。1860~1870年，奥托在他发明的内燃机中使用了炉煤气。然而，化油器的发明使汽油的使用更加安全，因而占据了内燃机燃料的主导地位。最近几十年，由于氢在所有燃料中单位质量产生的能量最多，氢开始作为火箭和发射导弹的燃料广泛应用于宇航工业中[4]。近年来，为了降低空气污染，同时，减少对化石燃料的依赖，开始越来越多地开展对氢内燃机汽车的理论及应用研究。
1.2 氢内燃机的技术特点
氢作为内燃机燃料，与汽油、柴油等相比，在燃烧方面具有以下特点[5] ：
1.2.1 易燃性
氢燃料与其他燃料相比具有非常宽的可燃范围。氢与空气燃烧的范围最宽，为4.2%~74.2%。这有利于实现更加完全和更经济的燃料，因此，氢气在内燃机中可以与空气在非常宽的混合范围内燃烧，在过量空气系数0.15~9.6范围内正常燃烧。一般而言，稀混合气能降低燃烧的温度，生成较少的氮氧化合物，燃油越经济其燃烧就更完全。
1.2.2 低点火能量
氢气具有非常低的点火能，仅为15.1 μJ，比一般烃类小一个数量级以上。这就意味着气缸中的热源可用于点火。这既有利于内燃机在部分负荷下工作，又使得氢内燃机可以点燃稀混合物，确保及时点火。另一方面，热气体或气缸壁上的过热点容易引起早燃和回火。防止出现该类情况是运行氢内燃机的挑战之一。
1.2.3 高自燃温度
物质的自燃温度对于提供燃烧所需的激活能是十分必要的，因为压缩过程中温度上升与压缩比相关，自燃温度对于压缩比而言是一个非常重要的因素，可决定采取哪种压缩比的内燃机。由于氢气自燃温度较高，由此，氢内燃机可使用更高的压缩比，以不断提升内燃机热效率。
1.2.4 小淬熄距离
淬熄距离是火焰在狭窄的管道中传播直至不能传播时管道的临界尺寸。淬熄距离随着初始压力的不同而不同，气体火焰速度越高，熄火距离越小。氢气火焰的淬熄距离与汽油相比更短，故氢气火焰淬熄前距离缸壁更近，因而与汽油相比，氢气火焰更难于熄灭。与碳氢化合物空气火焰相比，较小的淬熄距离使得氢气与空气的混合气火焰在接近进气阀处更容易产生回火现象。
1.2.5 低密度
氢的密度很低。在气态条件下，氢气作为燃料时需要的空间更大，在理论混合比下进入气缸时，氢气约占气缸体积的30%，汽油仅占1%~2%，而且所含的能量也少，故而会导致效率下降。与汽油机相比，氢气要占据很大的存储空间，降低了功率输出。
1.2.6 高扩散速率
氢密度小，扩散系数很大，扩散速度很快，混合气易均匀一致。氢在空气中的扩散速率要比汽油高很多，以此促进了燃料和空气均匀混合，有利于氢内燃机中气缸内燃烧。因此，氢内燃机应比汽油机的热效率更高。但如果发生氢泄露，氢迅速分散可避免不安全事故的发生。
1.2.7 高火焰速度
氢具有非常高的火焰速度。氢能够以2.83 m/s的速度燃烧，而汽油仅有0.34 m/s，这使内燃机能最大限度地接近其理想的热力学循环。但是，高的火焰速度对点火时间的要求更加严格。氢在火焰速度下的最高火焰温度高达2 100，高于一般烃类物质。但在稀混合物中，火焰速度明显降低。
1.2.8 低环境污染
氢优于化石燃料，不仅由于氢是自然界广泛存在的元素，而且因为氢与空气混合气燃烧产物中唯一的有害成分是氮氧化物，无其他有害排放物。
2 车用氢内燃机系统及结构调整
氢内燃机保留内燃机基本结构，沿用曲柄连杆机构、配气机构等结构[6]。另一方面，由于氢燃料不同于传统石油制品燃料，因此，需要对燃料供应系统、控制与管理系统及燃料燃烧系统和局部零部件进行改进设计。
2.1 氢燃料供给系统
根据氢燃料喷射位置的不同，氢内燃机可以分成缸外喷射式和缸内直喷式2类。
缸外喷射式，是指在进气道喷射氢燃料，与传统的气体燃料内燃机结构相似，因而大幅度减小了其研发的难度。由于氢气的密度较低，会占据较大的空间，导致可吸入空气量减少，最终形成的氢与空气的理论混合气热值降低，单位工作容积发出的功率有所下降[7-8]。
缸内喷射方式相比前者更为完善，在压缩冲程过程中，直接将气体喷射进入燃烧室。当气体喷射后进气阀被关闭，这样就避免了进气冲程过程中造成的过早点火，也防止了回火。直接喷射解决了早燃问题，但由于直接喷射系统减少了气体和空气的混合时间，使得两者混合并不太均匀，可能造成氮氧化合物的排放量高于非直接喷射系统。目前，缸内直喷式氢内燃机是国际上该领域的主要研究方向。
2.2 点火系统
由于氢所需点火能量较低，因此，点燃氢可以使用汽油点火系统。在稀空燃比的条件下，混合气的火焰速度大大减少，因此，最好使用双火花塞。内燃机的火花塞有冷式和热式2种类型。冷式火花塞能够比热式火花塞更快地将热量迅速从活塞端转移至汽缸盖，使火花塞尖端点燃可燃混合气的概率降低。热式火花塞的设计用于保持一定热量以避免碳沉积。因为氢内燃机不含碳，因此，一般采用冷式火花塞，目的为迅速降温，因此，避免出现热活塞导致早燃的可能性。同时，也应避免采用铂，因为铂是一类促进点火的催化剂。
2.3 排气系统
相比普通汽油排气，氢排气温度约为汽油排气温度的1/3。氢内燃机排气系统的主要问题是会在内燃机缸体内生成大量的水。因此，其排气系统必须通过设计以便使水通过尾管排出，因为在寒冷的气候，其可能结冰导致事故。因此，排气的设计应采用不锈钢排气管，而不可采用易于变形的铁尾管，防止排气系统部件生锈或积水。
2.4 曲轴箱通风和过滤系统
氢内燃机采用火花点火，要包含曲轴箱通风和过滤系统。在燃烧室，活塞顶部的环沟和汽缸内的挤流区机油产生的积炭是潜在的发热点。氢会与这些积炭发生反应并引起剧烈燃烧现象，这对内燃机的内部组件危害极大。氢燃料的发动机在上述这些区域的积炭最有可能来源于曲轴箱通风系统。此外，通过活塞环的气体含有油雾和水等。石油燃烧时会导致积炭，水分将会使发动机性能恶化，并最终损害发动机的内部组件，因此，减少积炭及降低水分可谓至关重要。
3 氢内燃机的技术难点
目前，国内外研究表明，氢内燃机所遇到的最主要问题是早燃和回火问题。因此，有必要研究氢内燃机的异常燃烧，尤其是早燃和回火的原因。
与传统内燃机相比，因为氢的低点火能量、燃烧速率快，可燃范围、熄火距离短以及点燃后造成缸内压力升高率过大，所以，早燃在氢内燃机中的问题更大。当燃料混合物在燃烧室先于火花点燃被点燃时，就发生早燃现象，导致整机效率降低。如果早燃发生于燃油进气阀附近，并且火焰返回至感应系统，就会造成回火现象发生。早燃和回火易发生在采用外部混合气形成方式下的氢内燃机上，在高压缩比、高负荷工况下更易于发生[9]。
原因是在高压缩比、高负荷下，燃料释放的热量较多，以致排温有所升高，而高速工况则容易使燃烧滞后，也有助于排温升高。这样在进气阀开启后，残余废气仍保持较高的温度，从而使氢气在进气行程中被高温的残余废气所点燃产生回火[10]。
4 氢内燃机汽车的技术发展
4.1 国外氢内燃机汽车的技术发展
1968年，苏联科学院西伯利亚分院理论和应用力学研究所对车用内燃机进行了分别燃用汽油和氢的试验，并研究了改用液氢的结构方案，试验取得成功[11]。
美国于1972年在通用汽车公司的试车场上，举行了城市交通工具对大气污染最低的比赛，结果大众汽车公司的改用氢的汽车一举夺魁。
日本武藏工业大学与日产公司长期合作，于1974年开始研制“武藏1号”氢燃料汽车，又于1990年研制成功“武藏8号”液氢内燃机汽车，并于同年在美国夏威夷召开的第八届世界氢能会议上展出[12]。
宝马公司于1979年开始研发氢内燃机动力。2004年9月，其在法国用一部名为H2R的氢内燃机驱动的汽车创造了9项速度记录。2006年11月22日，宝马H2R诞生于柏林，并在2007年上海车展上完成了在我国的首次亮相。
马自达公司从20世纪80年代末开始持续开展转子式氢内燃机研究开发。2004年推出装有氢燃料Renesis转子发动机的RX-8跑车。2006年3月，又研发出RX-8RE氢能源汽车。后续出现的马自达Premacy是在RX-8RE基础上研发出的新型氢能源汽车，也采用氢-汽油双燃料模式，并于2008年车展亮相。
4.2 国内氢内燃机汽车的技术发展
20世纪后期，国内以高等院校为主对氢内燃机的燃烧规律和机理进行了原理探索，开展了氢内燃机总体设计、车载氢供应系统、电子控制系统、性能匹配等多项相关基础研究，得到原国防科工委、科技部863相关课题的资助，取得了一定的研究成果。
我国在该方面的研究起步较晚，虽然在氢能源的制取和供应上取得了很多卓有成效的研究成果，为氢内燃机的应用奠定了良好的基础，但是在关键技术上与国外还存在较大的差距，在规模制氢、增压技术、氢气供应与安全系统、控制策略、排放控制技术、综合电子管理系统等技术领域仍处于起步阶段。
5 结语与展望
相比于传统内燃机汽车，氢内燃机汽车在节能、环保等方面均有着其自身的独到优势，汽车如采用氢能源可有效缓解当前的能源危机，并且有效实现环境友好的可持续发展战略。
不可否认，目前氢内燃机如要应用于汽车动力装置依然有着一系列技术弊端，如早燃、回火等不正常燃烧现象，并且氢燃料自身的制取及供给体系依然未成熟[13-14]。因此，就目前发展的技术趋势而言，更为实际的发展方向是燃用氢气与其他燃料（如汽油或天然气等）的混合燃料，燃用纯氢的内燃机汽车目前仍处于研发阶段。
尽管我国在氢内燃机技术领域相对世界先进水平仍有较大的差距，但随着相关技术的不断发展与完善，终将该类新能源汽车的应用与推广。