AdaptH2硬件（图片：Hoerbiger）2022年，当时的《柴油机进展国际》（Diesel Progress International）杂志报道了霍尔比格公司正在进行的氢燃料喷射器研发工作。这家全球科技公司发动机业务部负责人伯恩哈德·泽曼表示，这些喷射器仍在研发中，但正朝着批量生产的方向发展。
他解释说：“这与市场直接相关。燃料电池注定会率先进入市场，但这项技术在交通运输方面无法满足需求，也无法提供某些行业所需的稳定性。因此，我们仍在继续研发氢内燃机相关技术；当市场准备好接受这项技术时，我们也将做好准备。”
虽然 H2 喷射器技术的最终工作即将完成，但 Hoerbiger 和 Altronic（Hoerbiger 集团成员）与氢气燃烧系统技术供应商 Prometheus Applied Technologies 合作，正在推进氢气点火解决方案的开发。
“我们知道这是一个有效的解决方案，能够为重型发动机提供所需的动力并实现脱碳。” ——霍尔比格公司 Bernhard Zemann
伯恩哈德·泽曼（照片：霍尔比格）内燃机的其他大部分部件，包括气缸、缸体等，都得以沿用，因此，喷油器和点火系统对于充分发挥氢气燃烧的潜力至关重要。凭借这些部件的研发，霍尔比格正利用其在燃气动力领域的专业知识，将自身定位为氢气燃烧关键部件（气门室盖垫片以上部分）的专业供应商。
泽曼表示，氢气喷射器和点火系统将同时准备就绪，推向市场。“关于氢气燃烧是否是一种可行的解决方案，一直以来都存在争议。但现在我们已经完成了这项工作，我们知道这是一种有效的解决方案，能够为重型发动机提供所需的动力并实现脱碳。”
克服功率损失
从研发之初就显而易见，如果没有专用的氢燃料喷射器，将原有的柴油发动机改装成使用氢燃料是不可能的。如今，氢气点火也面临着同样的问题，它需要一套专门设计的系统，能够在极稀薄燃料混合气的严格精度范围内启动和控制燃烧。
“两年前，问题是‘将柴油发动机改装成使用氢气发动机的最低要求是什么’，答案始终是喷射器。这是唯一的改变，原则上其他一切都可以沿用，”泽曼说道。
泽曼表示，虽然可以沿用柴油发动机的那些专用部件，但在这种配置中使用氢气会导致功率密度和效率损失20%到30%。“这只能是默认的损失，”他无奈地说。正是在这种情况下，霍尔比格公司的工程师们开始着手改进氢燃料的点火方式，目标是使其功率和效率与柴油发动机持平。
“我们发现，燃烧系统策略对功率输出的影响甚至比喷油器喷出的完全均匀的空气/燃料混合物还要大，”泽曼解释说。
为了实现柴油/氢燃料动力相当的目标，工程师们研究了已获专利的气体燃料发动机技术。该技术于2022年开发，采用可控预测的预燃室点火模型进行燃烧。
采用普罗米修斯燃烧技术的发动机效率（图片：霍尔比格）泽曼将这种燃烧技术描述为天然气发动机的“锦上添花”功能。但对于氢燃料发动机而言，它并非锦上添花——它对于提高燃料利用率和动力输出效率至关重要。
他补充道：“这就是如何弥补那20%到30%的功率密度和效率差距的方法。这也是如何让氢燃料内燃机获得与柴油发动机相媲美的性能的方法。”
点火是关键
控制每个循环中燃烧过程起始点的变化是控制稳定性的关键，从而实现所需的突破，达到相同的功率和效率。这是因为燃料能量在整个燃烧过程中并非恒定不变——性能实际上是在点火瞬间决定的；必须调整点火能量才能达到所需的燃烧点。
实时地，这意味着在100微秒（即1亿分之一秒）内对火花能量进行重新调整。这种能量调整是为了补偿电极上火花起始点的偏差，目的是在每个循环中保持相同的燃烧点。
“测量方法是观察火花是位于电极的前缘还是后缘，并与气流方向进行比较，”泽曼解释说。“然后，微处理器会确定实现所需燃烧启动所需的正确火花能量，同时防止电极上出现热点，从而避免燃烧不稳定和火花塞寿命缩短。”
“这一切对汽油发动机的影响非常显著，但对氢燃料发动机的影响则远不及此。如果火花塞的传播时间相差一毫米，就会造成完全不同的燃烧情况。”
如果火花出现在后缘，则更靠近开放的空气/燃油混合气，因此所需的能量较少。相反，如果火花出现在前缘，则距离较远，需要更多能量才能达到燃烧的起始点。
燃烧事件序列的这种平稳化有助于防止失火、爆震等，但同时也防止燃烧室内特定区域积聚热量，而热量积聚是另一个问题，因为它会导致过早燃烧、效率损失和功率输出降低。
通过优化氢气喷射、基于先进 CFD 燃烧过程的自适应点火控制以及火花塞设计，可以消除与氢气相关的燃烧不稳定性，并实现更高的功率密度。
泽曼毫不夸张地评论道：“你需要喷油器提供理想的空燃比，但将这一点与该工艺相结合，可以弥补之前氢发动机因失火造成的25%的功率损失，同时消除爆震。结果令人震惊，这是一场革命！”
流动动力学涡旋
虽然控制点火事件的能量对于从氢内燃机中获得类似柴油机的性能至关重要，但还有其他一些特性也发挥着重要作用。
环形涡流中燃料混合示意图（图片：Hoerbiger）其中之一是环形涡旋的形成。这种甜甜圈形状与聚变反应堆托卡马克装置中的等离子环颇为相似，有利于超稀薄空气/燃料混合物的快速完全燃烧。完全燃烧意味着不会残留任何燃料，从而避免影响下一次喷射事件的混合比。
“这就是我们选择端口喷射架构的原因，”泽曼说道。“端口系统能够确保正确的扩散角度，从而实现理想的流动动力学。这并非关乎能量的多少，而是完全取决于流动动力学。”
为了实现这一目标，在进气阀前方设置了一个微型金属导流板，用于引导空燃混合气并形成稳定的涡流，从而减少循环间的波动。当新型点火装置上市时，该导流板将被集成到系统本体中。
霍尔比格公司正在研发的新型点火装置似乎已经克服了氢气作为内燃机燃料的一些重大难题。而且，与需要超纯氢气的燃料电池不同，这种装置几乎可以使用任何氢气。此外，它还具有脱碳优势，这些技术将使氢气在市场上更具吸引力——前提是市场已经成熟。
现在是时候拥抱氢能了吗？
在这次采访中，伯恩哈德·泽曼指出，霍尔比格公司将在“市场准备就绪”时推出其用于氢内燃机的零部件。但市场何时才能做好准备呢？
截至发稿时，欧洲天然气储存量为容量的 59%，这是自俄罗斯非法入侵乌克兰导致天然气供应中断以来的最高水平。
受东欧冲突及相关制裁的影响，天然气价格上涨了十倍。为避免由此引发的能源危机，各国政府敦促企业开发包括氢气在内的替代燃料的生产和使用途径。
展望未来，预计欧洲天然气储量将在今年冬季前达到产能的95%。这种新的储量激增可能会使新能源供应商更难获得生产和输送新燃料所需的投资。鉴于此，氢能技术何时才能在市场中得到充分发展，这个问题也变得越来越难以回答。
