氢燃料内燃机保留传统内燃机基本结构，沿用曲柄连杆机构、配气机构、固定件等结构形式。另一方面，由于氢燃料与传统的汽油机、柴油机不同，因此需要根据氢燃料的特点，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。氢内燃机的主要结构组成如下部分。^{[5，6，12，13]}

（1）氢燃料发动机控制系统

氢发动机配备了电子控制单元，控制系统的传感器包括曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器、空气温度/压力传感器、氢气温度传感器、氢气压力传感器、冷却液温度传感器、爆燃传感器和节气门位置等传感器。图15-3显示其结构示意图，可以看到，发动机监测水/油/空气的温度和曲轴/凸轮位置。它也控制喷油器开启时间，火花点火系统和电子节流阀。它能够控制以下参数：

1）发动机配置，其中包括汽缸数，点火顺序，点火系统类型，触发系统类型；

2）喷射长度图；

3）点火示意图（定时提前）；

4）设置（如果存在的电气油门）；

5）喷射温度补偿；

6）氧控制回路参数。

（2）发动机氢气供给系统

整个氢气供给系统主要包括氢气瓶、减压阀、氢气过滤器、氢气稳压气轨、氢气温度传感器、氢气压力传感器、氢气喷射阀和氢气引管。根据氢燃料喷射位置的不同，氢燃料内燃机可以分成缸外喷射式（外部混合式）和缸内直喷式（内部混合式）两种。

图15-3 发动机控制系统示意图^[6]

图15-4 氢燃料内燃机燃料喷射和混合方式

a）缸外喷射方式（外部混合） b）缸内喷射方式（内部混合）(www.daowen.com)

缸外喷射式，如图15-4a所示，是指在进气道喷射氢燃料，进气道喷射结构简单，与传统的气体燃料（如天然气）内燃机结构相似，因而大大减小了在研发生产上的难度。由于氢气的密度极低，进气道喷射的氢气必然要占据很大的气缸空间，如图15-5所示，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下降。在理论混合比状态下，氢气占用约1/3的气缸容积，而相同工况下，汽油只占用1.7%的气缸容积。这导致缸外喷射式氢燃料内燃机比汽油机的功率降低15%左右。进气道喷射在高负荷、高压缩比下易发生早燃、回火等异常燃烧，通过调整发动机的运行参数可以在一定程度上消除回火等不正常燃烧的现象。

缸内喷射方式，如图15-4b所示，是更加完善的氢发动机，它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。直接喷射的氢发动机的输出功率比汽油发动机提高了20%，比中央喷射的氢发动机提高了42%。直接喷射解决了早燃问题，但是由于直接喷射系统减少了气体和空气的混合时间，使得两者混合不是很均匀，可能造成氮氧化合物的排放量高于非直接喷射系统。另外，缸内喷射式氢燃料内燃机的喷射压力较高，且喷嘴直接置于高温高压的气缸内，使得喷射系统复杂、部件可靠性问题突出。另外，由于混合过程很短，增大了混合和点火组织的难度。但是，随着技术的进步，这些问题都能得到解决。目前缸内直喷式氢燃料内燃机是国际上氢燃料内燃机研究的主要方向。

（3）点火系统

由于氢具有低点火能量，点燃氢可以使用汽油点火系统。在稀空气/燃料比下，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两种类型。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，使火花塞尖端点燃空气/燃料的几率降低。热式火花塞的设计用来保持一定热量以避免碳沉积。因为氢内燃机不含碳，所以一般采用冷式火花塞，目的是迅速降温，因此避免出现热活塞导致早燃的可能性。同时也应当避免采用铂，因为铂是一种促进点火的催化剂。

（4）排气系统

相比普通汽油排气温度约为815℃，氢排气温度约为371℃，只约为汽油排气温度的1/3，采用传统内燃机排气系统设计没有问题。排气系统的主要问题是发动机中生成大量的水。消耗每加仑气体有1加仑的水生成。排气系统必须设计使得水通过尾管排出，因为在寒冷的气候中它可能结冰从而造成事故，所以，排气的设计应该使用不锈钢的排气管，而不能使用易变形的铁尾管，防止排气系统部件生锈和积水。

图15-53 种类型的氢燃料内燃机与汽油机的比较^[7]

a）汽油机 b）缸外气态喷射氢气发动机 c）缸外液态喷射氢气发动机 d）缸内喷射氢气发动机

发动机的排气系统上安装一个涡轮增压器，能注入额外的进气。该涡轮充电器由废气和燃烧过程中产生的热量来驱动，没有涡轮增压器时这些能量被浪费。提供额外空气的涡轮增压器在发动机的进气口是由废气阀门控制。另外，由于涡轮增压器的轴承润滑和冷却靠的是发动机油，从涡轮增压器轴承流回的发动机油的温度会增加。需要添加涡轮充电器系统的机油冷却器，机油冷却器要大小适当以维持安全工作温度。

（5）曲轴箱通风和过滤系统

氢燃料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爆炸，这对发动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。石油燃烧时会造成积炭，水分将导致腐蚀和发动机的性能恶化，并最终损害发动机的内部组件，因此减少积炭和降低水分是至关重要。

利用合成发动机油（非碳基油），并通过机油过滤分离器，可消除曲轴箱的大部分排放问题。曲轴箱的气流从发动机流经阀膜片下方的分离器进入到元件，该阀可使曲轴箱保持较小的负压以减少发动机的颤动并防止密封损坏。然后，气流通过过滤介质，污染物被过滤，机油从空气中分离出并被收集于机器外壳，然后返回曲轴箱。在排水管道安装一个止回阀以防止气流从曲轴箱回流。过滤后的气流再通过进气口过滤器返回到发动机进气口以重新燃烧。