madiАвтомобиль. Дорога. Инфраструктура. = Avtomobil'. Doroga. Infrastruktura.Avtomobil'. Doroga. Infrastruktura.2409-7217МАДИmadi-1559Research Article2.4.7. Турбомашины и поршневые двигателиОбзор технологий применения водорода в двигателях с искровым зажиганиемAn Overview of Hydrogen Application Technologies in Spark-Ignition EnginesФанВан ТхачPhanVan Thach

аспирант

postgraduate

phanvanthachthuha@gmail.comДунинАндрей ЮревичDuninAndrey Yu.

д-р техн. наук, доцент

Doctor of Sciences (Technical), associate professor

a.u.dunin@yandex.ruХоангТху ХаHoangThu Ha

слушатель подготовительного факультета

Student of the Preparatory Department

hoangthuhavathach@gmail.comНгуенДык КиенNguyenDuc Kien

аспирант

postgraduate

vacnike911@gmail.comМАДИВьетнамMADIViet Nam20263103202601(47)22Copyright © Фан В., Дунин А.Ю., Хоанг Т., Нгуен Д., 20262026Фан В., Дунин А.Ю., Хоанг Т., Нгуен Д.Phan V., Dunin A.Y., Hoang T., Nguyen D.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.adi-madi.ru/madi/article/view/1559

В статье рассматриваются перспективы использования водорода в качестве экологически чистого топлива для двигателей с искровым зажиганием (ДсИЗ). На основе анализа литературных данных проведено сравнение водородных и бензиновых ДВС. В работе выявлено преимущество водорода по выходной мощности и среднему эффективному давлению, реализуемое за счет перехода на степень сжатия 14,5:1. Это обусловлено высокой температурой самовоспламенения газа (858°C) и его исключительной теплотворной способностью, которая почти в три раза превышает показатели бензина (120 МДж/кг против 44 МДж/кг). Анализ показал более высокий эксергетический КПД водородного ДВС (69,40% против 60,49%) вследствие снижения необратимости. В работе систематизированы основные подходы к адаптации существующих ДВС под водородное топливо: частичная замена бензина или полный переход на водород, а также методы подачи топлива (непосредственный и распределенный впрыск). Особое внимание уделено анализу аномальных явлений, таких как детонация и преждевременное воспламенение, возникающих при работе на водороде, и рассмотрены преимущества использования обедненных смесей для их минимизации. Рассмотрен патент компании Toyota, предлагающий использование впрыскивания воды  для минимизации эмиссии оксидов азота (NOx) и оптимизации термодинамического КПД установки. В работе приведен подробный анализ двух конфигураций водородных двигателей, оснащенных системами рециркуляции ОГ (EGR). Кроме того, представлена принципиальная архитектура экспериментального комплекса, предназначенного для проведения стендовых испытаний.

This article explores the prospects of using hydrogen as an environmentally friendly fuel for spark-ignition (SI) engines. Based on a comprehensive literature review, a comparative analysis between hydrogen-powered and gasoline-fueled internal combustion engines (ICE) was conducted. The study identifies hydrogen's advantages in terms of power output and brake mean effective pressure (BMEP), achieved by increasing the compression ratio to 14.5:1. This is attributed to hydrogen's high auto-ignition temperature (858°C) and its exceptional heating value, which is nearly three times that of gasoline (120 MJ/kg versus 44 MJ/kg). The analysis reveals a higher exergy efficiency for the hydrogen engine (69.40% compared to 60.49%) due to reduced irreversibility. The paper systematizes primary approaches for adapting existing ICEs to hydrogen fuel, including partial gasoline substitution, full hydrogen conversion, and fuel delivery methods (direct and manifold injection). Particular emphasis is placed on analyzing combustion anomalies, such as detonation and pre-ignition, occurring during hydrogen operation, alongside the benefits of utilizing lean mixtures for their mitigation. A Toyota patent proposing water injection to minimize nitrogen oxide (NOx) emissions and optimize thermodynamic efficiency is examined. Furthermore, the study provides a detailed analysis of two hydrogen engine configurations equipped with exhaust gas recirculation (EGR) systems. Finally, the fundamental architecture of an experimental setup designed for bench testing is presented.

двигатель с искровым зажиганием (ДсИЗ)водороддетонациянепосредственное впрыскиваниеобедненные смесиspark ignition internal combustion engine (SI engine)hydrogenknock probability determinationdirect injectionlean mixturesReferencesАльтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания /ReferencesА. А. Александров, И. А. Архаров, В. В. Багров [и др.] ; Под редакцией А. А. Александpова, В. А. Маpкова. – Москва : ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. – 790 с. – ISBN 978-5-7013-0140-3. – EDN VCHZNB.Aleksandrov A. A., Arkharov Y. A., Bagrov V. V., Gaivoronsky A. I., Grekhov L. V., Devyanin S. N., Ivashchenko N. A., Markov V. A. Al'ternativnye topliva dlya dvigatelej vnutrennego sgoraniya (Alternative fuels for internal combustion engines), Moscow, OOO NICAmmonia/hydrogen mixtures in an SI-engine: Engine performance and analysis of a proposed fuel system / C. S. Mørch, A. Bjerre, M. P. Gøttrup [et al.] // Fuel. – 2011. – Vol. 90, No. 2. – P. 854-864. – DOI 10.1016/j.fuel.2010.09.042. – EDN OBEAYB.«InzheneR», OOO «Oniko-M», 2012, 790 p., ISBN 978-5-7013-0140-3.The role of hydrogen for future internal combustion engines / A. Onorati, R. Payri, Bm. Vaglieco [et al.] // International Journal of Engine Research. – 2022. – Vol. 23, No. 4. –Mørch C.S., Bjerre A., Gøttrup M.P., Sorenson S.C., Schramm J.P. 529-540. – DOI 10.1177/14680874221081947. – EDN JRPOGW.Ammonia/hydrogen mixtures in an SI-engine: Engine performance and analysis of a proposed fuel system, Fuel, 2011, vol. 90, no. 2, pp. 854–864, doi 10.1016/j.fuel.2010.09.042.Pourkhesalian, A. M. Alternative fuel and gasoline in an SI engine: A comparative study of performance and emissions characteristics / A. M. Pourkhesalian, A. H. Shamekhi,Onorati A., Payri R., Vaglieco Bm., Agarwal Ak., Bae C., Bruneaux G., CanakciF. Salimi // Fuel. – 2010. – Vol. 89, No. 5. – P. 1056-1063. – DOI 10.1016/j.fuel.2009.11.024.M., Gavaises M., Günthner M., Hasse C., Kokjohn S., Kong S.C., Moriyoshi Y., Novella R., Pesyridis A., Reitz R., Ryan T., Wagner R., Zhao H. The role of hydrogen for future internal combustion engines, International Journal of Engine Research, 2022, vol. 23, no. 4, pp. 529– 540, doi 10.1177/14680874221081947.Fauzan, M. F. Comparative thermodynamics analysis of gasoline and hydrogen fuelled Internal Combustion Engines / M. F. Fauzan // International Journal of Advanced Scientific Research and Management (IJASRM). – 2017. – Vol. 2, No. 3. – P. 87-99..Pourkhesalian A. M., Shamekhi A. H., Salimi F. Alternative fuel and gasoline in an SI engine: A comparative study of performance and emissions characteristics, Fuel, 2010, vol. 89, no. 5, pp. 1056-1063.Локальный теплообмен в камере сгорания водородного двигателя, работающего на обедненной горючей смеси / Р. З. Кавтарадзе, А. М. Кондратьев,Fauzan M. F. Comparative thermodynamics analysis of gasoline and hydrogen fuelled Internal Combustion Engines, International Journal of Advanced Scientific Research and Management (IJASRM), 2017, vol. 2, no. 3, pp. 87-99, ISSN 2455-6378.Ч. Жунжун [и др.] // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2021. – № 1. –Cheng R. R. Lokal'nyj teploobmen v kamere sgoranija vodorodnogo dvigatelya, rabotayushchego na obednennoj smesi (Local heat transfer in the combustion chamber of a hydrogen engine operating on a lean mixture), Doctor's thesis, Moscow, MGTU im. N.E. Baumana, 2021, 142 p.С. 97-107. – DOI 10.31857/S0235711921010120. – EDN TZGETX.Suzuki Y., Tsuchiya T. Patent US 2023/0304452 A1, 28.09.2023.Пат. US 2023/0304452 A1 Соединенные Штаты Америки, МПК F02B 17/00, F02D 41/00. Hydrogen fueled engine with jet ignition / Suzuki Y., Tsuchiya T. ; заявитель и патентообладатель Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha. – № 17/803212 ; заявл. 22.03.2022 ; опубл. 28.09.2023, Бюл. № 39. – 12 с. : ил.Нгуен В.З., Дунин А.Ю. Avtomobil' • Doroga • Infrastruktura: Elektronnyj nauchnyj zhurnal, 2024, no. 4(42), pp. 1–12.Оценка показателей двигателя с искровым зажиганием при его работе на аммиаке / В. З. Нгуен, А. Ю. Дунин, Э. У. Ахметжанова [и др.] // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. – 2024. – № 4(42). – EDN XALNTH.Pielecha I., Szwajca F. Combustion Characteristics of a Hydrogen-Fueled TJI Engine under Knocking Conditions, Energies, 2024, vol. 17, no. 6, 1324, 18 p.Pielecha, I. Combustion Characteristics of a Hydrogen-Fueled TJI Engine under Knocking Conditions / I. Pielecha, F. Szwajca // Energies. – 2024. – Vol. 17, No. 6. – P. 1324. – DOI 10.3390/en17061324. – EDN YXAKOO.Bosch Mobility Solutions. Electronny resurs “Official site”, Gerlingen, available at: bosch-mobility.com/en/solutions/powertrain/gas/direct-injection-for-hydrogen-engines/ (accessed: 03.02.2026).Bosch Mobility Solutions: Герлинген. – URL: bosch-mobility.com/en/solutions/powertrain/gas/direct-injection-for-hydrogen-engines/ (дата обращения: 03.02.2026).Bosch Mobility Solutions: Герлинген. – URL: bosch-mobility.com/en/solutions/powertrain/gas/direct-injection-for-hydrogen-engines/ (дата обращения: 03.02.2026).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.