（动力机械及工程专业论文）柴油机掺氢关键技术及实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论义 摘要 近年来，我国汽车产量和保有量飞速增加，但石油资源的短缺和汽车尾气排 放污染曰益严重给汽车工业的进一步发展带来严重的挑战。为此，寻找可以代替 石油的清洁能源是内燃机技术重要的发展方向。作为最清洁的车用发动机代用燃 料，氢气( h y d r o g e n ) 在提高内燃机经济性、降低发动机烟度排放等方面有其独 特的优势。同时，柴油机被广泛应用于国民经济各个领域。以柴油机为基础实现 发动机的双燃料工作，是代用燃料发动机发展的一个重要方向。 本文通过对现有双燃料发动机技术的研究，结合氢气燃料的特点，采用进气 总管单点电控喷射，完成了一套电控氢气供给系统的设计，实现了原y c 6 j 1 9 0 2 0 柴油机的双燃料运行。系统以摩托罗拉m c 6 8 h c 9 0 8 u 1 2 型单片机为控制核心， 采用氢气喷射器作为执行元件，配合合理的输入输出接口电路来实现氢气喷射的 精确控制。 然后对原柴油机与改装后的电控柴油掺氢双燃料发动机的动力性、经济性、 排放性能进行了对比试验，试验结果表明，本文设计的电控喷氢双燃料发动机工 作稳定可靠，掺氢燃烧可有效地降低发动机排放。 最后，对论文工作进行了总结并分析了存在的问题，提出了下一步的工作方 向。 关键词：氢气，柴油，双燃料发动机，电控喷射，排放 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yh a se x p a n d e ds w i f t l y o nt h eo t h e r s i d e ，t h es h o r t a g eo fp e t r o l e u mr e s o u r c e sa n d t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sp o l l u t i o n c a u s e db yt h ea u t o m o b i l ee x h a u s te m i s s i o n s ，b r i n g i n gs e r i o u sc h a l l e n g e st ot h e 摘要 f u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y h y d r o g e n ，a sa na l t e r n a t i v ee n g i n e f u e l ，h a si t su n i q u ea d v a n t a g e si ni m p r o v i n gt h ee c o n o m ya n dr e d u c i n ge n g i n e s m o k ee m i s s i o n s d i e s e le n g i n eh a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d sa n di sp l a y i n ga n i m p o r t a n tr o l ei np e o p l e sl i f e ，s ot od e v e l o pad u a lf u e le n g i n ef r o mt h eb a s eo f d i e s e li sac o n c e r n f u lr e s e a r c hd i r e c t i o nf o re n g i n e sw h i c hc o n s u m ea l t e r n a t i v ef u e l b a s e do nt h ed e t a i l e dr e s e a r c ho nd u a lf u e le n g i n ea tp r e s e n ta n dt h ep o s i t i v e f e a t u r e so fh y d r o g e n ，t h i sp a p e rp r o v i d e da ne l e c t r o n i cc o n t r o lh y d r o g e ns u p p l y s y s t e mt of u l f i l lt h ef u n c t i o no fd u a lf u e lo nt h ed i e s e le n g i n e t h em c 6 8 h c 9 0 8 l 1 1 2 s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o rw a s u s e da st h ek e r n e lo fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) t h ek e i h i nh y d r o g e ng a si n j e c t o rw a su s e da st h ea c t u a t o r t h i ss y s t e mw a sm a t c h e dw i t ht h e y c 6 j 1 9 0 - 2 0d i e s e le n g i n e t h ec o m p a r i s o no f p o w e rp e r f o r m a n c e ，e c o n o m ya n de m i s s i o n sp e r f o r m a n c eb e t w e e no r i g i n a le n g i n e a n dt h eh y d r o g e n d i e s e id u a lf u e le n g i n ew e r em a d e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mh a sah i g h e rs a f e t ya n dr e l i a b i l i t y ，a n di se f f e c t i v ei nr e d u c i n ge m i s s i o n s a tt h ee n do ft h i sp a p e r ，as u m m a r i z a t i o nw a sp r e s e n t e da n dt h ew o r kd i r e c t i o n o fn e x ts t e pi sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：h y d r o g e n ld i e s e l 。d u a lf u e le n g i n e e l e c t r o n i ci n j e c t i o n 。e m i s s i o n s 学号2 q 鱼q 壑2 31 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿叁堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学二论文作者签名：王女签字日期：彬口罗年6 月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸江盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：fd 。 签字目期：饥弼年月z 目 新虢纠 签字日期：。沙眸j 5 月彳日 工作单位：竞为乡超饩到秃彩犯话：f 多7 岁罗乃军形。 通讯地址：辱蓑7 5 匆猁蘑菇羁亳础坼手邮编：j 23 乃y 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 内燃机自诞生以来，由于其高的热效率、良好的适应性以及宽广的功率范围 等特点，在工业、农业、交通运输和国防建设等领域得到了广泛的应用。近年来， 经过无数科学工作者的辛勤努力，内燃机成功地引入了一些新的技术，取得了许 多可喜的进展，显示了具有百年历史的内燃机仍具有很大的发展潜力。 随着世界各先进工业国家经济的不断发展，环境污染问题受到越来越多的关 注。由于各国交通运输车辆的大幅增加，其尾气排放已成为城市的主要的污染源 之一。据统计，城市空气污染物的6 0 到8 0 是由车辆排放造成的。因此，有效 地控制内燃机的排气污染，对提高人们的健康水平和生活质量具有重要的意义， 同时也是影响内燃机及车辆公司的销售和竞争能力的一个重要因素。因此，各国 都在相继投入大量的人力、物力研究内燃机的有害排放物控制技术，并出台越来 越严格的排放法规以有效地限制内燃机对空气的污染。 虽然我国汽车工业起步较晚，但随着国民经济的高速增长，汽车产量和保有 量也迅速增长。我国汽车市场消费量，1 9 9 9 年，我国汽车年产量己达1 8 3 4 万辆， 1 9 9 8 总保有量为1 3 1 9 3 万辆。1 9 9 9 年摩托车产量为1 1 2 6 9 万辆，1 9 9 8 年摩托 车的总保有量为2 0 4 2 6 力 辆。特别是从2 0 0 1 年以来，以3 0 的速率增长，2 0 0 3 年全国汽车产销量突破4 0 0 万辆，根据科技部专家的研究预测，到2 0 2 0 年，汽 车保有量在中国可能达到一亿辆，年产销量有可能超过1 0 0 0 万辆。如此大量的 汽车数量，尾气排放对交通环境和城市环境的影响可想而之。 我国从8 0 年代起先后制定了有关汽车排放标准和试验法规，目前仍在进一 步充实和完善。我国正在推广使用无铅汽油以及发展汽油喷射、三效催化技术， 2 0 0 0 年7 月1 日全国己全面实现车用汽油的无铅化。从2 0 0 0 年1 月1 日起执行 欧洲l 号排放标准，污染物排放比原来用车的排放水平减小了8 0 以上，从2 0 0 4 年开始执行中国第1 i 阶段( 欧1 1 ) 排放标准。现在我国已经实行了中国第川阶段 ( 欧i i i ) 排放法规。国家要求在2 0 1 0 年前后，争取与国际先进的排放控制标准 接轨。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 另一方面，世界的石油资源终将日趋减少，石油燃料的短缺现象也必然会出 现，而且会日益严重，因此从7 0 年代开始各国就纷纷研究对策，一方面深入研 究内燃机的节能，降低比油耗；一方面挖掘潜力，改变燃料的使用方式，研究内 燃机的代用燃料。由非石油系液体燃料代替石油系燃料在内燃机中的应用，早在 第二次世界大战期间就得到过一定程度的发展，但在战后相当长的时间内，由于 中东等地石油的大规模开发，抑制了非石油系液体燃料( 常称代用燃料) 的发展。 1 9 7 3 年以来，由于出现了几次石油危机，能源紧缺和能源分布不均衡等原因， 使非石油系液体燃料又重新得到了国内外内燃机界的重视，并加速研究，特别是 缺油国家如日本，巴西等国，更是加速了这种代用燃料的研究。 我国石油资源短缺，进口日益增多，石油对外依赖度已经超过3 0 。1 9 9 0 年我国石油进口几乎为零，而从1 9 9 4 年起开始持续增长，1 9 9 7 年就已经占到石 油消费总量的1 5 ，2 0 0 3 年我国石油进口超过一亿吨，其中原油进口9 1 0 0 万吨， 成品油2 8 0 0 万吨，比同比增长超过3 0 。中国已成为世界第二大石油消费国， 超过日本。根据这一速度推算，2 0 2 0 年我国6 0 的石油消费将依赖进口。我国 的石油供给面临着严峻的形势，能源安全问题十分突出。 最后是温室效应问题，石化燃料主要是由碳氢化合物构成，燃烧产生大量的 二氧化碳。二氧化碳是一种温室气体，会造成温室效应。我国是温室气体，二氧 化碳排放的大国，多种排放物跃居世界第一，二氧化碳是世界第二，温室气体排 放已越来越成为敏感的政治、经济外交问题。 纵观我国能源环境发展的需求，审视我国汽车工业发展的历史和现状，我们 有理由确定发展清洁能源汽车的运输工具是保持我国国民经济长期持续稳定发 展，保证能源安全，保证环境清洁的必然选择。 目前，清洁燃料汽车的发展主要分三个阶段，即近期，中期和长期目标。 在近期，主要发展燃气汽车，特别是天然气汽车，开发出了1 0 多个品种的 燃气轿车和公共汽车，1 0 0 多种品种进入了批量生产。可以在现有的汽车基础上 改装而成。2 0 0 3 年，清洁汽车活动已经在全国1 6 个重点城市大规模开展，燃气 汽车保有量已经达到1 9 万辆，加气站达到了5 6 0 多个。同时建立了清洁汽车技 术规范和创新基地。 中期目标是燃料与电池的混合动力汽车和普通电动汽车及其产业化。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在远期，过渡到燃料电池电动汽车，到2 0 1 0 年实现燃料电池汽车的产业化。 在电动汽车的研究开发方面、从2 0 0 1 年，国家实施了电动汽车专项，电动汽车 在整车设计，集成技术方面，关键零部件的性能不断提高。我国已经研发出了燃 料电池电动轿车，燃料电池电动中巴车和燃料电池电动公共汽车。也研究开发出 依镍金属氢化物电池或锂离子二次电池的纯电动轿车，以及燃料电池与二次电 池混合动力汽车。燃料电池在性能可靠性、效率和功率密度等方面都有了明显的 进步。正在向满足实用化和满足整车方向发展。 目前我国的燃气汽车还处于起步阶段，加气站尚不普及，因此两用燃料和双 燃料汽车获得了大量应用，特别是在用车的改造。从理论上看，双燃料发动机具 有如下优点：( 1 ) 它保持了柴油机的高压缩比，具有较高的热效率；( 2 ) 由于 采用柴油引燃，点火能量大大高于火花点火的能量，因而有利于保证着火稳定， 避免失火，加快气体燃料相对较慢的火焰传播速度，提高动力性；( 3 ) 柴油引 燃气体燃料的能量比火花塞点火时能量大得多，对点火正时的控制要求降低，能 够在较宽的空燃比范围工作，对稀燃很有利，可实现较稀薄燃烧；( 4 ) 可大大 降低柴油机的排气烟度，改善柴油机的微粒等排放。 进行柴油机掺氢的设计应用研究能够节约一部分的石油资源，减少汽车尾气 中氮氧化物和碳烟的排放量，有利于保护环境。同时柴油机掺氢实验的研究也是 为了今后进行纯氢发动机设计研究积累经验。 1 2 氢的制取和储存【1 】 制氢的方法有从煤、石油、天然气中制取，有用电解水制取，有用热化学法 从水中制取，有用太阳光从水中制取，还有从生物中制取氢气。现简介如下： 1 从煤中制取氢 煤在水蒸气下与氧气反应可以生成二氧化碳和氢气。此法仍要消耗矿物资源， 而且成本较高，产生的二氧化碳污染大气。 2 从石油中制取氢 本法以石油烃类( 常用渣油) 为原料，在1 3 0 0 。0 下与高温水蒸气及氧反应， 生成氢气和二氧化碳。反应中要提供大量热能，并要消耗石油资源，终产物之一 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的二氧化碳也构成大气污染。用此法制氢作为内燃机的燃料，还达不到节省石油 资源的目的。 在炼油的过程中，有些工艺会有副产品氢产生，如脱氢环化反应。但是，炼 油厂中生产的氢一般自用，用于需要加氢的工艺流程中，如加氢裂解反应中。 3 以天然气为原料制氢 天然气中一般9 0 以上都是甲烷。从甲烷中制氢比上述几种方法要容易。据 报道，目前世界上9 0 以上的氢是由天然气制取的。天然气与水蒸气在6 5 0 , - - 一7 0 0 。c 反应，在镍基催化剂的作用下产生氢气和二氧化碳。 天然气本身就是内燃机的清洁燃料，通过天然气制取氢气来作为内燃机燃料 显然是不合理的。 人们总想不消耗矿物资源就能制取氢，并作为内燃机的燃料。内燃机是一种 面广量大而又贴近人们生活的动力机械，所以，制氢的着眼点也必须是不消耗矿 物资源，能大规模工业化批量生产、制取成本要在可以承受的范围内。 根据这样的要求，热化学法是公认的较有前途的方法。 4 热化学法制氢 自从1 9 6 4 年美国肯塔基州立大学教授j f u n k 提出用闭合循环分几步反应的 热化学法分解水制氢的方法以来，各国学者纷纷提出自己的循环方法。其中所用 元素、反应温度和历程各异，至今已有2 0 0 以上的方法，被学者们选择参与制氢 闭合循环的化学元素有近5 0 种。其中硫被选用得最多，其次是氯、铁、碳、碘 等。一个趋势是稀土金属铕、钐、镱、铈、镧和卤族元素氯、碘、溴愈来愈多地 被选参与制氢分步反应。其他用得较多的金属有镍、铜、镁、锰、锌等。 所有给出的反应方案中。最高反应温度达1 6 0 0 ，一般为5 0 0 - - 一1 0 0 0 c ，最 低为2 0 0 , - 3 0 0o c 。 反应中加温所用的能量，几乎一致认为在将来大规模制氢时，应该利用核电 站非高峰用电时期的余电加热，以节省成本。也有学者提出应该把核能利用与制 氢工业放在一个整体中来考虑。_ 热化学反应多步循环分解水制氢法示例如下： ( 1 ) 硫一碘系统 -870c1 h z s 0 4 jh 2 0 + s o z + i0 2 - 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 s 0 2 + 2 h 2 0 + 1 2 坚h 2 s 0 4 + 2 h i 2 h i 3 0 0 - 4 叫0 0 ch 2 + 1 2 哼 ，+ ( 2 ) 铁一氯系统 2 + 8 h 2 6 5 o 一 c2 f e 3 0 6 f e c i 8 h02 f e0 4 + 1 2 h c l + 2 h 2 ，+7 一24 + + 2 】5 0 2 0 0 2 f e 3 0 4 + 3 c 1 2 + 1 2 h c i _ 6 f e c l 3 + 6 h 2 0 + 0 2 4 2 0 6 f e c l 3 _ + 6 f e c l 2 + 3 c 1 2 ( 3 ) 镧一硫系统 s 】15 0 h z s 一s + h 2 s s + 2 l a 2 0 3 _ 2 l a 2 0 2 s 2 + s 0 2 l a 2 0 2 s 2 + h 2 0 + 3 c 0 2 - l a 2 ( c 0 3 ) 3 + s + h 2 s l a 2 ( c 0 3 ) 3 _ l a 2 0 3 + 3 c o z 3 c 0 2 + 2 h 2 0 _ 2 h 2 s 0 4 + s 】 h 2 s 0 4 - h 2 0 + s 0 2 + i0 2 5 用微生物和生物化学法制氢 自从1 9 4 2 年h g a f f r o n 和j r o b i n 提出藻类在发酵和光化学作用下可以制氢 的观点后，许多学者在这方面做了研究。世界上最大、最普及的能源是阳光。人 们想利用藻类和其他植物的光合作用制氢，这将是取之不尽而且在常温下进行。 人们认识到，大多数有机物能借助厌氧菌的发酵，转化为甲烷( 含h 2 ) 和二氧 化碳( 即沼气) 。这种转化是经过几步、几种细菌的特殊作用完成的。从而进一 步认为，大量培养的藻类和光合细菌，亦能作为有机物制造甲烷和氢的源泉。美 国迈阿密大学海洋和大气科学学院的科学家，正在加紧研究这一转化过程。 由于城市汽车排污法规的日益严峻，人们希望氢发动机首先用于轿车和城市 交通车辆。这样，不仅有制氢问题，还有储氢和放氢问题。为此，美国b i l l i n g s 公司和德国b e n z 等公司，经过反复研究，提出了多种切实可行的金属氢化物( 简 称m h ) 。用这种金属氢化物做成的氢交换罐，简称m h 罐，其示意图如图1 2 1 所示。m h 罐不仅要能储氢，而且要能吸附氢和析出氢，要能可逆地进行。相应 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 地既能进行吸热反应，也能做放热反应，因而也是个热交换器。为此，它必须是 同时具有耐高压和耐高温性能的容器。 。 锈t 聱 艇 c 一，霉三了 i 爱煮 f 4 k ，h # 郴 ； 簇铸袈 绕豺鳃盼 图1 2 1 金属氢化物罐结构2 】 作为吸附氢的合金材料有f e t i 系( 钛铁系) 、m 9 2 n i ( 镍镁系) 和l a n i s ( 镍 镧系) 等。评价m h 罐的指示指标有氢的储存密度、吸附和析出氢的可逆性、平 衡压力和温度、析出热量、成本、m h 初期活化的难易程度以及微粉的特性等。 表1 2 1 【3 1 给出了部分m h 罐材料和性能示例。其中有用于汽车移动式装置的， 也有用于固定式装置的。m h 材料有f e t i 系统，f e m n t i 系统，l a n i 5 系统，m 9 2 n i 系 统和m g ，n i 与f e t i 双系统组合。图1 2 2 给出了各种金属氢化物及其平衡析出压 力与温度的关系。 o ，期f 囊 压屯a l 难 图1 2 2 各种金属氢化物的平衡析出压力和温度的关系2 】 浙江大学硕士学位论文 表1 2 1 金属氢化物罐规格和储存特性示例 第一章绪论 咖 旧 求椎 最 府 饰幅 回 裂姑 匈 排约 求雒 幻 臀整 星 莲暑|瞍 帽撂岂 蜒基懈 饰 岂 n 稔删 盏 登蜷蜊 燃蒋赠 盏 丰k m 索 蓉萧j量 状 如dpp佰 妇 浍警 亡；匈采裂求稚鼷蓝=兽k 篮 戛 誉 导 永 永 o “ 卜 o 擎 乓 。 足2瑟o冥 障垦2g 。 掣 譬g 堂 皇 j邑 价m i 口 褥 i 。寸i - ( 瑙 丑 一 豁盘 n =g j oo o nn r n 婚逞 西m m产0 md 衄螺i - 4 o r r r 删 踊 如逞 寸心寸 h nn口 握 l 娟价 e - i r 吨mn h h m寸 p 、 u 寸 怒芝寸 r m v - i 仉心 i n 、mmr l n 心m 寸 oooo。 稚删堂o寸寸 谗i i 豳音 i m i - i 价 nr mr h 娟 删 里oo心o 姐删 oo hm 寸o n 西 nu 、n 寸 惫罨*暑长 ：蛋嚣督罱 “ 矿 f 辎蠼 撼愈越佥匣幂鞋* 幂懈 艋靛箍髓箍箍 最恹 翟 lll工- 农氐 氐 氨 氐 世 畏 n 罢 寸u 1 r o寸 h 田宅 mmr m 抽 口 晤 懈 蛭 抽蜘 鼬 西器 ；啄 幂 蓊囊 囊 坦凰 n 塔 出 蝰 螨 犀i 仁 翠 乓 + 悟 cm乎z吨芝峥 ： r c们 如出e 暑 蔓 乏 虽 z g萼 nm 重量u 口 “甘要堂 暑 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 氢的物化特性【4 l 氢的物化特性与其他气体或石油系燃料相比，有十分显著的区别。其区别如 表1 - 3 1 【5 1 所示。 表1 3 1 氢气与汽油、柴油理化特性比较 物理化学性质氢汽油 柴油 密度( k g 1 1 1 3 ) 0 0 97 2 0 7 5 08 3 0 理论空燃比 3 4 3 1 4 81 4 3 ( k g k g 一1 ) 低热值( m j k g - 1 ) 1 2 0 94 3 9 - 4 4 44 2 6 4 2 9 着火温度( ) 5 8 53 9 0 4 2 02 5 8 燃烧温度( k ) 2 5 0 02 4 7 0 火焰传播速度 3 1 1 2 ( m s - 1 ) 最小点火能( m j ) 0 0 20 2 5 着火界限( )4 - - 一7 5 4 7 6 6 6 5 扩散系数( c m 2 - s 一1 ) 0 6 30 0 8 火焰淬熄距离( m m ) 0 6 42 8 4 辛烷值 1 3 0 + ( 1 ) 氢气的密度很低。这使得氢气用作发动机燃料时易产生两个问题：首先， 储存氢气需要很大的体积；其次，氢气一空气混合气的能量密度小，输出功率会 降低，因此选用何种储氢方式非常关键。 ( 2 ) 氢燃料着火界限很宽( 4 7 5 ) 。燃氢内燃机工作的空燃比范围很宽， 其优点为： 氢气着火界限宽，氢发动机的燃烧参数调节灵活性就大，氢发动机可以像 柴油机那样质调节。质调节时，采用恒当量空燃比为宜。原因有二，首先，小负 荷时能降低n o x 排放。其次，泵气损失减少，热效率提高。质调节的缺点是怠速 时排气中会出现较多的未燃氢，造成安全隐患；或者像汽油机那样量调节。在怠 8 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 速时对进气进行节流，其余工况保持节气门全开，可使排气中的未燃氢显著下降 【6 】 o 着火界限很宽有利于实现稀燃，燃烧稀混合气燃油经济性高且燃烧反应更 完全。而且，燃烧温度一般也较低，n o x 排放也较少。但混合气也不能过稀，否 则会降低发动机的功率。 氢在常温下为气态，不需要汽油柴油与空气混合时的雾化过程，且着火界 限宽保证了氢内燃机优良的起动性。 ( 3 ) 点燃氢气所需的点火能量比汽油小得多( 氢气的点火能量为0 0 2 m j ，汽油 为0 2 5 m j ) 。这意味着氢内燃机可以燃烧稀混合气且保证了快速点火，但点火 能量低，气缸里局部温度高的点便可以成为着火点，引起早燃，目前已有多种方 法消除早燃带来的不利影响。 ( 4 ) 氢气的自燃温度高。因为压缩过程中温度升高与压缩比有关，氢气的自燃 温度高，所以氢内燃机可以采用较大的压缩比。 ( 5 ) 氢在理论空燃比时有很高的火焰传播速度。在理论空燃比时接近于定容燃 烧，氢内燃机更接近理想发动机循环，使得发动机热效率比汽油机高。 ( 6 ) 氢的扩散能力强，比汽油大许多( 氢气扩散系数为0 6 3 c m 2 s ，汽油为0 0 8 c m 2 s ) 。扩散能力强有利于产生均质混和气，而且一旦发生泄漏，氢气可很 快扩散，减少了不安全因素。 ( 7 ) 氢的燃烧产物是水和少量一氧化氮，属于低排放燃料。 ( 8 ) 氢气与其它燃料( 天然气、汽油和柴油等) 掺烧可以补偿由于能量密度低 或采用稀燃带来的功率损失，并且可以提高燃油经济性。 1 4 氢在内燃机中的应用p 1 氢作为内燃机燃料的想法，1 9 3 0 年就有学者提出过。由于石油开采和炼制 技术的迅速发展，特别是油价从1 9 3 0 年以后的4 0 多年中( 出二战期间外) ，一 直都很低，致使氢发动机的研制被长期搁置。至7 0 年代初，一则由于发生了石 油危机，油价猛涨，许多石油井也进入了衰减期，工业国家石油供应紧张：- - - n 大气污染日益严重，美国、日本等国相继制定出严格的汽车排放法规，致使对汽 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 车、内燃机的排放要求日趋严格。在这种条件下，研制氢发动机的工作重新兴起， 并且受到这些国家政府的支持。 1 9 7 0 年日本日野汽车公司推出了第一辆氢动力汽车其排放达到了当时该国 提出的标准。与此同时，德国戴勒姆一奔驰汽车亦生产出第一批氢动力客车。此 时，美国密执安大学、佛罗里达州迈阿密大学、加利福尼亚大学、德国的约翰大 学、日本的武藏工业大学和京都大学等相继投资研究氢发动机。俄罗斯1 9 6 8 年 开始研究氢发动机、液氢和储氢设备。 1 9 7 5 年美国能源部出资组织国内1 5 所大学、研究所和工厂、协调研制氢发 动机，并从1 9 7 2 年起，氢动力汽车就成为美国政府举办的城市车辆设计竞赛汽 车之一。1 9 7 5 年在东京召开了美一日氢能体制关键技术讨论会。不久，在美国 迈阿密市召开了第一届国际氢能会议。1 9 7 6 年创办了“国际氢能杂志 。1 9 7 5 年在美国举办了氢气汽车国际比赛，行程达3 0 0 0 k m 。 7 0 年代以来，氢动力汽车、氢发动机、储氢金属材料和制氢技术有了长足的 发展。到1 9 9 0 年德国b m w 公司已生产出1 2 缸的氢发动机。这是目前世界上最 大的氢发动机。1 9 9 6 年6 月，英、美科学家宣称他们已发现从糖类中制氢的新 方法。 我国对氢能的丌发和应用起步较晚，但发展速度比较迅速【剐。1 9 8 4 年我国成 功发射了使用液氢燃料的通讯卫星运载火箭。北京石油大学在制氢研究方面，南 开大学、浙江大学在金属氢化物和镍氢电池的研究，中国科学院大连化学物理所 在燃料电池的研究，中国科学院沈阳金属材料所在纳米材料储氢方面的研究均有 较好的发展。浙江大学、天津大学、华中理工大学等在氢一汽油、氢一柴油双燃 料发动机研究中也取得不少成果。 张波等对柴油掺氢燃烧时的燃油经济性进行了实验研究9 1 ，实验中所用的柴 油机为常州柴油机股份有限公司生产的z s l l 0 0 型单缸、卧式、水冷、直喷柴油 机，气缸直径为1 0 0m m ，1 2h 功率为1 0 3k w ，标定转速为2 0 0 0r m i n 。实验中， 柴油机转速维持在( 2 0 0 0 1 0 ) r m i n 的范围，功率分别为1 0 3 k w ，8 k w ，6 k w 和 4 k w ，以1 0 3k w 为满负荷，则上述几个功率表示为负荷率分别约为1 0 0 ，8 0 ， 6 0 和4 0 。 l o 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 实验系统如下图( 图1 4 1 ) 所示，实验中氢气从进气道随空气一起进入柴 油机气缸，在氢气通人进气道之前，布置有加热器，可以控制氢气的初始温度。 室 外 图1 - 4 1 实验系统示意图 实验结果表明，加氢后柴油消耗量明显减少，节油率达2 0 3 0 ，可大大 延缓石油资源的枯竭。就综合节油率而言，加氢后在高负荷下没有节油效果；而 在低负荷下节油效果显著，其综合节油率可达1 4 ，甚至更高。无论使用柴油 还是乳化油，提高进气处氢气温度都可使油耗率有所降低，当氢气温度提高到 9 0 - 1 3 0 。c 时，油耗率减小的幅度在3 9 ( k w “) 左右。 崔可润等也对柴油机中加氢以降低燃油消耗进行了研究 1 0 l 。试验发动机为一 台四冲程、2 缸、非增压、高速2 1 3 5 型柴油机。其燃料供给系统如下( 图1 - 4 2 ) ， 氢气由氢化金属装置供给，经减压阀9 减压，流过浮子式流量计1 1 。然后进入 进气管，在其中与空气混合，流入气缸。氢气瓶4 向氢化金属装置充氢。 图1 4 2 柴油机加氢试验台布置图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 氢化金属装置；3 ，7 ，1 2 截止阀；2 ，5 ，6 ，1 口压力表；4 一氢气瓶；8 ，9 减压阀；1 1 - 流量计：1 3 一 柴油机；i 4 进气管；1 5 柴油油耗仪；1 6 排气温度计，1 7 烟度计；1 8 排气管 实验结果同样表明加氢后柴油机的效率大有提高。例如，质量比为1 ，转速 1 5 0 0r m i n ，9 5 负荷时的柴油消耗率较不加氢时降 氐1 2 9 ( k w h ) ，综合油耗 率降低5 1 9 ( k w h ) ，综合有效热效率由3 4 5 提高到3 5 3 排气烟度亦有减 卅、。 1 s 基于柴油机的双燃料发动机供气技术的种类与发展 基于柴油机得双燃料发动机供气技术可以以现阶段比较实用化的压缩天然 气c n g 柴油双燃料发动机和液化石油气l p g 柴油双燃料发动机的供气系统为例 来进行说明。这里具体介绍下压缩天然气c n g 柴油双燃料发动机的供气技术【1 1 | 。 c n g 柴油双燃料发动机保留原柴油机的全部装置和功能，增加了燃气供给 系统、油气切换系统、油气控制系统，对发动机的改造较简单。用柴油作引燃燃 料，天然气作主体燃料，采用原柴油机压燃的工作方式，由柴油着火引燃天然气。 该发动机同样能以纯柴油方式工作。 c n g 柴油双燃料发动机的供气方式分为缸外供气和缸内直接喷气两种【1 2 】， 其中缸外供气又有进气管混合器供气和进气喷射两种形式”i 。 进气管混合器供气方式 改装技术发展初期，多数是通过安装在进气总管上的混合器将空气天然气 的混合气送入双燃料发动机，通入混合器的燃气压力由与加速踏板相连接的机械 装置控制，使满负荷时天然气压力最大，低负荷时天然气压力最小；或者通过机 械装置控制供气管道中的阀门开启角度来调节供气量。柴油泵设置在怠速状态， 以少量的柴油作为引燃油。这种方案由于其供气装置简单，现在仍有应用。其天 然气供气系统如下图1 - 5 1 所示，例如美国底特律柴油机公司5 0 g n g v 的预混合 供气系统。该类型的优点是结构简单，价格较低，但是由于无法进行闭环控制， 难于精确地控制空燃比，因而难于达到较高的排放控制水平，不能充分发挥天然 气改善排放的潜力。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 5 1 预混合发动机天然气供气图 在2 0 世纪9 0 年代初国外出现了电控混合器方式，比较典型的是荷兰d e l t e c 公司的双燃料发动机和美国c a t e r p i l l a r 公司的c a t e r p i l l a r3 2 0 8c n g 柴油双燃料发 动机。图1 5 2 为c a t e r p i l l a r 3 2 0 8 自然吸气式双燃料发动机燃料电控系统示意图， 整个系统由天然气供给系统、引燃油供给系统和电子控制单元( e c u ) - - 一- - 个部分构 成。电控单元通过传感器测定发动机的一系列参数，借以确定发动机的运行工况， 再通过控制油泵调节齿杆和天然气流量控制阀的位置，根据发动机不同工况下性 能和排放对空燃比的要求，灵活地调整天然气供应量、引燃柴油的喷射时刻和喷 射量。但这种改装方式的问题是不能精确控制进入各气缸的天然气量。 一7 1 。ff 穴绦弋伲冒嚣i d 减压器卜j 广”“。” l u s i 俨 。j 吵 1 b 杠杆 渲动档埽 1 r p m 裂，厘 o 85 冷却水温 e c u l 镥 选择 、6 伊心一q 广 叠袤 图1 - 5 2c a t e r p i l l a r 双燃料发动机电控系统示意图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 进气喷射方式 进气喷射方式是将天然气引至进气总管或进气口处，燃气控制系统利用天然 气喷射阀来实现控制。装有高速电磁阀的喷射阀采用脉宽调制控制方式，依照电 控单元的指令定时向相应缸的进气管喷射天然气。喷出的天然气与进入发动机的 新鲜空气混合进入气缸。 如果将一个大流量天然气喷射阀安装在某型发动机的进气总管，称为天然气 电控单点喷射式双燃料发动机。比较典型的是c u m m i n s 的c 系列电控进气道单 点喷气增压中冷天然气发动机。该方式采用电控单点喷射( s i ) ，并结合氧传感 器进行闭环控制可较精确地控制空燃比，从而使发动机具有较好的经济性和排放 性。但是由于单点喷射器与废气氧传感器之间有较长的距离，因而系统对空燃比 的变化响应较迟钝，难于依靠氧传感器的信号在设定的空燃比附近实现快速振荡 控制，尤其是在加速和减速时不能迅速响应空燃比的变化，从而使混合气在较长 的时间过稀或过浓，使这些工况下的排放性能较差，影响了整体排放指标。 多个天然气喷射阀安装在进气口，则称该型发动机为天然气电控多点喷射式 ( m p i ) 双燃料发动机。这种系统采用喷射阀直接向迸气口喷射天然气，分别测 量空气和气体燃料的流量，且在各种工况下都能精确地计量，从而在整个使用期 内可以保持高精度和高稳定性。由于可以严格控制气体燃料喷射量和喷射始点与 进排气门及活塞运动的相位关系，易于实现定时供气及层状供气，并可根据发动 机转速与负荷更准确地控制空燃比；同时，电子控制的灵活性和高速处理能力使 其可以根据发动机运行工况的变化，使发动机按合理的方式运行，从而取得良好 的排放性能。例如本田公司的p g m g i 系统，c o 和h c 分别比燃用柴油时下降了 7 8 和8 0 。图1 5 3 是电控多点式双燃料发动机系统构成图，该系统被美国s p i 公司为奔驰公司改装的o m 3 5 2 双燃料发动机采用。其燃油系统是将原来的机械 控制直列式喷油泵改造成电子控制式喷油泵，一方面在全柴油方式工作时对喷油 进行电子控制以保证获得良好的性能，另方面可以优化各工况下的引燃油量， 以确保燃用天然气时获得优良的排放性能。电控单元中软件的控制功能有：起动、 喷射定时、怠速控制、空燃比控制、引燃油量控制、速度调节控制等。在电控单 元中存储有全柴油、柴油天然气双燃料两种状况下的m a p 图，其中包括过量空 气系数m a p 图、天然气喷射定时m a p 图等。采用这种改装方案的其它双燃料发 】4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 动机还有：法国p i e l s t i c k 公司推出的p i e l s t i c kp a 5 双燃料发动机，美国g m 公司 的m e d1 6 6 4 5 e 3 b 双燃料机车发动机，德国m a n b & w 公司的m a n 2 8 3 2 双燃料 发动机等”1 。此类系统吉林工业大学在z h l l 0 5 w 发动机上进行了性能试验研究。 图1 5 3o m 3 5 2 双燃料发动机的系统构成示意图 1 一电控单元2 一天然气关闭电磁阀3 一进气温度传感器4 一气体喷射高速电磁阀组 5 一发动机6 一燃油箱7 一喷油泵8 一喷油量执行器9 一齿杆位置传感器1 0 一转速传感器 1 1 - - 喷油器1 2 一进气歧管压力传感器1 3 一油门位置传感器1 4 - - 冷却水温传感器 1 5 - - 天然气压力传感器 缸内直接喷气 缸内气体喷射技术采用气体喷射器直接向气缸内喷射天然气，分为缸内高压 喷射式和低压喷射式两种。其中低压喷射供气方式主要用在压缩比低的发动机上； 高压喷射供气方式主要用在高压缩比和压缩终点喷射的气体燃料发动机上，对于 大型发动机和高速发动机，往往采用高压喷射，达到较高的燃料供给量和延续较 短的供气喷射时间。这种改装技术( 尤其是高压喷射式) 降低或消除了燃料供给 对空气充量的影响，实现了燃料供给的质调节，易于实现稀薄燃烧，消除了气门 重叠角的存在造成气体燃料逸出而降低排放性能。可以达到发动机高负荷下更完 善的动力性，避免爆震，使双燃料发动机的热效率可与柴油机媲美，同时避免双 浙江大学硕士学位论文 第奄绪论 燃料发动机在一个工作过程中两种不同燃烧过程的相互干涉和影响，克服双燃料 发动机燃烧过程组织的复杂性。但是大部分缸内气体喷射系统采用两个喷射器， 结构复杂，需要对柴油机气缸盖进行改动，技术难度大，费用高。 天然气缸内高压喷射( h p d i h i g hp r e s s u r ed i r e c ti n j e c t i o ns y s t e m ) 和缸内扩 散燃烧理论是由加拿大b r i t i s hc o l u m b i a 大学p h i l i ph i l l 教授首先提出的。加拿大 w e s t p o r t 公司在此基础上于1 9 9 7 年4 月推出世界上第一辆采用h p d i 燃烧系统 的天然气公共汽车，发动机的缸径为1 2 3 1 2 7 m m ，压缩比为1 7 ，排量为9 0 5 1 _ ， 发动机转速为2 1 0 0 r r a i n 时功率为2 2 4 k w ，其独特的燃烧系统如图1 5 4 所示， 该系统采用油气共用高压喷射器，喷射器中有两个同心的针阀，一个控制引燃柴 油，一个控制天然气。另外，引燃柴油同时也是喷嘴的液压驱动液体、润滑油、 冷却液和密封液。该喷射器采用电磁阀控制和液压系统控制相结合的方式实现对 喷射时刻和喷射持续时间的控制。在压缩行程接近终点时，喷射器喷入微量引燃 柴油作为点火燃料，点燃随后高压喷入的天然气，通常气体喷射压力控制在1 2 - - - 2 6 m p a 。引燃柴油量在任何时候都是固定的，采用限制行程柱塞来实现。热效率 与原柴油机相同，引燃油量在高负荷时为5 。因喷射器与原柴油机的形状、尺 寸完全一致，所以无需对柴油机缸盖作任何改动。底特律柴油机公司使用该高压 直接喷射系统对6 v 9 2 t a 发动机进行了改装，改装后的双燃料发动机与原柴油机 在扭矩、功率和燃料消耗方面基本相同，n 0 x 排放减少4 5 ，c 0 2 排放减少了2 5 ， 颗粒物质( p m ) 显著减少。另外，挪威t r o n d h e i n 大学在w a r t s i l a 柴油机上进行 了h p d 的试验，芬兰w a r t s i l a 柴油机公司也将采用h p d 喷射燃烧的双燃料发动 机投入商业化生产。日本m i t s u i 造船工程公司的m i y a k e 在一个缸径为4 2 0 m r n 的四冲程发动机上通过双喷射器的形式，进行了缸内天然气喷束速度场等一系列 的研究，研究的结论是双燃料发动机的热效率和原机基本相同。 1 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 5 4h p d i 燃烧系统工作原理图 1 一单向阀2 一供油3 一回油4 一推杆5 一复位弹簧 6 一压缩天然气进口7 一同心针阀 在上述三种供气方式中，机械控制( 或电控) 混合器供气方式适用于低成本 的解决方案，但很难达到较高的排放要求。为达到更严格的排放标准，必须采用 电控气体燃料喷射技术。其中缸内直接喷气方式由于气体燃料是高压喷射，需要 加压，其成本比气口多点顺序电控喷射高。而气口多点顺序电控喷射既能满足精 度要求，又在国内属于基本成熟技术，因此对于国内而言，宜采用气口多点顺序 电控喷射方式。 目前国内大部分双燃料发动机采用了原来的供油系统，这样的双燃料发动机 改装简单，节省成本，但原有的供油系统对双燃料发动机来说有很大的缺陷，表 现在喷油量的控制上，传统发动机的供油系统在每循环的喷油量降低至额定工况 的5 - - - - , 1 5 时，喷油系统的工作变得不稳定，柴油的雾化质量下降，燃烧过程 变差。研究表面采用微量柴油引燃天然气，可以使发动机气缸内气体燃料的燃烧 过程组织更好，提高气体燃料的替换率，改善尾气排放。因此，对于双燃料发动 机，无论是气口顺序多点电控喷气，还是缸内直接喷气，其喷油系统需要重新设 计以满足双燃料发动机对小引燃油量的要求。 。 ， 国外大力开展了双燃料发动机微量引燃喷射系统的研究，特别是随着柴油机 电控燃油喷射技术的飞速发展，采用电控多点喷射方式的c n g 柴油