（动力机械及工程专业论文）氢燃料发动机燃烧与优化控制.pdf

摘要 扶气污染日趋加剧和石油资源短缺使人们比以往任何时候都清醒地意识到寻找替代的 “清洁燃料”的紧迫性。氢能以其广泛存在性、永久再生性、清洁性、用途广泛性以及做为汽车 发动机的众多优越性是最有前途的替代能源之一。因此，系统深入地研究氢燃料发动机不仅 是一项开创性的工作，而且也无疑将为氢燃料汽车的实用化进程奠定基础。， 本文综述了现有氢能的开发应用，以及氢燃料在汽车发动机上的应用技术水平。以氢燃 料发动机的理论循环为基础，进行了各工作过程状态参数的计算分析，得出了描述理论循环动 力性和经济性，即平均指示压力和热效率的表达式。定量地分析了有关参数对平均指示压力 和热效率的影响，并与汽油机进行了理论循环参数的对比。为氢发动机实际循环的动力性和 经济性的改善指明了方向。 ( 随着计算技术的不断发展和计算机硬件水平的不断提高，内燃机的燃烧模拟计算得到了 迅速的发展。燃烧模型研究已成为研究发动机燃烧过程的方便而有力的工具。但是，对氢燃 料发动机燃烧模型的研究尚处于空白。) 本文从氢燃料的物化特性和燃烧特征着手，通过分析 氧空气混合气燃烧的湍流火焰结构和燃烧化学反应动力学，基于双区燃烧模型，建立了包括双 区热力学、准维湍流卷吸燃烧、湍流火焰传播速度、氢空气混台气燃烧化学反应动力学以及传 热损失等模块的燃烧模型，并给出了相应的计算方法。脓燃烧模型可以对有关状态参数、放热 率和组分浓度等进行预测分析。预测结果与实测结果的对比表明该模型具有较好的适用性。 迄今为止，国外对氢燃烧发动机的研究方必未艾，国内也对氢一汽油混合燃料发动机进行 了有关研究，但并不多见。而对纯氢发动机全面系统的研究尚有待于深入进行。本文在对氢 一汽油混台燃料发动机试验研究的基础上增统地研究了氢发动机混合气形成方式，结构参数 和运转参效对氢发动机混合气形成和燃烧的影响。侧析了氢发动机的异常燃烧机理和n q 产生的机理，总结了异常燃烧和n o ，的抑制技术。指出了采用内部混合气形成方式且高压喷 射的氢发动机，有利于提高充气效率和压缩比，从而改善发动机的动力性和经济性；有利于扩 展发动机正常工作的浓度范围；并且有利于实现稀薄混合气快速燃烧，从而可以有效地抑制早 燃、回火及爆燃等异常燃烧和n o ，排放量。试验指出了发动机的点火正时、喷射正时及喷氢 量对发动机的性能、异常燃烧、n o y 排放量有很大影响。对它们进行优化控制是全面改进氢 发动机性能的关键技术。 汽油机的电控技术水平日臻完善，传统控制方法的不断发展，智能控制技术的日趋活跃， 均为氢燃料发动机的优化控制奠定了基础。但是氢发动机的优化控制技术研究工作开展的甚 少。j 本文给出了氢发动机的优化控制策略，提出了在不同工况区，选择不同性能指标傲为主要 性能指标，同时兼顾其他性能指标的优化思想。建立了以点火提前角、喷氢提前角和喷氢量为 控制变量，分别以动力性、经济性为性能指标泛函，以模糊神经网络模型为求解工具的最优控 制模型。通过系统软硬件的设计，实现了以模糊神经网络控制器和点火提前角转速自适应控 制器串联组成的开闭环相结合的双模式控制方式用以对控制变量进行分级控制( 粗控和精 控) 。用改进的模糊神经网络模型进行了仿真研究。 仿真计算结果表明网络运行时间较短，并 与试验研究结果的对比分析给出了最佳点火提前角计算值的均方差为0 3 8 1 a ，最大绝对 误差小于1 a ，最大相对误差小于5 ，可见计算精度较高。从而也表明了用该模糊神经网 络求解本文提出的氢发动机的最优控制模型的可行性和优越性。| r 厂 关键词： 氢燃料发动n ；准维燃烧模垂；显台气形遗和燃痴优化控时；模糊神经网络、 ，一。一 一i 一 a b s t r a c t w i t ha t m o s p h e r i cp o l l u t i o nb e c o m i n gm o r ea n dw o r es e r i o u sa n dp e t r o l e u md e p o s i t so nt h e e a r t hb e c o m i n gl e s sa n dl e s s ，p e o p l ea r eb e i n ga w a k et ot h em o r eu r g e n tn e c e s s i t yf o rf i n d i n gc l e a r a l t e r n a t i v ef u e lt h a ne v e r h y d r o g e ni sar e n e w a b l ec l e a re n e r g y a n di tc a nb ea p p l i e di nl o t so f c s s e s h y d r o g e ne n e r g ya l s oe x h i b i t si d e a lc h a r a c t e r i s t i c sa sf u s lf o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e t h e r e f o r e ，s y s t e m a t i c a lr e s e a r c ho nah y d r o g e n f u e l e de n g i n ei sn o to n l yai n i t i a t i n ge v e n t b u t a l s ot h eb a s i so fp r a c t i c a lu s ef o rh y d r o g e n f u e l e da u t o m o b i l e s i nt h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es t a t eo ft h ea r t so fd e v e l o p m e n to fh y d r o g e ne n e r g y ，a n dt h eu s eo fh y d r o g e nf u e li na u t o m o b i l e sa r eo v e r v l e w e di nd e t a i l i nt h es e c o n dc h a p t e r ， f i r s t l y ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e o r e t i cc y c l eo fh y d r o g e ne n g i n e ，t h er e l a t i o n sb e t w e e ns t a t ep a r a m e t e r si nf o u rs t r o k e sa p ee s t a b l i s h e d m o r e o v e r t h ee x p r e s s i o n so ft h em e s hi n d e xp r e s s u r e a n dt h e r m a le f f i c i e n c ya r es h o w e d a n dt h ee f f e c to fo p e r a t i v ep a r a m e t e r sa n ds t m c t u r a lp a r a m e t e r so nt h e ma r ea n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y l a s t l y ，t h ec o m p a r i s o no ft h em e a ni n d e xp r e s s u r ea n d t h e r m a le f f i c i e n c yb e t w e e nh y d r o g e ne n g i n ea n dg a s o l i n ee n g i n ea r em a d et h er e s e a r c h e so nt h e o r e t i cc y c l el a yt h eb a s i sf o rr e s e a r c h e so np r a c t i c a lc y c l eo fh y d r o g e ne n g i n e s a sr a p i dd e v e l o p m e n to fc a l c u l a t i n ga l g o r i t h ma n dc o m p u t e rh a r d w a r e ，t h er e s e a r c h e so n c o m b u s t i o nc a l c u l a t i o nm o d e la r eb e i n gp u tm o r ea t t e n t i o n ，a n di th a sb e e nb e c o m i n gu s e f u l m e t h o df o ra n a l y z i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s so fe n g i n e s b u t ，t h er e s e a r c ho nc o m b u s t i o nc a l c u l a l i o nm o d e lf o rh y d r o g e n f u e l e de n g i n e sh a sn o ts t i ub e e ne n g a g e d i nt h et h i r dc h a p t e ro ft h i s d i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h ep h y s i c ma n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so fh y d r o g e na n dt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i e sd h y d r o g e n 。t h eq u a m d i m e n s i o nc o m b u s t i o nc a l c u l a t i o nm o d e lo fh y d r o g e n f u e l e d e n g i n ei ss e tu pt h r o u g ha n m y 五n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft u r b u l e n c ef l a m ea n dc h e m i c a lr e a c t i o nk i n e t i co fh y d r o g e n a i rm i x t u r e t h em o d e li n c l u d e st h ed u a l a r e st h e r m o d y n a m i c ss u b m o d e l ， q u a s i d i m e n s i o n a lt u r b u l e n te n t r a i n m e n tc o m b u s t i o ns u b m o d e l ，t u r b u l e n e ef l a m ep r o m u l g a t i n gs u b m o d e l ，h y d r o g e n a i rm i x t u r ec h e m i c a lk i n e t i cs u b m o d e la n dl o s so fh e a tt r a n s f e rs u b m o d e la n d5 0o n b e s i d e s ，t h ec a l c u l a t i n ga l g o r i t h mi sa l s og i v e n t h et e m p e r a t u r eo fb u r n e d a n du n b u r n e da r e l l s ，r a t eo fh e a tr e l e a s e ，p r e s s u r ei n c y l i n d e ra n dt h et h i c k n e s so fc o m p o s i t i o n s i nr u n n i n gp r o c e s so fe n g i n ec a nb ec a l c u l a t e db yt h em o d e l t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ea c c o r dw i t h t h em e a s u r e dr e s u l t si nah y d r o g e n f u e l e de n g i n e t h er e s e a r c h e so nc o m b u s t i o ni nh y d r o g e n f u e l e de n g i n ea r eb e i n gc a r r i e do u ti nd e v e l o p e d c o u n t r i e s s o m er e s e a r c h e so nh y d r o g e n g a s o l i n ed u a lf u e le n g i n eh a v eb e e nc o n d u c t e di nc h i n a o v e rt h ey e a r s b u t ，t h es y s t e m a t i c a lr e s e a r c h e so nc o m b u s t i o no fh y d r o g e n f u e l e de n g i n es h o u l d a l s ob e e nm a d ei nc h i n a i nt h ef o u r t hc l u i p t e ro ft h ed i s s e r t a t i o n ，o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e s f o rh y d r o g e n g a s o l i n ed u a l f u e le n g i n e t h er e s e a r c h e so n t h e f o r m o f t h eh y d r o g e n a i r m i x t u r ea n de f f e c to fs t r u c t u r a la n do p e r a t i n gp a r a m e t e r so nt h ef o r mo fm i x t u r ea n dc o m b u s t i o n h a sb e e nc o n d u c t e d b e s i d e s ，t h er e a s o n so fa b n o r m a lc o m b u s t i o n ，a sw e l l8 sf o r n l o fn o zh a v e b e e na n a l y z e d ，a n dt h em e a s u r e st a k e nf o rr e d u c i n gn 0 。e m i s s i o na n df o re l i m i n a t i n ga b n o r m a l c o m b u s t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e d m o r e o v e r ，i th a sb e e np o i n t e do u tt h a tt h eh y d r o g e ne n g i n eu s e d i n c y l i n d e ri n j e c t i o nw i t hh i g hp r e s s u r ec a ni n c r e a s ev o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya n dc o m p r e s s i o nr a t i o ， 一一 t h e r e f o r e ，t h ep e r f o r m a n c ei n d e x e si nt h i se n g i n e ，s u c ha so u t p u tp o w e r ，t h e r m a le f f i c i e n c y ， r a n g eo ft h i c k n e s so fm i x t u r ew i t hn o r m mo p e r a t i o na n dn o x e m i s s i o n ，c a nb ei m p r o v e d ，a n di ti s p o s s i b l ef o rt h ee n g i n et or e a l i z er a p i dc o m b u s t i o no ft h i nm i x t u r e ，s 0a b n o r m a lc o m b u s t i o n ，s u c h a sb a c k f i r e ，p r e i g n i t i o n ，c a nb ec o n t r o u e de f f e c t i v e l y f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a ! i g n i t i o nt i m i n g ，i n j e c t i o nt i m i n ga n di n j e c t i o nd u r a t i o nh a v eg r e a te f f e c to nt h ep e r f o r m a n c e s o ft h ee n g i n e s ot h e s ep a r a m e t e r sm u s th ee x a c t l ys e l e c t e dw i t ho p e r a t i n gs t a t u so ft h ee n g i n e ， t h a ti s ，o p t i m i z i n gc o n t r o lo ft h ep a r a m e t e r si sak e yt e c h n i q u et oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so ft h e e n g m e t h et e c h n i q u eo fo p t i m i z i n gc o n t r o lu s e di ng a s o l i n ee n g i n ei si n c r e a s i n gi m p r o v e d ，t r a d i t i o n a lt h e o r ya n dt e c h n i q u eo nc o n t r o li sm a d ef u r t h e ra d v a n c e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m sa r ed e v e l a p i n g t h e ye s t a h l i s ht h eb a s i sf o rt h eo p t i m i z i n gc o n t r o lo fh y d r o g e n f u e l e de n g i n e b u t ，f e w r e s e a r c h e so no p t i m i z i n gm n t m lh a v eb e e nm a d ef o rh y d r o g e n f u e l e de n g i n ei nt h ef i f t hc h a p t e r o ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h ep o l i c yo fo p t i m i z i n go o n t m lo nh y d m g e ne n g i n ei sg i v e n ，w h i c hi st h a tt h e p e r f o r m a n c ei n d e xa sm a i no p t i m i z i n gg a s ii si na c c o r d a n c ew i t ht h eo p e r a t i n gs t a t u so ft h ee n g i n e ao p t i m i z i n gc o n t r 0 1m o d e li ss e tu p ，i nw h i c hi g n i t i o nt i m i n g i n j e c t i o nt i m i n ga n di n j e c t i o nd u r a t i o na l n es e p a r a t e l yc h o s e na sc o n t r o lv a r i a t i o n a n do u t p u tp o w e ra n dr a t eo ff u e l 。n s u m p t i o na r es e p a r a t e l ys e l e c t e da sp e r f o r m a n c ei n d e xf u n c t i o n ，t h r e af u z z y n e u r a ln e t w o r k ( f n n ) s y s t e m s f i r e a d o p t e da ss u h a f i t u t e af o rt r a d i t i o n a li g n i t i o nt i m i n gm a p i n j e c t i o nt i m i n g m a pa n dh y d r o g e ni n j e c t i o nd u r a t i o nm a p t h a ti s t h ef n n s y s t e m sa r eu s e dt oc a l c u l a t et h e o p t i m i z i n ge o n t r 0 1l a w s b e s i d e s ，as e r i e sc o n n e c t i o ns y s t e mi sc o m p o s e do f af n nc o n t r o l l e r c o m b i n e dw i t hai g n i t i o nt i m ea d a p t i v ec o n t r o l l e rt or e a l i z eo p e nl o o po rc l o s e dl o o pc o n t r o lp a t t e r n w i t hs t e p p i n gr e g u l a t i o no fi g n i t i o nt i m e f i n a l l y ，t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t sw i t hf n ns y s t e mi s c o n t r a s t e dw i t he x p e r i m e n t a ir e s u l t s t h ec o n t r a s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u ma b s o l u t ee r r o ri s1 e g gt h a nl a t h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o ri s1 e g gt h a n5 。n l e a n s q u a r e e r r o ri s 03 8 1 a t h e r e f o r e t h ec a l c u l a t i n gm e t h o dw i t hf n n s y s t e mi sp r a c t i c a la n ds a t i s f a c t o r y k e y w o r d s ：h y d r o g e n f u e l e de n g i n e ；q u a s i d i m e n s i o nc o m b u s t i o nm o d e l ；f o r m o fh y d r o g e n a i rm i x t u r ea n dc o m b u s t i o n ；o p t i m 扛i n gc o n t r o l ；f u z z y n e u r a ln e t w o r k 第一章绪论 生态环境恶化和石油资源短缺是2 l 世纪世界各国共同面临的两个重大问题。处于世纪 之交的今天，无论是世界各国政府、企业界、还是学术界正在比以往任何时候都清醒地意识到 解决这两个重大问题的迫切性。寻找替代的“清洁燃料”是人类所做出的必然选择。 1 1 课题概述 首先在率节介绍课题的来源、研究目的以及本文的特色和创新之处。 1 1 1 课题来源 本学位论文的研究内容属以下项目： ( 1 ) 国际合作项目：“r e d u c t i o no f h a z a r d o u s w a s t e i nc o m b u s t i o n ”。项目编号：国家科技 部科外字2 0 0 0 0 1 7 9 9 5 3 0 。 ( 2 ) 河南省“九五”攻关项目“氢燃料发动机应用技术研究”。项目编号：9 9 1 1 1 0 1 4 4 。 ( 3 ) 中国人民解放军总后勤部项目“氢汽油混合燃料汽车开发”。项目编号：9 8 0 1 0 9 。 其中第( 1 ) 项已取得阶段性成果，第( 2 ) 项和第( 3 ) 项业已完成并通过了鉴定。 1 1 2 研究目的 本文的研究目的旨在于：系统深入地研究氢燃料发动机的燃烧模拟计算技术，混合气形成 及燃烧规律，结构参数和运转参数对混台气形成及燃烧的影响，异常燃烧及n o ，产生的机理 和抑制技术，以及氢发动机的优化控制技术。从而为氢燃料发动机的实用化奠定基础。 1 1 3 特色与台4 新之处 本文在国内首次全面系统地研究了氢燃料发动机。研究内容包括氢燃料发动机的理论循 环，氢空气混合气的形成方式、燃烧规律、异常燃烧机理、n q 排放机理、异常燃烧和n o ，排放 量的抑制技术以及氢燃料发动机的优化控制技术。特色和创新之处主要有； ( 1 ) 从氢燃料的混合气形成和燃烧特征着手，通过分析氢空气混合气的湍流火焰结构特征 和燃烧化学反应动力学。基于双区燃烧模型，首次建立了包括双区热力学、准维湍流卷吸燃 烧、湍流火焰传播速度、氢空气混台气燃烧化学反应动力学、传热损失等模块的氢燃料发动机 的准维燃烧模型。 ( 2 ) 系统地分折和试验研究了氢一汽油混合燃料发动机的混合气形成和燃烧规律，氢燃料 发动机的混合气形成方式，结构参数和运转参数对外部混合气形成方式和内部混合气形成方 式的氢发动机燃烧过程的影响；剖析了氢发动机中的异常燃烧现象和n o 。产生的机理；总结 一1 浙江大学博士学位论文 了抑制异常燃烧和n o ，排故量的技术措施。 ( 3 ) 首次深入地研究了氢燃料发动机的优化控制。采用在不同的工况区选择不同的性能 指标做为主要目标，并兼顾其他性能指标的优化思想。建立了以点火提前角、喷氢提前角和喷 氢量为控制变量以动力性、经济性或排放性能为性能指标泛函的最优控制模型。 ( 4 ) 首次在氢燃料发动机中引入智能控制技术。借助于模糊神经网络集成系统既具有神 经网络的学习能力、自适应性、容错性、优化能力和平行分步式处理的连接式结构，又具有模糊 系统类似于人类思维方式的i 卜- t h e n 规则，并易于嵌人专家知识的优越性。应用模糊神经网 络集成系统求解最优控制规律。 ( 5 ) 建立了以模糊神经网络控制器和点火提前角转速自适应控制器串联组成的开闭环相 结台的双模式控制系统，通过系统软硬件的设计，用以实现对控制变量的分级控制( 粗控和精 控) 。 1 2 大气污染与汽车排放n 4 1 2 1 日趋严重的大气污染 人类的生存环境正在受到前所未有的破坏。联合国气候变化政府兼专门委员会发表的报 告称：近半个世纪以来全球气温上升了0 6 。影响气候变化的元凶正是人类大量使用石油 和煤炭等燃料使空气中的s 0 2 ，c 0 2 急剧增加，造成了地球变暖和酸雨蔓延。特别是近1 0 年 来平均气温升高幅度大于过去有记载的历史最高记录。气候变暖将带来两极冰川融化，海平 面上升，据称海平面现在正在以每年平均升高近4m m 的速度上升，照此速度发展到2 l 世纪 中叶，海平面将升高1 5 0m m ，许多梧海地区将被淹没。生态平衡将遭到严重破坏，为人类生活 带来不可估量的损失。自2 0 世纪5 0 年代美国东北部工业区首次出现酸雨眺来7 0 年代酸雨 大面积扩展几乎蔓延至所有国家。大气中的s n 几乎以每年2 0 的速度增加。酸雨导致农 作物减产，大片森林死亡。我国做为最大的发展中国家，目前也已成为全球酸雨最为严重的国 家之一。 研究表明，造成大气污染的气体主要由非甲烷有机物n o 和c o 组成。车用燃料的主要 成分是碳氢化台物，完全燃烧时的产物为c 0 2 和h 2 0 ，不完全燃烧时的产物则有c o ，h c ，n o 。 及微粒排放物，在燃烧高温富氧的情况下。在美国城区，4 3 的非甲烷有机物，5 7 的n o 和 8 2 的c o 都是由汽车废气排放产生的，而全世界2 0 的c o 排放量来源于汽车废气。因此， 汽车废气已成为大气污染的一个主要原因。 汽车排出的n o 和碳氢化合物在太阳紫外线的作用下易形成高毒性的光化学烟雾，使大 气能见度降低，引起眼睛和呼吸道感染甚至致癌，直接危害人体健康，同时也损害植物生长。 自1 9 4 3 年美国洛杉机上空首次出现光化学烟雾以来，这种光化学烟雾污染日趋严重。上海市 1 9 9 5 年6 月也曾出现过较大范围的光化学烟雾。 大气污染日趋严重，已成为公众倍受关注的公害之一，同时也引起世界各国政治家们的高 度关注。1 9 9 2 年6 月，在巴西里约热内卢召开了联合国环境与发展大会，全球1 7 0 多个国家 和地区首脑共商对策，发表了2 l 世纪议程。以协调经济发展和环境保护。虽然没有兑觋各 国政府必须将国民生产总值的o 5 8 用于环境保护的承诺，且c q 排放量仍在增加。但毕竟 有其积扳的意义，使人们认识到发展经挤不能以牺牲环境为代价。更有有识之士提出了环境 保护应放在优于经济发展的战略地位来认识。1 9 9 7 年u 月在日本京都举行的全球气候变化 高峰会议中，与会的各国政府代表一致认为，全球气候变暖已成为一个严重的环境问题。发达 一2 第一章绪论 国家承诺：在2 0 1 2 年之前将c 。2 以及其他5 种气体的排放量平均削减5 2 。会议发表了著 名的京都议定书，被媒体誉为“人类为拯救地球迈出的坚实一步”。此后，无论是每年的西方 八国首脑会议，还是2 0 0 0 年世界首脑会议，都将环境问题列入重要的议题，予以高度重视。 1 2 2 汽车排气污染现状 汽车问世1 0 0 多年以来，其生产规模和保有量不断扩大。据统计”, 6 1 1 9 9 3 年至1 9 9 8 年 世界汽车总产量连续6 年接近50 0 0 万辆，现全球汽车保有量已超过7 亿辆。汽车对大气环 境造成的严重污染，使世界各国一直致力于研究开发和推广使用各种低排放或零排放汽车。 2 0 世纪6 0 年代未，美国政府率先颁布了较为严格的汽车排放标准。此后，汽车业界一直努力 减少汽车废气的排放。与6 0 年代的汽车相比，今天燃油汽车单车的h c 和c o 排放量已减少 了9 6 ，n o ，的排放量也减少了7 6 。同期轻型货车的h c 和c o 排放量减少了4 0 ，n o ， 的排放量减少了6 7 ，尽管有了如此巨大的进步，但由于汽车总量和行驶里程的不断增加，汽 车仍然是大气的主要污染源。研究资料表明，大都市中4 0 以上的n o ，8 0 以上的c o 和 7 0 以上的h c 来自汽车的尾气。与发达国家相比，我国的机动车保有量相对较少。但改革 开放以来，汽车保有量迅速增加，年平均增长率已超过1 0 。9 0 年代中期以来，年汽车总产量 已超过1 5 0 万辆。保有量超过15 0 0 万辆。尽管我国汽车保有量远低于发达国家，但单车排 污量远高于国外排污量。由此产生的污染问题不容乐观，特别是大城市汽车保有量相对集中， 情况更甚。 我国不仅汽车研究和发展技术水平与发达国家相比存在较大差距，而且排气污染控制技 术落后较多，汽车排污情况严重。单车排放污染物比先进国家高数倍乃至更高。1 9 9 6 年国家 轿车质量监督检验中一t l , 进行了全国轻型车十五工况排放统检，检测结果见表l 一1 。 寰1 1轻型汽油车十五工况污染物排放量单位：g 试验 车型号l w 6 3 2 0s h h l 0 1 0 sh f j 6 3 5 0t j 6 3 2 0 发动机d a 4 6 2s h i - 1 4 6 5d a 4 6 5d a 4 6 5 捷选s a n t a n a 2 0 0 0 e a 8 2 7 2 v 化油肆电喷 t h c86 679 31 03 01 49 01 66 084 6 1 06 34 跎 捧 o o2 80 03 5 9 12 46 06 9 肿1 9 40 08 00 05 5 3 0 6 l0 93 19 0 艘 n 0 ，4 3 24 7 638 664 91 22 04 8 871 28 ( 1 7 韧 t h c + n n1 2 9 81 2 6 91 41 62 13 9 2 5 6 01 33 41 77 51 28 9 浙江大学博士学位论文 续表1 1 轻型汽油车十五工况污染物排放量单位：g 试验 车型号t j 6 4 8 1 a q 3m d 6 4 8 0 aj b 6 4 8 0 as q q 6 4 4 0y q 6 4 6 0 n l s q j 6 4 8 1 bt g 6 4 9 8 a 发动机4 9 1 q4 9 1 q4 9 1 q 4 9 1 q4 9 1 q4 9 1 q4 9 1 q t h c + n o 。2 4 5 22 7 ”2 71 b2 51 22 36 0 2 81 22 63 1 表1 2 给出了我国国产轻型汽油车十五工况污染物排放的统计结果。表1 3 和表1 4 - bj ，则分别给出了美国联邦排放标准、加州轻型车排放标准及欧州轻型车排放法规。 为了彻底解决汽车废气排放问题，美国加州大气资源局在1 9 9 0 年l o 月提出了全美国也 是全世界第个限制汽车废气排放的法案。该法案规定，到1 9 9 8 年，所有在加州出售的汽车 中，零排放汽车至少要占售出总数的2 ，到2 0 0 3 年零排放车至少要占总数的1 0 。1 9 9 1 年 1 0 月，美国东部的9 个州以及华盛顿特区也制定了类似的法案。在美国的影响下，世界上的 各个主要汽车生产和使用国纷纷制定了类似的政策和法规+ 并投入巨资，开发研究新型低排放 和零排放汽车。 眇 ” 蛇 ! 盯 粘 砷 扭 | 兰 儿 蚪 加 控 靳n硒帅 n 硝 帅 n n加鲫 n 加 h 圩 暑： 卯 坩 蝴 儿 m 排放物 第一章绪论 表1 3 美国联邦和加州轻型汽车的排放标准( 盯p 7 5 i 裹1 4 欧州轻型汽车的排放法规( e c e + e u d c ) 我国汽车排污控制技术落后，排放法规滞后，已远远不能满足我国环境保护的现状和要 求。为此我国有关专家、学者、企业家不断呼吁加快我国汽车排放法规的建设。1 9 9 6 年6 月， 原机械工业部制定通过了我国车用柴油机排放控制标准见表1 5 3 ，排放标准和法规同时规 定用1 3 点稳态工况和顺序进行柴油机排放试验。国家正在制定相当于欧州9 0 年代初的标准 “欧州i 号”的国家标准。1 9 9 8 年8 月，北京市环保局签发了“关于贯彻执行轻型汽车排气污 染物排故标准的通知”，这是目前我国执行最严格的地方性标准之一，即北京标准，它虽然比目 前国家标准严格( 目前，我国排放标准只相当于欧州7 0 年代的水平) ，坦也只相当于欧州9 0 年 代初美国8 0 年代的水平( 本文截藕时，国家已决定实施相当于“欧州i 号”的国家标准) 。由此 可见，我国排污控制和排放法规建设任重而遭远。 5 浙江大学博士学位论文 表l 一5 柴油机排放标准 1 3 石油资源与氢能源 1 3 1 能源背景 目前世界上的主要能源来自矿石资料，它主要包括石油、煤和天燃气等。经过地球千百万 年深度积累形成的这种化石燃料是一种非再生的能源，其储量有限。石油资源是各种运输动 力装置的主要燃料。随着人民生活水平的提高，汽车工业的发展，世界的石油消耗逐量年提 高，几乎每隔1 0 年就翻一番，这必然加剧世界能源的短缺与供应紧张。1 9 7 3 年中东石油主产 国对一些发达国家采取石油禁运，使这些被禁运的国家出现了所谓“能源危机”，同时也对一些 石油和煤炭资源缺乏，能源依赖进口的国家造成很大的冲击。虽然后来石油市场价格有涨有 落，各国也相继发现和开发了一些新油田，但通过这次世界性的能源危机的石油冲击，使人们 深感石油资源的不足。根据文献 1 0 1 2 的初步估计。到2 1 世纪中期以后，石油资源将面临 枯竭的局面。即使在此期间还可能发现新油田，但按目前这种能源增长率开采下去，到2 1 世 纪中叶以后，仍不能摆脱能源面临枯竭的困境。此外，石油资料在残存的矿藏中不是属于品质 很差的就是难以开采的，或者需要付出高昂代价才能获取的。这种人类即将面临的能源危机 已在西方世界引起了一场持续的能源恐慌。进人2 0 0 0 年的石油价格连续上升，不可能与这种 心理状况无关。 1 3 2 时代呼唤洁净的新能源 为了彻底从能源危机和环境保护的双重压力下解放出来，寻找新的替代能源一直受到世 界各国的关注。目前，已被开发的能源有太阳能、海洋能、生物能、风能、水能、核能等。但是这 些能源都不具备石油燃料那种突出的优点，它们或是受地理、气候、季节、时间等条件限制，或 是不具备能量比较集中、可储、可输、可以分散使用的优点，或是本身存在放射性问题，对环境 造成新的污染，总之不是运输业的理想能源。而氢能将作为一种理想的替代能源，已经取得了 科学家们的共识。 氢能是一种可以再生的永久性的能源。它可以用各种一次性能源，特别是核能和太阳能 将水直接分解来获得。氢燃烧后产生的水蒸气又可以重新恢复为水，这种水一氢氧一水之间 的永久性循环，使氢成为最理想的能源。 一6 一 第一章绪论 氢是一种清洁的新能源。氢和氧燃烧时生成清洁和无污染的水。由于氢中不含c ，s 及 其他有害杂质，因此它在空气中燃烧时不会产生c o 。，h c ，s o 。和致癌物质，它燃烧后产生唯 一的有害物为n o ，由于抑制单一有害物要比抑制多种成因复杂的有害物容易得多，更何况 氢燃料内燃机的单机n q 排放量要比传统石油燃料的单机排放量低得多。 氢能是一种有效的用途广泛的能源。它储存、输运、使用方便，它既可以作为火力发电站 和燃料电池的燃科，又可以作为运输车辆的燃料，难得可贵的是现有燃烧石油燃料的汽车发动 机稍加改动就可以燃烧氢。它也是一种高效的能源，若以储量丰富的煤为例，lt 煤可以经过 不同途径产生燃料，当它分别产生氢、甲醇、电、汽油用于驱动汽车时，可以使汽车分别行驶 10 3 0k m 8 7 3k m 。7 7 2k m ，7 0 8k r a 。由此可见，氢燃料汽车发动机的效率可高于汽油机 4 5 5 。当氢能传输时，它的长距离管线输送能耗仅为电力超高压输送能耗的5 0 l i j j 。 氢燃料用于汽车时性能优越。氢的发热量为1 2 09 7 5k j k g ，约为汽油发热量的2 8 倍 多，这对各种运输车辆也是个突出的优点。氢燃烧后的生成物具有更高的温度，氢的火焰传播 速度比石油燃料的火焰传播速度快得多。氢还有一些重要特点，它比煤油或汽油有更宽的着 火界限，氢混合气最小点火能量为0 0 2m j ，只占汽油混台气点火能量的1 1 0 。 1 4 氢燃料汽车发展状况 1 4 1 氢能及氢燃料汽车的发展历程1 4 2 2 氢能的发展史可追朔到1 8 世纪，1 8 6 9 年俄国的门捷列夫化学元素周期表为寻找氢与其 他元素之问的作用规律奠定了基础。1 8 9 8 年杜瓦首先使氢液化并发明了杜瓦瓶，为氢的储存 开拓了新途径。1 8 4 1 年英国颁发了第一个用氢和氧的混合气工作的发动机专利证。1 8 5 2 年 慕尼黑宫廷钟表师制成了一台用氢和空气的混合气工作的发动机。这是早期人类对氢能及氢 燃料发动机的探索。 直至2 0 世纪初。氢作为发动机的燃料才取得了一定的进展，1 9 2 8 年德国齐伯林公司的 “齐伯林号”飞艇首次载客横渡大西洋飞行成功。两次世界大战中，德国都因汽油短缺而进行 过氢内燃机的研究。当时，某些石油短缺的国家也曾激发过用氢研究的热情，二战结束后，加 拿大人金( k i n g r o ) 和兰特( r a n d ，m ) 等也开展过对活塞内燃机中燃氢技术的研究”“”o “。 第一次全面认真研究氢发动机的科学工作者，当属英国学者