（动力机械及工程专业论文）氢燃料发动机工作过程及nox的模拟计算.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着石油资源的日益短缺和生态环境的不断恶化，开发清洁的汽车代用燃 料，是我们当前的一项重要任务。氢燃料电池和氢燃料发动机是汽车利用氢能的 两种主要形式。氢燃料电池能量转换效率高，但是面临着如何延长电池使用寿命 以及降低成本的难题。氢燃料发动机燃烧速度快，理论循环接近o t t o 循环，热 效率高，着火界限宽，仅有n o ：一种有害废气排放物。 本文所使用的氢燃料发动机由奇瑞s q r 4 8 0 汽油机改装而成，它燃用纯氢。 本文开发了一套电控供氢系统，包括氢气喷嘴、氢气轨道、氢气引管、迸气歧管 等连接部分，同时还改装了电子节气门、电控e g r 阀及曲轴箱氢气释放阀等。 为了抑制外混式氢发动机的早燃、回火等异常现象，采用了各缸单独点火系统， 以获得最优的火焰传播。 本文运用准维双区燃烧模型来模拟计算氢发动机的工作过程，利用扩充的 z e l d o v i c h 理论，来计算n o x 的生成量。运用g t - p o w e r 软件建模，仿真分析了 氢发动机与原汽油机的一些基本性能，主要从点火正时、示功图、缸内温度、燃 烧速率、进、排气管压力波动，对气缸壁的传热率、气门升程及质量流速、输出 功率及转矩、n o 。的生成量等方面作了预测。 本文搭建了氢发动机的试验台架，仿真分析了氢发动机的基本性能，为后继 的研究工作提供了平台。将奇瑞s q r 4 8 0 汽油机改装为氢发动机的实践说明，在 现有汽油机的基础上，改装氢发动机是可行的。 关键词：氢气；发动机；燃烧过程；n o 。排放；模拟计算。 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es h o r t a g eo fp e t r o l e u mr e s o u r c ea n dt h ee n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o n ，a s i g n i f i c a n tt a s kf o ru sa tp r e s e n ti st oe x p l o i tt h ec l e a na l t e r n a t i v ef u e l sf o rv e h i c l e s f u e lc e l la n dh y d r o g e ne n g i n ea r et h et w of o r m st h a ta r eu s e do nt h ev e h i c l e s f u e l c e l lh a sh i 【g he n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y h o wt op r o l o n gt h eu s a g el i f ea n dr e d u c e i t sc o s ta r et h et w op r i m a r yp r o b l e m sf u rt h ef u e lc e l l h y d r o g e ne n g i n eh a sal o to f a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gr a p i dc o m b u s t i o nr a t e ，t h e o r e t i cc y c l ec l o s et oo t t oc y c l e ，h i g h t h e r m a le f f i c i e n c y , b r o a di g n i t i o nl i m i ta n dt h eo n l yo n ee x h a u s te m i s s i o n - - n o x ，a n d s o o n m 犯h y d r o g e ne n g i n eu s e di nt h ep a p e rw a sr e t i r e df r o ma c h e r y4 8 0g a s o l i n e e n g i n e ，a n di tc o m b u s t e dp u r eh y d r o g e n as e to fe l e c t r o n i ch y d r o g e ns u p p l y i n g s y s t e m s ，i n c l u d i n gh y d r o g e nn o z z l e ，h y d r o g e np i p e ，h y d r o g e ng u i d ea n di n t a k e m a n i f o l ds oo n , w e r ed e v e l o p e d m e a n w h i l e ，e l e c t r o n i ct h r o t t l e ，e l e c t r o n i cc o n t r o l l e d e g rv a l v e ，a n dc r a n k c a s eh y d r o g e n - r e l e a s ev a l v ew e r er e d e s i g n e d t h i sp a p e r a d o p t e ds e p a r a t ei g n i t i o ns y s t e mf u re a c hc y l i n d e rt oo b t a i no p t i m u mf l a m es p r e a d ，i n o r d e rt or e s t r a i nt h ea b n o r m a lp h e n o m e n o no fp r e - i g n i t i o n , b a c k f i r ef o rt h eo u t e r m i x e dh y d r o g e ne n g i n e i nt h ep a p e r aq u a s i d i m e n s i o n a lt w o - z o n em o d e lt os i m u l a t et h e h y d r o g e n e n g i n e sw o r k i n gp r o c e s sw a se m p l o y e d , a c c o r d i n gt o t h ee x t e n d e dz e l d o v i c h p r i n c i p l et oc a l c u l a t en o i e m i s s i o n t h ea u t h o re m p l o y e dt h eg t - p o w e rs o f t w a r e t o m o d e l i n gt h eh y d r o g o ne n g i n e ，a i m e dt o s i m u l a t ea n da n a l y z es o m eb a s i c p e r f o r m a n c e so ft h eh y d r o g e ne n g i n ea n dt h eo r i g i n a lg a s o l i n ee n g i n e t h i sp a p e r p r e d i c t e dt h o s ep e r f o r m a n c e s ，m o s t l yi nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ，s u c ha si g n i t i o nt i m i n g ， i n d i c a t o rd i a g r a m ，i n - c y l i n d e rt e m p e r a t u r e ，b u r n i n gr a t e ，i n t a k ea n de x h a u s tp i p e p r e s s u r ev a r i a t i o n ，h e a tt r a n s f e rr a t e t ot h ew a l l ，v a l v el i f ta n dm a s sf l o wr a t e ，o u t p u t p o w e ra n dt o r q u e ，a n dt h en o xq u a n t i t ys oo n i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rb u i l tt h ee x p e r i m e n ts e t - u p ，s i m u l a t e da n da n a l y z e dt h e b a s i cp e r f o r m a n c e so ft h eh y d r o g e ne n g i n e ，i no r d e rt oo f f e rt h ep l a t f o r mf o rt h el a t e r r e s e a r c ht a s k s t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a ti ti sf e a s i b l et ot h eh y d r o g e ne n g i n e r e f i t t e df r o mt h et r a d i t i o n a lg a s o l i n ee n g i n e k e yw o r d s ：h y d r o g e n ；e n g i n e ；c o m b u s t i o np r o c e s s ；n o xe m i s s i o n ；s i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 学位论文作者签名：l 、泌五指导教师签名糯 卅年6 月1矧f 占j - j f f ti 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j a 、；更王、 日期：阳7 年6 月f 几 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着汽车工业的飞速发展，汽车工业已成为现代人类文明的重要标志，在相 当长的一段时间内，汽车及运输业仍将是社会发展的重要动力。然而，随着汽车 保有量的急剧增加，世界石油资源短缺和生态环境恶化已成为二十一世纪人类面 临的重要问题。 我国的石油资源并不丰富，石油储量仅占世界的2 4 ，石油年产量只能在 1 6 亿吨左右，很难有大幅增长。上世纪八十年代我国逐渐由能源出口国变为能 源进口国，自1 9 9 3 年起成为石油净进口国。随着国民经济的发展、人口的增长， 对能源的需求也与日俱增。2 0 0 4 年我国石油进口已超过1 亿吨，全国剩余可开 采石油储量仅2 4 2 8 亿吨，只够再开采1 4 年，陆地石油资源勘探连续多年没有 发现有价值的新油田，即使考虑到开发海上石油资源，包括目前正在开发的东海 油田，2 0 年后我国仍将基本依赖进口石油来维持石化企业和汽车的运行，形势 非常严峻。预计到2 0 1 0 年前后我国石油进口将达到2 亿吨以上，而到2 0 2 0 年， 石油进口将达到4 亿吨左右。而目前我国进口石油的三分之一用于汽车消耗。由 于受技术等因素的限制，我国资源的利用率较低。机动车平均百公里油耗比欧洲 高2 5 ，比日本高2 0 ，比美国高1 0 ；载货汽车百公里油耗比国外先进水平 高一倍以上，这对汽车传统的石油燃料资源提出了严峻的挑战。 据统计【1 】，目自茸汽车尾气排出的c 0 2 占全球c 0 2 排放量的2 0 3 0 ；在一 些发达国家，汽车排放已占大气污染的3 0 6 0 。而汽车尾气的流动污染则是 造成环境恶化和影响人类健康的最大污染源。因此，在汽车上使用代用清洁燃料， 使汽车能源多样化，是世界汽车行业发展的一种趋势，也是环境保护的客观需要。 根据我国国情，走汽车能源多样化道路，是摆在我们面前的一项迫切任务，这对 减少环境污染，优化能源结构，促进我国汽车工业持续健康地发展，具有十分重 要的意义。 江苏大学硕士学位论文 1 2 代用燃料简介【刎 从能源的可再生角度看，汽车的代用燃料可分为两类：一类是不可再生的燃 料，如液化石油气、压缩天然气、二甲基醚等；另一类是可再生的燃料，如氢气、 植物油等。 1 2 1 天然气和石油气 天然气和石油气是两种主要的汽车气体燃料，在汽车上使用时，常以压缩天 然气和液化石油气的形式出现。由于气体燃料资源丰富、燃烧清洁，随着石油资 源的枯竭和环境保护要求的日趋严格，同时随着液化、高压缩比等技术的成熟， 燃气汽车得到了较大发展。 压缩天然气汽车( c o m p r e s s e dn a t u r a lg a sv e h i c l e ，简写c n g v ) 、液化石油气 汽车( l i q u i f i e x lp e t r o l e u mg a sv e h i c l e ，简写l p g v ) 有如下特点： ( 1 ) 由于热值高、辛烷值高、燃烧完全，热效率高，因此汽车的经济性好； ( 2 ) 排污少，特别是c n g v ； ( 3 )由于天然气能量密度低，c n g v 动力性差，储气瓶占用空间大； ( 4 ) 发动机维修成本降低，使用寿命长，总体上燃料价格便宜： ( 5 ) 加气网络的建设投资较大。 1 2 2 醇类燃料 醇类燃料主要是指甲醇( m e t h a n 0 1 ) 和乙醇( e t h a n 0 1 ) 。2 0 世纪七十年代以 来，醇类燃料已得到了相当多的应用。如巴西盛产甘蔗，制取乙醇的原料丰富， 部分汽车上掺烧的乙醇有2 0 ；目l ；i ，美国部分商用汽油含有1 0 的乙醇，美 国加州约有1 3 的汽车燃用过甲醇。如汽车上标有m 1 5 字样，表示燃料中甲醇 占1 5 ，e 5 表示乙醇占5 。我国目i ； 推广使用的乙醇汽油为e 1 0 。 醇类燃料的特点有： ( 1 ) 醇类分子中含有氧，易于完全燃烧； ( 2 )自燃温度和辛烷值高，允许发动机有较高压缩比，故热效率高； ( 3 ) 着火界限宽，火焰传播速度快，可采用稀燃技术，循环波动小，因面 经济性好； 2 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 沸点低，蒸汽压高，易在燃料管道内产生汽阻，汽化潜热大，低温启 动性较差； ( 5 ) 甲醇有毒，可刺激眼结膜，也可通过呼吸道、消化道和皮肤进入人体， 产生毒害。 在柴油车上使用醇类燃料需对发动机进行较大改造，以适应柴油和乙醇不能 互溶和适应醇类燃料存在的十六烷值低、着火性能差、自燃温度高，压燃难、汽 化潜热大、着火延迟期长等特性。目前，国内外正在研究使柴油和乙醇互溶的助 溶剂，生成柴油醇( d i e s o h 0 1 ) 。 1 2 3 二甲醚 二甲醚也称二甲基醚( d i m e t h y le t h e r ，简写d m e ) 。d m e 是一种含氧( 含 氧量3 4 8 ) 燃料，无毒，常温常压下为气态，常温时在5 个大气压下可液化， 具有与液化石油气相似的特性。 在保持动力性，经济性的前提下，燃用d m e ，碳烟排放为零，n o x 、c o 、 h c 、颗粒排放达到u l e v ( u l t r al o we m i s s i o n sv e h i c l e ) 标准。还可用更大的废 气再循环量来进一步降低n o x 。使用d m e ，还可使发动机噪声降低1 0 d b ( a ) 1 5 d b ( a ) 。 d m e 可以以煤、天然气、生物有机物等为原料产生合成气( c o 、c 0 2 和 h 2 ) ，然后通常以二步法先取得甲醇，进一步脱水制成二甲醚。最近，丹麦t o p s o e 公司成功地开发出了以天然气为原料产生合成气，由合成气一步法高效制各 d i m e 的工艺，可大大降低d m e 的生产成本( 据a m o c o 公司预测，以天然气为 原料，采用t o p s o e 公司的一步法，按每天生产4 2 0 0 0 桶计，则d m e 的生产成本 为柴油的8 4 ，汽油的4 5 ) 。 根据我国煤炭资源较为丰富的特点，开发从煤衍生的代用燃料d m e ，对减 少大气污染，降低汽车对石油燃料的依赖，具有重要意义。影响二甲醚推广使用 的主要是生产、储存、销售和分配供应系统的建立。 1 2 4 植物油 植物油是世界上大量存在的可再生能源，主要成分为饱和脂肪酸的甘油酯。 我国西南地区曾以当地的菜籽油和乌柏油作为农用柴油机的燃料。美国为给过剩 3 江苏大学硕士学位论文 的植物油找出路，用花生油、向日葵油( 或植物油) 与柴油( 1 ：1 ) 混合作为燃 料在直喷式柴油机上进行试验，结果是植物油作为发动机燃料，其功率较用柴油 高出6 ，但油耗高出2 0 ，柴油机以植物油与柴油的混合燃料燃烧时的热效率 稍低，排放物中h c 含量高于柴油的排放物，而c o 的排放量高出一倍。我国一 些内燃机工作者所做的台架试验( 用菜籽油水乳化燃料在涡流式燃烧室的柴油机 上燃烧) 表明，其动力性及经济性与燃用柴油时基本相当，但排放物中的烟度浓 度大大下降。 使用植物油作燃料易堵塞燃油滤清器，而且喷油嘴和燃烧室内的积碳增多。 为避免此缺点，美国学者建议将植物油转化为脂肪酸甲脂或乙脂，使其挥发性接 近柴油，其它性能与柴油相当。 1 2 5 氢气燃料 氢能是一种可以再生的无机燃料，它可以用多种一次性能源，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 水氢氧水之间的永久性循环，使氢成为最理想的能源。 氢气具有如下特点： ( 1 ) 在所有元素中，氢重量最轻。在标准状态下，其密度为0 0 8 9 9 9 a ，在 2 5 2 7 c 时，可成为液体； ( 2 ) 氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的7 5 ，除 空气中含有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的 物质。据推算，如把海水中的氯全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有 化石燃料放出的热量还大9 0 0 0 倍； ( 3 ) 氢的单位质量放热量为1 2 0 9 7 5 k j k g 约为汽油放热量的2 8 倍多； ( 4 ) 氢燃烧性能好，氢的火焰传播速度比石油燃料的火焰传播速度快的多， 而且燃烧后的生成物具有更高的温度； ( 5 ) 氢混合气最小点火能量为0 0 2 m j ，只为汽油混合气点火能量的1 1 0 。 ( 6 ) 氢比汽油有更宽的着火界限，在过量空气系数0 5 3 5 范围内都可以 正常燃烧，并且不会产生明显的循环波动。采用稀燃、速燃技术，不但提高了经 济性，而且降低了缸内温度，抑制n o ；的产生。但是燃用很稀的混合气，会使 燃烧推后，缸内残余气体温度高，易发生早燃； 4 江苏大学硕士学位论文 ( 7 ) 氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧时最清洁，除生成水和少量n o i 外不会产生诸如一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅化物和粉尘颗粒等对环境 有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境，而且燃烧生成的 水还可以继续制氢，反复循环使用； ( 8 ) 氢能利用形式多，既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机 械功，又可以作为能源材料用于燃料电池，或转换成固态氢用作结构材料。用氢 替代煤和石油，不需对现有的技术装备作重大的改造，现在的内燃机稍加改装即 可使用； ( 9 ) 氢可以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用 环境的不同要求。 由于自然界中不存在天然的氢气，氢气的制备要消耗能源，也会产生污染。 因此也有学者认为氢气是能源的载体，不是能源。氢气燃料的利用，要从我国国 情出发，对于污染严重的城市，可以利用氢气燃料，实现能源利用多元化，改变 污染区域分布，有利于污染集中处理。 1 3 氢能的应用 氢能应用的两种主要方式是燃料电池和氢燃料发动机。燃料电池一般是通过 氢气与氧气的化学反应直接发电的一种装置，能量转换效率很高。燃料电池还可 以采用其他燃料，而且既可以车用，也可以用于发电站，还可以用于移动电话、 笔记本电脑和其它便携式电子产品。氢燃料发动机一般都是车用或发电川。 1 3 1 燃料电池 ( 1 ) 燃料电池原理m 它通过二元催化转化器使氢与氧结合进行电化学反应，从而转化为电能，再 利用电动机将电能转化成机械能。氢燃料电池用h 2 作燃料，并用电解质( 离子 导体) 和外部电路( 电子导体) 把两者连接成电路，就会促进放电子反应和受电 子反应。生成的离子在电解质中流动。因而在外部电路把电子作为载电体流通电 流，在电池内部的电解质中把离子作为载电体流通电流，两者以电极为界。 总的化学反应是： 5 江苏大学硕士学位论文 h 2 + 1 0 2 斗h 2 0 由此可见，这种电池进行的反应，实质上就是氢气在氧气中燃烧的反应，可 以看作是氢和氧的电化学“燃烧”生成了水，而以流过外部电路的电子形式取出了 电能，也就是说，得到了电能而不是热能。并且，燃料电池的电极在发电过程中 起催化作用，本身不消耗，它实际上只是一个能量转化装置。 图1 1 燃料电池工作原理示意图 f i g 1 1s c h e m a t i co fo p e r a t i o np r i n c i p l ef o rf u e lc e l l 燃料电池的工作过程不包含热力过程，不受卡诺循环限制，最高能量转换效 率可达8 0 ；发电系统可以通过单电池叠加构成，不受规模限制，可以达到很大 的功率，在额定功率下运转，效率变化很小，响应速度快。 ( 2 ) 燃料电池发展现状【1 m 1 1 】 燃料电池中，质子交换膜电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ，简写 p e m f c ) 发展最快。颇有实力的公司是加拿大的b a l l a r d 公司、美国的i f c 公司 等，德国的皮尔堡、马勒、舍尔岑格都争楣研制燃料电池。预计质子交换膜燃料 电池电动汽车的商业化进程很快，2 0 0 7 年将给交通运输业带来9 0 亿美元的价值。 在国内的一些高校和研究所，如清华大学、同济大学、武汉理工大学、北京 理工大学、大连化学物理所等都在努力开发氧燃料电池。由东风汽车公司和武汉 理工大学联合研制的“楚天一号”问世，是中国汽车界的一件大事。发展燃料电池 6 江苏大学硕士学位论文 汽车将是中国汽车产业摆脱目前落后局面，实现跨越的一次机会。近几年，仅科 技部在氢燃料汽车研发方面投入的资金就超过了4 亿元，“十五”期间，氢燃料汽 车开发被列a - 8 6 3 ”重大科技攻关项目。武汉理工大学在东风汽车公司的支持下， 自主研发出来氢燃料电池电动汽车“楚天一号”，达到了国内先进水平，取得了阶 段性成果。从未来看，中国的氢燃料电池电动汽车可能在2 0 2 0 年前实现产业化。 图1 2 氢燃料电池电动汽车实物图 f i g 1 2p r a c t i c a l i t yp i c t u r eo f h y d r o g e nf u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e 车用氢燃料电池发动机技术主要面临以下几个方面的技术障碍：一是解决环 境因素的影响存在较大难度，如低温启动与周围环境的影响，空气中杂质对电池 性能和寿命的影响；二是如何延长电池使用寿命问题；三是怎样降低燃料电池成 本，尤其是贵金属铂金作为催化剂时，不但使燃料电池的制作成本增加，同时铂 在全球的储量及年开采量均不能满足大规模使用燃料电池的需求；四是氢源及其 储运问题。只有解决好这些问题，再加上社会基础配套设施问题解决了，才能谈 氢燃料电池的产业化问题。 1 3 2 氢燃料发动机 ( 1 ) 氢燃料发动机的特点 1 2 - 1 3 l 与其它燃料发动机相比，氢作为汽车燃料具有如下特点： ( 1 ) 其理论循环接近o t t o 循环。燃氢发动机集柴油机的高热效率和汽油机 的高转速特点于一身，是一个非常理想的系统。研究表明，在相同的测试条件下， 7 江苏大学硕士学位论文 氢发动机热效率比汽油机高1 5 5 0 ； ( 2 ) 氢燃烧速度快。接近理论循环比成分的氢空气混合气的燃烧速度比其 它气体和汽油的燃烧速度高出2 8 倍，这样氢发动机的燃烧过程可以在很短时间 内完成，更接近于定容过程，所以热效率高。同时，氢发动机可以采用稀燃； ( 3 ) 氢和空气的混合气具有特别广的可燃范围，在发动机整个负荷范围内 都可正常工作，只需调节供氢量即可；氢发动机可以燃用非常稀薄的混合气稳定 工作，并可以采用变质调节的方式来调节氢发动机的工况； ( 4 ) 可燃性好。氢和空气的混合气燃点很高，不能压燃，必须采用外点火， 对用电火花点火的发动机来说，其燃烧的重要性能是它的可燃性，用最小的( 电 火花) 点火能量表示，最小点火能量越小，燃料的可燃性越好。氢空气混合气 的点火能量是其它可燃气体的1 3 1 6 ； ( 5 ) 氢在2 5 3 仍为气体，这一特点保证氢发动机不会有任何启动问题， 这对交通拥挤时汽车的频繁起动非常有利； ( 6 ) 氢燃烧产物清洁，主要为水，n o x 的生成量与汽油机相当； ( 7 ) 以氢为燃料的发动机还有诸如不会发生汽阻、冷壁熄火、汽化不足、 混合不当等问题； ( 8 ) 当混合气较浓时，易发生回火或早燃等异常现象。回火现象普遍认为 是由于氢气易于被一些热点点燃和燃烧速度过快引起的。 ( 2 ) 氢燃料发动机的研究现状【6 l 2 0 世纪7 0 年代以来，国际市场石油价格不断上涨，人们对氢发动机的研究 热情倍增。氢燃料汽车和氢燃料电动汽车在只本、德国和美国己研制和运行多年， 尤其以液氢汽车和氧燃料电动汽车的应用前景最为广阔。德园奔驰公司开展氢燃 料汽车的试验研究，第一批未来型氢燃料公共汽车已于1 9 9 6 年复活节后投入运 行，奔驰f 1 0 0 液氢汽车被称为2 1 世纪房车；日本五藏工业大学与尼桑公司长期 合作，1 9 9 0 年研制成功“五藏8 号”液氢汽车。它们均代表了液氧汽车研究的最 高水准。 我困对氧能的开发和应用起步较晚，但发展速度比较迅速。北京石油大学在 制氧研究方面，南斤大学、浙江大学对金属氧化物储氢和镍氢电池的研究，中国 科学院沈阳会属材料所在纳米材料储氢方面的研究均有良好的发展。浙江大学、 8 江苏大学硕士学位论文 天津大学、华中科技大学等在氢汽油、氢柴油混合燃料发动机研究中也积累了 不少经验。 氢燃料发动机今后的研究与发展也将围绕燃烧机理研究，不同运转参数、结 构参数下氢发动机的燃烧规律及它们对发动机性能的影响规律、异常燃烧机理及 n o , 产生机理的研究仍是重要的研究内容。采用缸内喷射，特别是缸内高压喷射 液氢的氢发动机是主要的研究对象。高压喷射氢燃料发动机的优点是不会发生回 火、早燃，而且压缩比可提高到1 2 , - 1 5 ，从而提高功率和改善热效率，且可以适 用于大缸径发动机。采用优化喷氢正时、循环喷氢量、点火正时等实时控制，才 能使发动机在各工况下工作在最佳状态，具有高效、低n o 。排放和各方面均优 越的性能。因此，从氢发动机的特殊性着手，对工作过程进行数值模拟，建立燃 烧控制模型，实现对喷氢正时、点火正时、循环喷氢量等多参数在稳定工况以及 起动、怠速、变速等工况下的优化控制，并进行预测、故障诊断等多功能的研究 无疑是具有相当的挑战性，又极具诱惑力。这个领域的研究将是未来的热点研究 内容之一。 从我国的国情出发，关于氢燃料汽车的研究可采取两步走的策略。第一步采 取在汽油中掺烧氢作为汽车发动机的燃料以达到减少汽车排放污染和合理利用 能源的目的。这在现阶段不失为一种较为理想的过渡方案。第二步当条件成熟时， 直接利用纯氢作为汽车发动机的燃料。 1 4 本课题研究内容及意义 本文首先对氢燃料发动机的燃料供给系统予以了介绍。因为氢燃料发动机回 火严重，因此需要对原发动机的燃料供给系统重新设计，包括氢气喷嘴、氢气轨 道、氢气引管、进气歧管等连接部分。同时还改装了电子节气门、电控e g r 阀 及曲轴箱氢气释放阀等。为了抑制早燃，不能采用原发动机的分组式电子点火系 统，而应采用各缸单独点火系。 内燃机的燃烧过程非常复杂，它是一个包括气体流动、化学反应、传热、传 质等过程的综合。通常的燃烧模型分为零维模型和多维模型。通常在多维模型中， 包含质量平衡方程、动量平衡方程、能量平衡方程以及化学组分的偏微分方程； 如果根据燃烧现象的不同，将过程分解成彼此独立的部分，各个独立的部分仍使 9 江苏大学硕士学位论文 用零维模型的理论，这种模型就足准维燃烧模型。本文就是采用准维双区燃烧模 型来分析氢燃料发动机内部的燃烧状况。 本文主要对纯氢燃料发动机的燃烧过程及n o ；排放进行了模拟研究。使用 氢燃料发动机的一个主要目的就是为了减少污染物的排放。使用氢气做燃料能显 著减少c o ，h c 等的排放，但是n o 。的排放在某些情况下反而会升高。模拟计 算技术在近些年得到迅速发展。v i p r e 蹦计算程序能够预测发动机进、排气系统 内各种物质瞬时浓度，后来又开发了a l a m o e n g i n e 计算程序用于预测发动 机n o ；排放【1 4 1 。对于n o 的生成机理，目l j 主要采用的是捷尔多维奇( z e l d o y i c h ) 理论。本文运用美国g a m m a t e c h n o l o g i e s 公司开发的g t - p o w e r 软件，对氢发 动机与原汽油机的基本性能作了仿真对比分析，对氢发动机的唯一有害排放物 n o x 的浓度进行了模拟计算，为氢燃料发动机n o 。的排放研究奠定了理论基础。 本文模拟计算的目的是为下一步的实验提供理论依据，使实验具有明确的目 的性，节约实验费用。同时，下一步的实验也可以验证、修改模拟计算模型，使 开发人员对氧发动机有更进一步的认识。通过模拟计算，能更好的分析和预测由 汽油机改装而成的氢发动机的实际工作过程，找出与汽油机工作过程的不同点， 为以后的改装积累经验。 本课题所研究的是燃烧纯氢气的情况，与以往氢汽油以及氢柴油掺烧的课 题有显著的区别，因此这也是本文的特色之所在。 江苏大学硕士学位论文 第二章氢燃料发动机供氢系统设计 目前所有的燃氢发动机都是由汽油机或柴油机改装而成的，还没有专门的燃 氢发动机。这是因为传统的汽油机或柴油机技术已经非常成熟，通过改装即可燃 烧氢气，而且成本低。但是氢气与汽油或者柴油在物化特性上有很大的差别，因 此对供氢系统的改装尤为重要，否则会引起一系列的异常燃烧现象，比如回火、 早燃及爆震等。 2 1 氢燃料的储存和生成 用于车辆燃料用途的氢气，其随车储存的方法必须符合安全、体积小、容易 添加等要求。其主要实用方法有：液态储氢、金属氢化物储氢、有机液体储存、 高压储氢等嘲【1 5 1 。 2 1 1 液态储氢 氢气在常温下很难液化，一般在压力1 0 1 5 m p a ，温度5 0 7 0 k 时，氢气 的液化率可以达到2 5 。相同压强下，液态氢的密度是气态氢的8 4 5 倍，所占体 积小。液氢的体积能量密度高，其单位热值约为汽油的3 倍。液氢的添加和计量 与传统液态燃料相似，液氢的这些特点有利于车用燃料的储存要求。 但是，液氢对储存容器的绝热和安全性设计要求很高。液氢与环境温度相差 很大，蒸发损失及将气态氢经高压低温变成液态氢损失使液氢的成本较大，难于 大量建立供给站及在民用车辆上使用。 2 1 2 金属氢化物储氢 金属氢化物储氢，就是先将特殊金属与氢反应生成金属氢化物，使用时再加 热金属氢化物释放氢供作燃料。目前研究应用的储氢金属或合金主要有钛系、稀 土系、镁系等。 金属氢化物的储氢密度接近液态氢，适合于随车燃料储存的要求。金属氢化 物储氢的另一优点是氢原子在合金中储存及释放使用过程时不易发生爆炸，安全 性好。奔驰汽车公司生产的以汽油和氢气共同作燃料的小轿车就是用钛铁合金氢 1 1 江苏大学硕士学位论文 化物为贮氢箱。 金属氧化物储氧的缺点是储氢合金性能的衰减。随着反复的使用，储氖合金 内部累积应变引起翅性变形或损坏：金属中与氢亲和力小的元素在反应过程中游 离减少；原料气体中的杂质会积存在金属氢化物内；这些都会使金属变质，其储 氢和放氢能力下降。 2 1 3 有机液体储氢 这种储氢方法利用催化装置把氢寄存于苯、甲苯、甲基环己烷等有机物液体 里，氢在这些有机物液体中可被安全地储存和运输。使用氢燃料时，以催化脱氢 装置把氢从有机物液体中脱离出来，而有机物液体脱氢后可再利用。 有机物液体储氢的方法在储存及运输时安全、成本低，储氧量与金属氢化物 相似，储氢剂可循环使用。但有机物液体加氧及脱氢反应会消耗较多能最，并需 要理想的催化剂。 2 i a 甲醇重整制氢 上述方法所储的氢较多用于氢燃料电池，供电动车的马达电源用。对于发动 机驱动的“氢燃料汽车”，可直接用甲醇重整等方法获得氢。常压、高温状态时， 甲醇等醇类在催化剂作用下生成氢。甲醇可以从玉米、甘蔗等植物秸秆或煤炭、 天然气等矿物中制取，甲醇重整生成的氢较纯。 因为是在高温状态下生成的氢，氢气中混有蒸发成分，所以氢燃料不是单纯 的“气态”，而是类似于雾化汽油的“气态”。氢燃料的这种状态有利于供给传统发 动机使用。 2 1 5 高压储氢 目前市场上销售的氧瓶标准是，填充压力1 4 m p a ，氢瓶整体质量约为6 0 k g 。 以等价能量换算，相当于2 3 l 汽油。早期日本研发的名为血藏1 号氢燃料汽车 安装了1 0 支这样的氧瓶，仅容肇的质量就达6 0 0 k g ，无法使汽车达到实用状态。 后来日本研制铝衬上缠绕炭化纤维的用于贮存氧燃料的轻质气瓶。虽然类似 这种可承受填充压力3 0 m p a 的气瓶已经在天然气汽车上使用，但是用做氢燃料 的气瓶还处于研发阶段。其目标是使轻质气瓶的填充压力达到7 0 m p a 。我们知 江苏大学硕士学位论文 道，当1 l 的液态氢蒸发后，其标准状态下的体积为7 9 5 l ，填充压力为7 0 m p a 的气瓶可与该值相匹。可是，填充压力在7 0 m p a 时，要打开直径2 0 r a m 的接口， 就会有质量约2 t 的力作用在车上。这就需要驾驶员操纵车辆加以克服。此外在 汽车上还需要安装对它本身以及与之关联的管线，安全装置等，以确保使用上的 安全性。 2 2 供氢系统的改装要求 由于本实验所用的样机为奇瑞s q r 4 8 0 汽油机，要燃用纯氢气，就必须拆掉 原来的供油系统，再加装上供氢系统，发动机主要结构不变，这样改装成本较低。 改装实物图如图2 1 所示。 图2 1 氢发动机的供氢系统 f i g 2 1h y d r o g e ns u p p l y i n gs y s t e mo fh y d r o g e ne n g i n e 主要的改装部分包括氢气喷嘴、氢气轨道、氢气引管、进气歧管、电子节气 门、电控e g r 阀及曲轴箱氢气释放阀等。具体的改装要求是： 1 ) 加装氢气稳压气轨； 2 ) 在氢气稳压气轨和氢气喷射阀之间加装一个连接套； 3 ) 在氢气喷射阀出口处加装导引喷管； 4 ) 在导引喷管的出口端安装单向阀； 江苏大学硕士学位论文 5 ) 采用各缸单独点火系。 2 3 奇瑞s q r 4 8 0 汽油机的主要技术参数 根据实验需要，我们选取了奇瑞s q r 4 8 0 汽油机，该款发动机主要安装在奇 瑞新旗云1 6 m t 家用轿车上。其主要的技术参数如表2 1 所示【1 6 l ： 表2 1 奇瑞s q r 4 8 0 发动机主要参数 t a b 2 1p r i m a r yp a r a m e t e r so fc h e r ys q r 4 8 0e n g i n e 型号s q r 4 8 0 汽油机 型式 直列、立式、水冷、多点电喷 气缸数4 气门数8 缸径( m m ) 7 9 9 4 行程( r a m )7 9 5 2 排擘( l )1 5 9 6 压缩比9 7 5 ：1 最大功率( k w ) 6 9 5 5 0 0 最大扭矩( n m ) 1 3 2 ，3 0 0 0 最高转速( r m i n )6 0 0 0 油耗( u 1 0 0 k m ) 6 3 ( 9 0 k m h 等速行驶) 升功率( k w )4 3 2 3 3 达到排放标准欧i i i 进气提| j f 角( 。c a )1 8 进气迟闭角( 。c a )5 7 排气提前角( 。c a ) 6 0 排气迟闭角( 。c a )1 5 三效催化 标准配置 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 4 燃氢发动机供氢系统的设计 2 4 1 供氢方式及调节 目i j i 主要的供氢方式有【3 】【1 7 1 ： 1 ) 进气管连续喷射混合器法：该方法是向进气管内持续喷氢，同时喷进少 量水，在迸气管节气门i j i 使空气、氢和少量水蒸气混合后进入气缸。在这里，喷 氢时间不受进气门的启闭时刻的限制。用这种方法能达到超稀释混合气工作、部 分负荷热效率高和排放低的目的； 2 ) 进气管连续喷射空气导流法：该方法是在气缸盖的进气道内插入一根供 氢管，在进气管空气的导流下，氢与空气一起进入气缸。供氢也是连续的而不管 进气门的启闭； 3 ) 进气道间歇喷氢电磁控制法：此法不需钻孔，而是在进气门上方插入一 根供氢管，其供氢时间与进气门开启时间一致，由电磁阀控制供氢时间。 4 ) 缸内直接供氢法：在压缩冲程的后半期，直接将氢喷入缸内。本方法要 求喷氧定时要严格，对提升升功率有利。因此缸内低温直接喷氢是将来氢发动机 的发展方向。 上述1 ) 一) 属于外混式供氢方式，4 ) 属于内混式供氢方式。外混式氢发 动机在高负荷时会发生回火等不正常燃烧现象，但是它结构简单，热效率高，易 于实现贫燃，循环波动小，n o ；排放低。内混式氢发动机的最大输出功率大，且 能有效地避免回火，但是从目前的技术来看，缺点是氢气与空气混合质量不高， 热效率比外混式氢发动机低。 常温外混式氢发动机功率不足的主要原因是氢气体积热值低，占据燃烧室容 积，减少了空气吸入量。低温液氢外混式发动机由于在进气过程中冷却了空气， 使空气密度增大，相当于增压，因此其输出功率比常温外混式氢发动机大。 内混式有低压喷射和高压喷射两种方式。进气门关闭后低压喷入氢的方式对 喷射系统要求不高，可有效地避免回火现象，但由于燃料喷射早，易发生早燃， 因此不能采用太高的压缩比。对于高速发动机，喷氢、混合、点火、燃烧的时间 非常短，因此必须采用高压喷氢。采用8 1 0 m p a 的高压喷氢时。一般是在上止 点前4 0 1 0 。c a 曲轴转角将燃料喷入，以这种方式运行的氢发动机压缩比较高，在 江苏大学硕士学位论文 1 2 1 8 之间，为了防止早燃与燃烧粗暴，发动机的点火时刻只比喷氧时刻滞后 i 。c a 左右。 内混式喷射解决了外混式喷射功率不足的问题，氢发动机的功率可提高 加，甚至比同样气缸的汽油机高2 0 。 美国氢能专家e e l y n c h 开发了一套平行燃料供给系统，该系统能避免进气管 回火，如图2 2 所示【4 5 1 。在这套系统中，空气和氢气分别通过不同管道被送到进气 门前，从而避免了在进气管道内留有混合气，也就消除了回火现象，但是这种发动 机的输出功率比较低。 图2 2 氢发动机的平行燃料供给系统 f i g 2 2p a r a l l e lf u e ls u p p l y i n gs y s t e mo f h y d r o g e ne n g i n e 由于实验条件和考虑到改装成本等多方面的因素，我们选用的足外混式气态 供氢方式。 江苏大学硕士学位论文 2 4 2 燃氢发动机的燃料供给系统构成及工作原理 将奇瑞s q r 4 8 0 汽油机改装为燃氢发动机的燃料供给系统主要由氢气瓶、减 压阀、氢气滤清器、电磁切断阀、四个氢气喷射阀、氢气稳压气轨、氢气导引喷 管、e c u 控制单元和传感器所组成。 经改装而成的氢气喷射示意图如图2 3 所示： 1 氢气稳压气轨、2 氢气喷射阀、3 氢喷射导引喷管、4 导引喷管与歧管的连接头 图2 3 氢气喷射示意图 f i g 2 3s c h e m a t i co f h y d r o g e ni n j e 财i o n 经改装而成的燃氢发动机装置示意图如图2 4 所示： 1 氢气喷射阀、2 氢气滤清器、3 低压管路、4 氢气瓶、5 充气阀、6 高压管路、7 手动 阀、8 电磁切断阀、9 曲轴位置传感器、1 0 发动机、1 1 宽域氧传感器、1 2 排气总管、1 3 废 1 7 江苏大学硕士学位论文 气再循环( e g r ) 阀、1 4 曲轴箱氧气安全释放阀、1 5 冷却水温传感器、1 6 凸轮轴位置传感 器、1 7 进气总管、1 8 电子节气门、1 9 空气滤清器、2 0 加速踏板、2 1 进气温度传感器、2 2 进气压力传感器、2 3 氢温度传感器、2 4 氧压力传感器、2 5 氢气稳压气轨、2 6 e c u 图2 4 氢发动机装置示意图 f i g 2 4s c h e m a t i co fh y d r o g e na i g i n e 2 5 喷氢系统的相关装置介绍 实验中事先拆掉了原来的供油系统，然后改装上供氢系统。本实验中的氢气 供给系统主要由氢气瓶