（工程热物理专业论文）氢发动机燃烧过程及有害排放研究.pdf

上海交通大学硬士学位论文 氨发动机燃烧过程及有害排放研究 - - _ _ 。_ 。- _ _ 。一 摘要 厂 j i 随着化石燃料的日渐短缺和它们对生态环境的严重威胁，人们越 来越重视新能源和替代能源的开发和利用。太阳能和核能将在世界能 源结构中占据越来越大的份额。它们的广泛应用，须借助于氢能以中 间能质的角色，承担贮存、运输和传递的责任。氢能在本世纪的作用 有望赶上和超过电能。它还被认为是人类最终的理想能源。 燃氢汽车和氢燃料电池汽车是氢能应用领域内，与人们生活关系 密切的两大课题。其中燃氢汽车可以在不对现有汽车作大的改动的基 础上燃用氢气或掺烧氢气，这对快速解决当前的化石燃料短缺和环境 污染问题都是十分有意义的。y ， 氢发动机的贮氢系统以及供氢方式的选用对发动机的结构，重 量、尺寸、安全性，以及性能等影响很大。本文选用金属氢化物作为 贮氢器，分析了它的吸放氢特性，并对不同的供氢方式作了对比研究。 f 随发动机的使用大大减少甚至杜绝了c o ，h c 等有害物的排放， 但n o x 的排放降低不多，在某些情况下，甚至还可能超过汽油机的 排放。本文根据n o 生成的扩充的捷尔杜维奇( z e l d o v i c h ) 机理，编 制程序计算了燃烧化学平衡时各产物的平衡浓度，并进一步算出了 n o 的排放浓度。其排放浓度远小于化学反应平衡浓度，说明在燃烧 结束时，n o 的浓度仍未达到平衡。计算结果还表明使用单一氢燃料 时，稀燃反而会增加n o x 的排放。 由于随车大量贮存氢气的困难和降低发动机有害排放的迫切需 要，可以考虑利用氢气点火能量小、容易扩散、火焰传播速度快的特 点，在汽油机中掺烧部分氢气，以达到提高性能降低排放的目的。掺 烧氢气也会引起n o x 排放增高的倾向，这可以用稀燃或者添加乙醇 的方法加以解决。本文计算表明在添加氢气质量分数为7 ，乙醇质 上海交通大学碗士学位论文 量分数为2 0 时，可以达到最佳排放结果。模拟计算的结果还表明空 燃比是影响n o 和c o 排放的主要因素。并根据化学反应动力学原理 解释了氢的链锁反应对n o x 和c o 抑制作用。 ， 本文还对氢发动机的异常燃烧问题，尤其氢气链锁反应引起的自 燃现象进行了分析研究。提出进气道内平行供氢和缸内喷氢是杜绝回 火的根本方法，是研究的方向。 本文关于氢发动机稳态特性的分析和研究，对日后的改进设计具 有指导意义。进一步完善了实验台，并做了关于金属氢化物的性能测 试实验，测定了当前实验所用氢化物的工作状态，为原来的实验中其 不能正常发挥作用的现象提供了解释。提出了氢化物失效的可能原 因，为氢发动机的后续研究提供了必要的分析和对比依据，可作为资 料性的参考。 本文独立用m a t l a b 语言编制了计算化学平衡时各产物浓度的 程序，并修正了原来的汽油机燃烧模型，建立了汽油机掺烧氢气的双 区燃烧模型。程序的编制和调试完成为氢发动机性能改进的研究准各 了快捷、方便、有效的工具。 关键词：氢彭氢发荔轨，计算机筷籀，有害靠r 放关键词：氢能，氢发动机，计算机模拟，有害排放 上海交通大学硕士学位论文 r e s e a r c h0 nh y d r o g e ne n g e n e s c o m m u s t i o np r o c e s sa n di t st o c e i a u s t s w i 血t h ed e c r e a s i n go ff o s s i lf u e l s s t o r a g ea n di t st h r e a t e n i n gt o e n v i r o n m e n t ，p e o p l eb e g a n t o p a ym o r e a n dm o r ea t t e n t i o nt ot h e e x p l o r a t i o na n du t i l i z a t i o no f n e we n e r g ya n da l t e r n a t i v ee n e r g y s s o l a r e n e r g ya n dn u c l e a re n e r g yw i l lo c c u p yal a r g e rp o s i t i o ni nt h ew o r l d s e n e r g ys h - u c t u r e ，a n dt h e i rb r o a d l ya p p h c a t i o n sn e e dt ou s eh y d r o g e na s t h er o l eo fm o d e r a t em e d i u m ，t ou n d e r t a k et h er e s p o n s i b i l i t yo f s t o r a g e ， t r a n s p o r t a t i o n , a n di m p a r t a t i o n t h ei m p a c to fh y d r o g e nw i l lp r o b a b l y e x c e e de l e c l r i c i t y e n e r g y s r o l e b yt h i sc e n t u r y i ti s a l s o h o p e f l l l t 0 b e o o m eh u m a n st e r m i n a li d e a le n e r g y h y d r o g e ne n g i n e v e h i c l e sa n dh y d r o g e nf u e lc e l l c r r s a r e t w o i m p o r t a n tp r o b l e m sc l o s e l y r e l a t e dt o p e o p l e s l i f ei nt h ef i e l do f h y d r o g e nu t i l i z a t i o n t h eh y d r o g e ne n g i n ec a nb u r nh y d r o g e no ru s e h y d r o g e n 勰ab l e n d i n g f u e lw i t hl i t t l em o d i f i c a t i o n t h a ti s v e r y i n s t r u c t i v et os o l v et h ed i f f i c u l t yo fc u r r e n ts h o r t a g eo ff o s s i lf u e l sa n d t h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n t p o h u t i o n 1 上海变通大学硕士学位论文 t h e e n g i n e sh y d r o g e ns t o r a g es y s t e m a n di t s h y d r o g e n a c c o m m o d a t i o nm e t h o di n f l u e n c et h ee n g i n e sw e i g h t ，s i z e ，s a f e t ya n di t s p e r f o r m a n c e m e t a lh y d r i d ei sc h o s e ni nt h i sp a p e rt os t o r eh y d r o g e n ，i t s p e c u l i a r i t yo fh y d r o g e na b s o r p t i o na n dd e s o r p t i o ni st e s t e da n da n a l y z e d , a n dd i f f e r e n tm e t h o d so f h y d r o g e na c c o m m o d a t i o n w e l l c o m p a r e d 曰1 eb s eo f h y d r o g e ne n g i n ec a ng r e a t l yd e d u c eo re v e ne k t i n g u i s h t h et o x i ce m i s s i o l l so fc 0a n dh c n l cn 0e m i s s i o nm a ye v e ne x c e e d t h a to ft h e g a se n g i n e i ns o m es i t u a t i o n a c c o r d i n gt ot h ee x t e n d e d z e l d o v i c hp r i n c i p l eo fn 0 p r o d u c t i o n , t h i st h e s i sc o m p i l e dap r o g r a m t o t a l c u l a t et h ec h e m i s t r y e q u i l i b r i u mc o n c e n t r a t i o n o fc o m b u s t i o n p r o d u c t s ， t h e nf u r t h e r g o t 也e e m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fn 0 i t se m i s s i o n c o n c e n t r a t i o ni sf a rl e s st h a ni t sc h e m i s t r ye q u i l i b r i u mv a l u e ，t h a ti sn o s c o n c e n t r a t i o ni sf a rf r o m e q u i l i b r i u m a tt h ee n do fc o m b u s t i o n t e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a ti fh y d r o g e ni su s e da st h es o l ef u e l 1 e a n c o m b u s t i o nw i l ll e a dt o 血ei n c r e a s eo f n o ye m i s s i o n d u et ot h e d i f f i c u l t y o fs t o r i n g l a r g e a m o u n th y d r o g e no nt h e v e h i c l e sa n dt h e u r g e n t n e e dt oa b a s et h e e n g i n e s t o x i c e m i s s i o n ， h y d r o g e n i sc o n s i d e r e dt ob eu s e da sa b l e n d i n gf u e li nt h eg a se n g i n et o u p g r a d et h ee n g i n e sp e r f o r m a n c ea n da b a s ei t s t o x i ce m i s s i o n ，t a k i n g a d v a n t a g eo f i t s p e c u l i a r i t yo fl o wi g n i t i o ne n e r g y , e a s yt od i f f u s e ，a n d b i g hs p e e do ff l u m ep r o p a g a t i o n h y d r o g e n sm i x t u r ew i l la l s ol e a dt o n o ye m i s s i o n sm c m m e n lw h i c hc a nb es o l v e db yl e 趾c o m b u s t i o no r e t h y l a d d i t i o n t h ec a l c u l a t i o nr e s u l to ft h i st h e s i ss h o wt h a tw i t h h y d r o g e n m a s sf r a c t i o no f7 a n d e t h y lo f 2 0 c a nw e g e t t h el e a s tt o x i c e m i s s i o n t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o na l s os h o wt h a t 也ea i r - f u e lr a t i oi s t h em o s ti n f l u e n t i a lf a c t o rt on 0a n dc 0e m i s s i o mw h i l et h ec o m b u s t i o n t e m p e r a t u r e a n df u e l c o m p o s i t i o n e t c a r en o ts oi n f l u e n t i a l 1 1 1 e m e c h a n i s mo fr e s t r a i n to ft o x i ce m i s s i o n b yh y d r o g e n a d d i t i o ni s e x p o u n d e d o nt h eb a s i so f c h e m i s t r yd y n a m i c sc o m b u s t i o nt h e o r y 4 上海交通大学硬士学位论文 t h ea b n o r m a lc o m b u s t i o n p r o b l e mo fh y & o g e n ，e s p e c i a l l yt h ea u t o i g n i t i o np h e n o m e n o n d e d u c e d b y t h e h y d r o g e n c h a i n r e a c t i o n ，i s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h e a n a l y s i s a n dr e s e a r c hi nt h e h y d r o g e ne n g i n e ss t e a d y p e r f o r m a n c e c a nb et h eg u i d a n c ef o rt h ef o l l o w i n gi m p r o v e m e n t t h et e s t r i gw a s f u r t h e rf u l f i l l e da n dt h em e t a lh y d r i d e sp e r f o r m a n c et e s t e d t h e m e t a l h y d r i d e s w o r ks t a t u sw a sd e t e r m i n e d ，a n dt h i sc a l l e x p l a i n a b n o r m a lp h e n o m e n ai nt h ef o r m e re x p e r i m e n t t h ep o s s i b l er e a s o n s a c c o u n t i n gf o r t h em e t a l sf a i l u r ew e r e e x p o u n d e d , w h i c hc a n b ea r e f e r e n c ef o rt h es t e p - f u r t h e rr e s e a r c h t h ea u t h o rp r o g r a m m e d i n d e p e n d e n t l y t oc a l c u l a t et h ec o n c e n t r a t i o n o f c h e m i s t r ye q u i l i b r i u mc o m b u s t i o np r o d u c t sw i t hm a t l a bl a n g u a g e t h e nt h e o r i g i n a lg a se n g i n ec o m b u s t i o nm o d e li s m o d i f i e di n t ot h e g a s o l i n e h y d r o g e nb l e n d i n gc o m b u s t i o nd o u b l ez o n ec o m b u s t i o nm o d e l t h es i m u l a t i o ni nt h i s p a p e rp r o v i d e st h e o r e t i cg u i d e s f o rt h ef i 】r t b e r i m p r o v e m e n to f h y d r o g e ne n g i n e k e y w o r d s ：h y d r o g e ne n e r g y , h y d r o g e ne n g i n e ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ， t o x i ce x h a u s t s 上海交通大学磺士研究生学位论文 1 1 氢能源时代的到来 第一章绪论 当今环境污染日益严重，矿物能源短缺和环境污染已经成为世界范围内普遍 存在的问题。人类需要洁净的新能源出现。氢能正以其独有的优势和丰富的资源 引起人们的广泛兴趣。氢的广泛工业应用，如重油催化重整，金属的氢脆加工等 已经为人们所熟知，而作为能源使用的研究和实施则方兴未翌。加拿大氢能之父 s c o t t 等已经提出了能源货币，氢能经济的概念。认为本世纪氢的作用将 赶上甚至超过电能。龚木益在科学上撰文认为氢是人类最终的理想能源。氢 能作为未来的主要能源已经被广大的学者认可。囡此在国内开展氢能利用项目的 研究很有意义。氢能的利用包括三个方面：l 。利用氢和氧化剂发生反应放出的 热能；2 。利用氢和氧化剂在催化剂作用下的电化学反应直接获取电能；3 。署蜻j 氢的热核反应释放的核能。氢能的利用离不开氢的生产、储存和运输。 1 1 1 氢的制取 天然气，石油煤炭，生物质能是氢的有效来源。合成氨和氯碱工业，冶金工 业和发酵制酒厂及丁醇溶剂厂等工业副产氢的回收也很可观。但此途径能耗过 高，长远来看，从非化石燃料制取氢气才是正途。 目前已经发展了报多种制取氢气的方法，如蒸汽重整，废气净化，电解水制 氢，光解制氢，太阳能制氢等。但肌数量上大多数还是来自石油气的催化重整。 1 上海交通大学硬士研究生学位论文 学交换法。化学交换法是建议采用的方法。 化学交换法原理氢一水交换汽相和液相的d i l 平衡取决于温度 p q o ( 1 i q u i d ) + h d ( g a s ) 与h d o ( 1 i q u i d ) + h , ( g a s ) 码0 ( 1 i q u i d ) + d ( g a s ) 丝= 一h d o ( 1 i q u i d ) + 心( g a s ) 双温法氢一水交换工艺 2 h d + 心0 d 2 0 + 2 地 所以通过双温氢_ 水交换过程我们可以得到重水和作为副产品的氢。 1 1 2 氢的贮存 储氢技术是氢能走向实用化、规模化的关键。目前最常使用的有三种氢气储 存方式：低温液态氢容器，高压氢气钢瓶，及金属氢化物储氢。这三种都是发展 的比较成熟的技术。储氢合金现在国内已经有小批量的生产，但是其低的储氢质 量比和高昂的价格限制了它的应用。新的氢气储存方法也不断涌现，如玻璃小球 储氢，及纳米碳管( 纤维) 储氢等。需要主要解决的是能量密度小及操作简易性 的问题。1 9 9 5 年才发现的碳纳米管( 纤维) 报有可能带来氢储存问题上的突破。 碳纳米管储氢不同于碳吸附储氢，后者储氢量小，在低温环境下才能储存5 w t 9 6 的氢。纳米碳管储氢可以在室湿下进行。我国清华大学核动力研究所和厦门大学 都分别成功制造出了吸氢量为9 9 9 w t 和1 3 的碳纳米管。目前我国高质量碳 纳米材料的制取已经达到世界先进水平。而美国n o r t he a s t e r n 大学的 r o d r i g u e s 等人则宣称制造出了吸氢量为6 0 w t 的纳米纤维纳米碳管有着很 大的潜力，但目前离实际应用还有很长的距离要走。 随车产氢技术最近也有较大发展，但一般都是用与为燃料电池提供氢源。主 3 上海变通丈学硬士研究生学位论文 要方法有随车甲醇蒸汽重整，随车碳氢燃料部分氧化( p o x ) 。还有不少人提出， 随车把汽油、天然气、甲醇，柴油等，用一种处理装置转换为氢气或富氢混合气 作为燃料的构想。t o m a s c e 等比较了作为燃料电池车的三种燃料，氢、汽油和 甲醇，认为用一化学处理器( 燃料改性器) 随车把甲醇、乙醇，汽油转换为氢气 的基础燃料系统代价可能更低。b r o m b e r g l t 2 , 3 等则提出用紧凑的等离子加热技术 把碳氢化合物随车转换为富氢的气体，从而减少污染，提高发动机效率。并用生 物燃料，异辛烷，柴油做了实验，提出了将其应用于卡车和其他重型运输工具、 运动用车和汽车的设想。 1 1 3 氢能的利用和氯发动机 纵观世界，不但美国、加拿大、德国、日本等发达国家在研究氢能的利用， 发展中国家如中国、印度、伊拉克、朝鲜等也积极投身到氢能的研究中来。氢能 利用在交通上有燃料电池发动机和氮发动机两个途径。而最近燃料电池的发展势 头较猛。燃料电池发电系统，f e m f c 作车载动力，其功率密度比汽油发动机小， 而且能实现零排放。氢发动机改装自普通内燃机，对原有机型不需做大的改动， 有上百年的历史经验可以借鉴，而且世界各国实力雄厚的内燃机工业也不会马上 放弃庞大的基础设旖。所以氢发动机仍有广阔的发展前景。 事实上氢发动机的雏形早在1 8 1 7 年就有了。但氢发动机的发展仅是2 0 世纪 3 0 年代，尤其是7 0 年代以后的事。在3 0 年代，荚、德两国就有1 0 0 0 多辆以氨 或掺氢汽油为燃料的汽车。4 0 年代，前苏联在卫国战争中也大量使用过燃氢发 动机。但是，二战后，随着石油资源广泛应用，氢发动机的研究停滞下来。只是 在氢能开发方面取得较大成果后，加上石油危机和环境污染问题的日益严重，到 4 上海交通大学硕士研究生学位论文 7 0 年代，在氢能运动的推动下，氢动力车的研究才开始进入高潮。 德国在氢动力车研究方面起步较早并且积极推进其发展，第一台燃氢发动机 是德国的d r r u d o l p h e r e n 试验成功的( 1 9 2 5 1 9 5 0 ) ；奔驰公司生产了第一批燃 氢汽车，目前已有数十辆投入使用：b m w 公司打算在目前几辆氢动力车的基础上 再组建一个1 0 0 辆氢动力车的试运行车队。日本自1 9 7 4 年实施“阳光计划”以 来已有数辆氢动力车投入示范运行，仅日本武藏工业大学就有九辆不同型号的氢 动力车投入试验使用：日本各太汽车公司，如马自达、本田、丰田等，也都积极 参与氢动力车的竞争。美国加州1 9 9 0 年出台了“汽车零排放法”，规定2 0 0 3 年 新售汽车中必须有1 0 的“零排放”汽车( 包括氢动力车) 。其他各州各国也指 定了相应的法律，保证替代能源( 包括氢能) 计划的实旄。加拿大、法国、澳大 利亚、印度、意大利等国也有不少学者投入氢动力车的研究。可以预料，在人类 大规模地使用氢能之前，氢动力车的研究和发展将取得长足进步。 我冒氢能研究起步较晚，燃氢内燃机的研究始于8 0 年代初。包头冶金研究 所、北京有色金属研究所、天津大学都先后进行过内燃机燃氢的实验研究。上海 交通太学内燃杌所曾进行过柴油加氢的双燃料内燃机试验研究，效果较好。浙江 大学曾与日本的武藏工业大学合作进行液氢发动机的试验研究，他们采用缸内直 接喷射，并用模糊神经网络控制。认为内燃机的异常燃烧、动力增加及n q 减少 在很大的程度上取决于正确的喷氢系统、喷射正时及点火正时。我们研究所也在 一直进行氢发动机方向的研究，从金属氢化物的性能研究到氢发动机数值模拟到 涡轮增压氢发动机，现在正进行氢动力摩托车的实验，已经搭建了实验台并进行 了前期实验。这期间在国际氢能会议上发表了数篇论文，并接待加拿大氢能之父 5 上海变通大学硕士研究生学位论文 s c o t t 等在上海交通大学举办了氢能专题讲座。我们还将与加拿大原子能公司及 v i c t o r y 大学开展合作研究。我们将在已有理论分析基础上，吸取国内外的已有 经验，进行面向车辆的氢发动机的实验研究工作， 原来影响氢能利用的一个重要因素_ 氢的制取，现在已经不那么重要，因 为新的氢制取方法不断涌现。而氢的储存则成了瓶颈问题。我们已经进行了金属 氢化物的研究，并计划进行硪纳米储氢的工作。我将要做的是氢发动机方面的工 作。目前氢发动机面临的问题主要有，升功率小，易回火，异常燃烧等问题。另 外如何把储氢元件简单的放到车上，并使之易与放氢，也是个重要问题。 1 2 氢发动机的研究现状与未来 目前一般所说的氢发动机均由汽油机或柴油机改装而成，而不是专为气体燃 料设计的内燃机由于液体和气体作为燃料有很大的不同，所以直接改装来的氢 发动机往往有很多问题。现在的研究主要就是围绕如何解决这些问题的。 回火是氢发动机所面临的最严重的障碍。一般回火至少造成发动机停机，严 重时会引起进气管内爆炸。因此，要保证试验的安全进行，使发动机正常工作， 消除回火是一个必要条件。 回火发生在进气冲程中。当进气门打开时，新鲜充量在未被火花塞点燃时与 具有足够高能量的热源相接触引起燃烧，这种情况称为早燃。若早燃发生在进气 门附近，进气管内就可能出现回火；若早燃发生在远离进气门时，就可能出现敲 缸现象。 6 ， 上海交通大学磺士研究生学位论文 为了消除回火、早燃等异常燃烧现象，研究者提出了不同的办法。w o o l e y 和h e n r i k s e n 研究了向进气管中混合气喷水的氢发动机的运行情况，发现对回火 有一定程度的抑制作用，同时n o x 的排放也有所下降。m a c l a r l e y 研制了一套电 子时控燃料供给系统。这套系统可使一部分空气先进入气缸，对气缸进行冷却， l 然后混合气再进入。同时，对活塞头部和阀门进行冷却。l m d a s 进一步研究认 为，时控合适的这套系统可以消除异常燃烧现象保证发动机正常运行。在这样系 统中，过量空气系数很大，热效率很高。美国氢能专家f e l i n c h 开发了一套平 行燃料供给系统。在这套系统中，空气和氢气分别通过不同管道送到进气门前， 从而避免了进气管道内出现混合气，也就消除了回火现象。 而缸内喷射则可以从根本上解决回火问题。这方面有比利时的s g e r h e l s t 和r s i e r e n s 就采用了缸内多点连续喷射系统，他们还认为由于氢气宽广的着火 限，可以通过调节空燃比来调节功率输出，从而省掉节气门，由此得到高效率。 浙江大学的扬振中等研究了缸内喷氢发动机的点火正时和喷射系统，并采用模糊 神经网络控制。缸内喷氢可以喷入高压氢气或者液氢，这将是发展方向。 缸内喷射还是提高发动机升功率的有效途径。外混合的气体燃料升功率不足 是普遍问题，这是由于气体燃料的体积热值低，而且占据容积，减少了空气的吸 入量。缸内喷射解决了这两个问题。通过这个途径，氮发动机的功率提高了4 1 ， 甚至比同样气缸的汽油发动机高2 0 。 研究中还发现，燃烧持续期对氢发动机起着举足轻重的作用。印度的r a m a n 等早在六年前就发展了氢动力车，在试验中他们发现燃烧持续期对发动机的性能 和捧放有显著影响。而同是印度的y a m i n 等则进一步研究了影响燃烧持续期的因 7 上海交遁大学顼士研究生学位论文 素有压缩比、空燃比、火花塞位置、点火正时和发动机转速，它影响的因素有燃 油消耗率、平均有效压力、热效率和排放特性等。 同时进行的还有氢能和其它能源作为交通工具联合动力的研究。如美国 j e r e n yy a n d a n 等发展了用于氢电联合动力汽车，并与9 5 年向世界提供了第一 辆氢电联合动力汽车。在该车中，他们采用的是定容喷射技术，氢发动机在单一 转速下运转。i r a q 的a 1b a g h d a d i 作了以氢气和乙醇作为附加燃料的四冲程火 花点火发动机的性能研究，发现它们的添加可以显著降低c 0 和n o , 的排放，并使 比燃耗降低5 8 5 。印度的l 乩d a s 还比较了氢气和压缩天然气( c n g ) 作为替 代燃料在火花点火发动机性能特性。实验表明一个设计适当的螺线阀式的电控喷 射系统可以通用于氢气和c n g 而不需大的改动。而且氢气发动机的燃料消耗低， 热效率高。 氢气还极有可能成为其他气体液体发动机燃料的良好添加剂。氢气有宽广的 自燃界限，所以对循环变动有根强的抵抗力。加拿大的k a r i m 在均质增压的韵压 燃式发动机中加入适量氢气，发现即使在较低的容积效率时也能显著减少循环变 动。 1 3 本文的研究 1 3 1 本文研究的目的和意义 汽车的有害排放已经成为污染地球环境的主要因素。为了减少有害排放和解 决化石燃料短缺问题，太阳能汽车、电池车和氢动力汽车是取代当前汽车的最有 希望的车型。但太阳能汽车存在输出功率不足和受天气影响的问题，电池车的过 8 上海交通大学硬士研究生学位论文 于笨重也限制着它的发展。氢动力车可以在现有传统的车型上改装，改动不大， 当然它也存在着氢气的存储和运输问题。所以以后的汽车将以联合动力或者多种 燃料为发展方向。另外氢动力车中n o , 的排放也是一个不容忽视的问题，因为在 某些状态下n o , 的排放甚至比汽油机要高，这与氢动力车降低有害排放的初衷相 背。所以必须采取措施进行抑制。 本文对纯氢燃料和汽油一氢气( 一乙醇) 混合燃料两种情况下的有害排放进行 了模拟计算，目的是验证现有的理论，并为下一步的实验提供理论依据，使实验 具有明确的目的性，缩短实验周期，减少实验花费。下一步的实验也可以验证、 修改现在的模型，使之更符合氢发动机的特性。为开发出性能更好，排放更低的 氢发动机指明方向。 1 3 2 本文的内容和创新之处 前面陆景放的论文里已经做了氢发动机整机性能的模拟计算。这里对燃烧过 程及其排放进行具体的模拟计算研究。使用氢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的减少c 0 ，册等的排放，但n 仉的排放 在某些情况下反而会升高。本文在理解了燃烧的反应动力学的基础上用姒t l a b 语言编制了纯氢气燃烧各种产物平衡浓度计算的程序，并结合其他程序计算出 n o , 、( 3 0 等的排放浓度。 由于当前使用纯氢气燃料在燃料来源和贮存方面的困难，使用汽油机添加少 量氢气也能达到提高性能和降低捧放的效果。再添加乙醇还可以更进一步降低 n o 的排放。而且本文认为灵活燃料，混合燃料及联合动力将是交通运输工具的 发展方向。在这里修正了汽油机的双区燃烧模型，建立了掺烧的双区燃烧模型， 9 上海交通大学硕士研究生学位论文 以解决混合燃料特定的过量空气系数，反应物的焓，紊流火焰速度等问题。计算 以改进g l 博曼的使用f o r t r a n 语言的计算程序为主，并用姒t l a b 语言添加辅 助计算程序。 氢发动机的燃料储存和供给系统是其是否能走向市场的一个瓶颈问题。这里 对储存氢气的金属氢化物的性能做了详细的分析，并对其工作状态进行了实验测 试，还建立了与发动机之间简单的匹配关系。并提出以后可以发展燃料改性器随 车产氢。 回火问题是预混合燃烧所特有的异常燃烧现象，也是发动机要正常运转必须 要解决的问题。本文从回火产生的最主要原因一氢气链锁反应所引起的自燃进行 了理论分析。提出采用进气道内平行供氮和缸内喷氢的方法是杜绝回火的发展方 向。 1 0 上海交通大学硕士研究生学位论文 第二章氢发动机的燃料系统 氢发动机的燃料系统主要由贮氢器，阻火器，电磁阀，进排气管路组成。燃 料系统的根本作用是安全稳定的供给发动机运转所需要的燃料( 氢气) 。对于掺 烧氢气的发动机，该燃料供给系统还应满足在以不同比例供给汽油和氢气( 和乙 醇) 的要求。另外，不同的供氢方式对燃料系统的布置和发动机的性能也有很大 的影响。下面先对燃料系统的各部分分别进行分析研究： 2 1 贮氢器一金属氢化物 从安全和实用的角度，在实验中我们采用的贮氢器为金属氢化物。使用北京 东方电子集团公司提供的m i n i 5 镧系混合稀土金属氢化物。它以上海跃龙化工厂 生产的混合稀土金属m 1 为基，在氩气保护的真空中频感应炉中炼制而成的。上 海跃龙化工厂生产的y l - r e l a 4 0 号及东方电子批号8 0 1 2 0 1 的镧混合稀土金属成 分见下表： 表2 _ 1 混台稀土成分 w 慌l ac ep rn ds my m s f es isp稀土总量 ，z r e l a 4 0 4 0，l0 、0 20 ，0 700 l9 8 8 0 1 2 0 l5 1 2398 82 6 9 05 o 52 以 o 5， 余重稀土 氢气使用9 9 9 9 的市售钢瓶氢。 我们使用的金属氢化物的纯氢化物质量为1 0 k g ，含氢率为1 6 ，则含氢量为 1 0 x1 0 0 0 x 1 , 6 = 1 6 0 9 a 2 1 1 平衡压力与温度的关系 其吸放氢的p - c - t 曲线如下页图： 上海交通大学硬士研究生学位论文 图2 - 1m l n i ，h 系的吸氢压力一浓度等温线 f i g u r e2 - 1i s o t h e r m a l l i n eo f t h em | n b - h i c sh y d r o g a d s o r p t i o n 图2 - 2m t n i 5 h 系的分解压- 浓度等温线 f i g u r e2 - 2i s o t h e r m a ll i n eo f t h em i n i 5 - h s e r i e sb ，d r o 雪e nd 髑嘎p d 皿 由图可见，各温度的曲线均出现较宽的平台区域。各温度对应的平衡压力见 表2 2 ： 上海交通大学硕士研究生学位论文 表2 - 2 温度和平衡压力 温度( 。c ) 压力( 1 0 5 m ) 吸氢时2 046 3 06 3 4 08 8 放氢时 2 038 3 05 2 4 07 2 心b 与氢的反应可以用下式表示： 0 2 8 6 砌n i 。+ h 0 ，2 8 6m 1 n i j b ( 2 一1 ) 设此反应的平衡常数为l 。k p = 1 p m 。p m 为平衡氢压，即平台压力。自由 能f 的值可由下式计算： af。=：rtinkp=rtinpm(2-2) f 。= 蝴。- t a s o( 2 - 3 ) 式( 2 - 3 ) ( 2 2 ) 式得 inpm；s。r+zkh。rt(2-4) 令a a s 。，r ，b = h 。，r - t 则 i n p h ：= a + b f f ( 2 - 5 ) 由表2 - 2 的数据，以氢压的对数对温度的倒数作图，得图( 2 - 3 ) 。由图可见l n p m 和l 厂r 在吸放氢二情况下均为直线关系，符合上式。由图中直线的斜率可求的吸 氢时焓差王r ，熵差s 。分别为2 6 9 k j m o l 和1 0 3 7 k l m o l 。放氢时醑、s o 分别为- 2 6 5 k j t o o l 和1 0 0 8 1 d t o o l 。 上海交通大学硕士研究生学位论文 2 5 2 望l 5 昌 一 l 0 5 0 3 f - 一* - a 慨b s o 。r r ：l e 怠s 1 t ( 1 0 3k i ) 图2 - 3m i n i 5 h 系平衡氢压与温度的关系 f i g u r e2 - 3e q i 】j 嘶u mp r e s s mw t m p e r a m r e 2 1 2 金属氢化物的暇放氯速度 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 o 2 833 23 43 6 1 t ( 1 0 3 k - 1 ) 圈2 4 氢化物的初期吸氢速率 f i g a m2 - 4 b 曲g a b 蛳s p d v st e 唧盯蛐 1 4 一et曲一_【目pads ilo=丑io啦丑呻c蚀ok勺hi 上海交通大学硕士研究生学位论文 图2 - 5 氢化物的放氢速度 f i g u r e2 - 5h y d r o g nd e s 唧衄s p e c dv s t 锄e r a n e 表2 - 3 m i n is 在不同温度下的初、中期吸放氢速度 速率时间 2 0 。c3 0 。c4 0 0 c6 0 0 c m y ( g m i n ) 皿n 吸氢 0 2 51 2 8 01 1 0 09 3 87 0 1 0 7 56 0 05 4 55 024 4 7 放氢 o 2 53 8 25 5 57 8 01 4 5 6 0 7 53 1 63 7 64 4 75 9 5 通常用反应初期的表观激活能e 作为评价材料的一项指标。 l n k - e r t + b( 2 6 ) 式中k 为速度常数，e 为表现激插能，r 为气体常数。 写成微分式 d i n ke 丽f 2 矛一计 d j n j i e r 对( 2 - 7 ) 作定积分得指数方程： ( 2 7 ) 上海交通大学硕士研究生学位论文 鲁= 唧 掣 胙南h 鲁e ( 正一石)与 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 根据式( 2 9 ) 从图( 2 4 ) 、图( 2 - 5 ) 算出的吸放氢初期的表观撒活能分别为 2 9 k c a l m o l 和6 5 k c a l m o l , 其值比相近材料低，参考表( 2 - 4 ) ，这与本材料吸氢 速度快是一致的。 表2 - 4 几种贮氯金属襄现激活能的比较 材料名称表观激话能作者引自文献 ( k j m 0 1 ) 吸收释放 m i n i s 1 2 22 7 - 3姜加资料 骐 m 咖m 5 2 5 63 6 1北田日本金属学会志，4 1 ( 1 9 7 7 ) 4 2 0 - 5 ( 6 5 - 6 鹳舒哪 正弦 h t 由n i 4 5 m m 0 52 3 52 9 o大角铃木博，加藤明彦等，日本化学会志， 寨章i ( 1 9 7 9 ) 4 5 8 2 2 发动机部分 发动机型号为c d 9 0 n 型摩托车发动机根据第一次用氢气傲实验的结果，燃 用纯氢时其有效功率p e 为2 6 4 k w ，指示热效率n 网4 9 4 1 。假设机槭效m v m - - - o 9 ， 则指示效率p i - p e t 1 。吒6 4 + 0 9 = 2 9 3 k w 。由指示热效率的定义： 3 6 0 0 p 。 r l = 百右 h u = 1 2 1 1 0 5 k j k g 上式得： ( 2 1 0 ) 为氢燃料的低热值，g e 为每小时的燃料消耗量，l 【g 。由 1 6 上海交通大学硕士研究生学位论文 g 。：3 6 0 0 p i ( 2 - 1 1 ) 一面万 代入数据 g e = 3 6 0 0 x 2 9 3 1 2 1x1 0 5 0 4 9 4 1 = 0 1 5 9 0k g l 护1 7 7 蚰 折算成标准状况下的体积， 1 7 7x2 2 4 2 = 1 9 7 8 7l h 2 3 阻火器 原实验采用的是碳钢体不锈钢丝网阻火器，结构尺寸见下面的图表。这个尺 寸对于用在摩托车单缸发动机上过于庞大。 圈2 - 7 碳钢体不锈铜丝网阻火嚣结构示意圈 f i 喜2 - 7 s k e t c h m a p o f c o r e e 呐o n o f c a r b o n s t e e ls u l i i 3 l e g l l m e s h f l a m ea n e s t e r 襄2 - 5 阻火器的参数 接管公称直径 dhh重量国标号 d n 1 51 0 83 3 81 5 81 2h g s 0 7 2 0 1 - 0 1 设计最大压力9 8 b a r 。 上海交通大学硕士研究生学位论文 氢气阻火器是极其重要的爆炸保护装置。国家标准( g b5 0 1 7 7 - 9 3 ) 氢氧站设 计规范第十一章规定，氢气放空管管口处应设阻火器，有明火的用氢设备应设阻 火器原来所用的阻火器为碳钢体不锈钢丝网阻火器，它存在着容易堵塞，阻力 较大，不便清洗，寿命短，操作的可靠性较低等问题。其他园产的填料式、水封 罐式阻火器也都存在不同的缺点，最主要的是缺乏严谨的阻火器设计技术和精密 的专业机械加工测试标准和设备，致使阻火器性能和可靠性存在潜在的问题。 在以后的实验中拟采用波纹带蜂窝式氢气阻火器，其结构及工