氢发动机技术特点及其发展.pdf

第 2 9 卷第 2期 2 0 0 8 年 4月 能源技术 ENERGY TECHNOLOGY Vo L 2 9 N0 2 Ap r 2 0 0 8 氢发动机技术特点及其发展 李强， 颜伏伍 ， 袁守利 ( 武汉理工大学汽车工程学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要 ： 论述 了氢发动机的技术特点， 总结异常燃烧和 N 排放的控制技术， 介绍氢发动机的 研究新进展 ， 分析了氢发动机发展应用中面临的问题。 关键词： 氢发动机 ； 混合 气形成； 排放 ； 应用 中图分类号： T K4 3 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 5 7 4 3 9 ( 2 0 0 8 ) 0 2 0 0 8 8 0 3 Te ch n ica l Cha r a ct e r is t ic a n d De v e l o p me nt o f Hy d r o g e n- f u e l e d Eng ine L I Qi a n g ， Y A N F u - w u 。 Y U A N S h o u - ! i ( S ch o o l o f Au t o mo t i v e e n g i n e e r i n g ， Wu h a n Un iv e r s it y o f Te ch n o l o g y ， Hu b e i Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ：Th e p a p e r d is cu s s e s t e ch n i ca l ch a r a ct e r is t i ce s o f h y d mg e n f u e l d e e ng i n e ，s u mma r i z e s t h e me a s u r e s o f r e d u ci ng N0 e mis s i o n a n d e l i mi n a t i n g a b n o r ma l co mb u s t i o n， i n t r o d u ce s t h e n e wl y d e v e l o p me n t o f h y a r 0 g e n f u e l d e e ng i n e Be s i d e s s o me co mi n g q u e s ti o n s o f t h e a p p l i ca t i o n o f h y d mg e n - f u e l d e e n g in e a r e a n a l y z e d Ke y wo r d s ：h y d r 0 g e n f u e l e d e n g i n e ； f o r ma t i o n o f f u e l a i r mix t u r e ； e mis s i o n； a p p l ica t io n 在当前石油资源短缺和汽车排放污染 日益加剧 的背景下， 寻求发动机的清洁高效替代能源已经成 为汽车产业迫切需要解决 的问题。燃用氢气的发动 机性能优越、 高效， 传统的汽油机不作大的改动就可 以燃烧氢气， 与汽柴油等碳氢燃料相比， 燃用氢气的 发动机不会排放有害的 HC， C 0和碳烟 ， 其唯一有 害排放物是 N( ) f 。因此发动机燃氢技术可能 成为 今后汽车工业重要技术之一。本文准备按氢发动机 的混合气形成方式， 介绍各种类型氢发动机及其特 点， 简要阐述氢发动机的排放及控制技术， 并对其发 展方向进行展望 。 l 各种类型燃氢发动机及其特点 氢发动机属于点燃式发动机， 根据氢燃料物态的 不同又可以分为液氢喷射式和气态喷射式两种 ， 根据 混合气形成方式不同可分为外部混合( 预混式) 、 内部 混合( 缸内喷射式) 和内外混合方式结合等几种方式。 1 1 预混式氢发动机 预混式是指在进气道喷射氢燃料 ， 目前 国内外 推出的大部分氢发动机都采用这种形式。这种预混 8 8 式氢发动机的各缸燃料分配均匀， 混合气形成和燃 烧较易组织 ， 而且采用预混式燃 烧对传统发动机结 构不需很大改动 。但是 ， 预混式燃氢发动机在运行 中易发生回火和早燃等异常燃烧， 输出功率也较低。 预混式氢发动机 的异常燃烧包括爆震、 早燃 和 进气管 回火等现象。发动机一旦 出现异常燃烧时 ， 性能急剧下降 ， 甚至无法正常工作 ， 为了避免出现这 些现象 ， 目前可采用下列一些措施。 ( 1 )采用进气歧 管加引管喷射 的方式 ， 将减压 后的氢气直接喷射到进气门处， 减少进气歧管内的 氢气量 ， 可以有效减少 回火程度 。 ( 2 )采取废气再循 环也 可防止异常燃烧 的发 生 ， 但是 E GR率需要在 2 5 3 0 以上才有明显 的效果。 ( 3 )采用进气管 喷水 的方法 虽然可 以减 少 回 火， 但是这种方式需要较大的喷水率才有明显的效 果， 并且还会对气缸产生腐蚀 ， 使功率下降。 ( 4 ) 在混合气中添加甲烷、 氮气等可抑止早燃， 其中添加甲烷还可以弥补使用氢气燃料而带来的功 率不足 ， 并可解决燃烧过快和过慢的问题 1 。 维普资讯 李强等： 氢发动机技术特点及其发展 ( 5 )回火往往是早 燃引起 的， 所 以气 缸需要保 证清洁和减少热点。 ( 6 )为了抑止早燃 的产生， 氢发 动机必须采用 各缸独立点火系统 ， 而不能采用分组式 电子点火系 统 ； 这是因为分组式点火系统在每个上止点附近都 完成一次点火 ， 而不管是压缩或者是排气上止点， 以 致增加了早燃产生的机会。另外为了避免早燃 ， 还 应该根据氢气的燃烧特性选用冷型的火花塞和较狭 小的火 花 塞 间 隙； 为 了克 服 极 稀 混 合 气 状 态 下 ( 1 3 0：1 1 8 0：1 ) 火焰传播速度显著下降引发 的断 火， 应采用双火花塞点火 2 。 ( 7 )通过调整喷氢提前角和点火提前角 以及它 们之间的匹配 ， 可在一定 程度上消除氢发动机 的异 常燃烧。研究表明当这两个参数很接近 时， 氢燃料 发动机运转正常。 采用汽油作燃料燃烧室中的汽油仅 占1 9 5 2 9 6 的空间 ， 但是氢发动机的理论空燃 比为3 4 3： 1 ， 远 远高于汽油机 ， 氢气的密度又极低， 在气态喷射 的情 况下 占据了 3 0 的燃烧室空 间， 导致气缸可吸人空 气量减少 ， 因此缸外喷射式氢发动机 比汽油机功率 要降低 1 5 9 6 左右_ 3 。 常规的一些提高功率的方法都会因为氢气的易 燃特性而受到限制。例如提高压缩比会引起提前点 火或回火 ； 由于氢气的易燃和高温燃烧性质， 增压与 点火定时互相制约， 要发 挥增压优势就不得不推后 点火定时 ， 否则会出现爆震甚至提前点火 。不过采 用增压中冷 的策略可以提高预混式氢发动机的功率 输出， 中冷还可以使压缩比可以适 当提高 ， 再加上直 接喷射， 完全可以实现高功率输出。 1 2 缸内喷射式氢发动机 缸内喷射是指在进气阀关闭后将氢燃料直接喷 人缸内， 分为低压喷射型( 氢气在压缩行程前半行程 喷人) 和 高压 喷射 型 ( 在 压 缩行 程 末期 将 压力 为 8 MP a 以上 的氢气喷人气缸) 。采用缸 内喷射 ， 氢气 不再 占据气缸容积， 这样 就避免 了预混式氢发动机 气缸内可燃混合气总量较少 的缺点 ， 而且氢气 的热 值比汽 油高， 同样 排量 下功率 也可 比汽 油机增 加 2 0 以上。另外 由于换气过程中新鲜空气对燃烧室 的冷却作用 ， 大大减少了不正常表面点火的发生 ， 发 动机工作平稳可靠 。 低压喷射型虽可控制 回火， 但喷人常温下 的氢 气时易发生早燃等异 常燃烧 ， 功率只能与汽油机水 平相当。而喷人低温 ( 一5 0 0 ) 氢气虽可抑制早 燃和提高发动机功率 ( 功率 比汽油机高 2 0 9 6 ) ， 但是 运行成本上升 ， 还受到发动机运动副的耐冻能力 和 循环工作情况的限制 。高压喷射对喷氢系统有很高 的要求 ： 为 了使氢喷束贯穿整个燃烧室 ， 喷射压力必 须大于 8 MP a ， 这么高的压力只有通过采用液氢泵 来获得， 而且氢极易通过喷射 阀和阀座 间的狭缝 泄 漏， 因此这些偶件要求加工得十分精密 ， 并需使用少 量润滑油 ， 这些特殊 的低温 防泄漏设备 的采用增加 了发动机的成本 。高压喷射型由于氢气和空气混合 不 良， 指示热效率稍低 ， 但不会发生 回火和早燃等异 常燃烧， 并可提高压缩 比， 从而提高输出功率和补偿 热效率， 改进发动机的整体性能 4 。 1 3 内外混合结合式氢发动机 在采用缸内高压喷射时， 由于氢喷人缸内会 吸 热， 氢的 自燃温度又高， 导致着火困难。采取缸 内喷 射与进气道喷射相结合 的方式喷氢 ( 如 图 1 所示 ) ， 使得少量氢和空气在进 气管预混后进入气缸 ， 其余 大部分氢气在压缩末期 高压 喷人气缸， 可以有效改 善发动机的着火性能 ， 从而降低 了 N 的排放。 日 本古滨庄一等人采用缸内喷射 ( 喷射压力为 5 MP a ) 和预混 ( 过量空气 系数 为 4 ) 相 结合 的方式进 行试 验 ， 结果表明， 与全部预混的方式相 比这种方式更有 利于在过量空气为附近正常燃烧 ， 并能获得较低 的 N 排放量_ 5 J 。 H 瓶 图 1 内外混合式结合 的氢 发动机不 意图 2 氢发动机的排放及控制技术 氢发动机原则上不会生成碳基排放物 C O z ， HC 和 C O等 ， 但是会产生 N ， 试验结果表明燃烧室温 度越高 、 氧浓度越大、 燃烧持续时间越长 ， N 排放 量就越大。减少 N 排放量 的主要策略是降低燃 烧室温度， 目前可行方案有下列几种 。 ( 1 )NO x的生 成受过量空气 系数 的影响极大 ( 如图2 所示) ， 因此氢发动机应尽量工作在过量空 维普资讯 李强等：氢发动机技术特点及其发展 图 2 过 量空气 系数 对 N( ) r 排放量 的影响 气系数 1 5 2 0 范围之内， 但此时发动机有效功率 会有所下降。 ( 2 )采用稀薄燃烧混合气快速燃烧技术 。 ( 3 ) 推迟点火正时， 使燃烧最高温度降低， 但点 火正时应和喷射正时匹配， 否则将 导致发动机的异 常燃烧， 而且推迟点火正时还会使发动机动力性和 经济性降低， 所以还应综合考虑。 ( 4 )缸内喷射氢发动机比预混式氢发动机燃烧 温度要低 ， 并可控制 回火现象 ， 有助于增加进气量 ， 从而减少了N 排放； 特别是采取低温喷射降低燃 烧温度和燃烧速度 ， N 的排放量可 以显著降低 。 ( 5 )采取废气再循环或进气管喷水来降低循环 的工作温度， 从而降低 NO x的排放量， 但这两种方法 会使发动机结构复杂， 降低其他性能， 而且应随发动 机工况变化合理分配废气再循环率和冷却水率才能 获得较佳效果， 实现起来比较复杂应用受到限制L 5 。 3 车用氢发动机研究新进展 德国宝马汽车公司对采用氢气燃料发动机汽车 产品已进行 了 1 O年的开发 ， 2 0 0 3 年已有多辆宝马牌 7 5 0 h L型氢气燃料发动机汽车在柏林市投入使用， 2 0 0 4年 1 O 月发布了据称是 当时世界上最清洁 的氢 气内燃 发动机。2 0 0 6年 马 自达 研制推 出的 Ma z d a R X-8 氢转子发动机几乎不生成 NO = 。2 0 0 7 年福特 氢燃料 V一1 O发动机正式投产 ， 福特汽车公司成为 世界首个正式生产氢燃料发动机的汽车制造商。 我国氢发动机的研究开始于 2 O 世纪 8 O年代 初 ， 国内一些高校和科研单位对 内燃机燃氢和燃氢 双燃料内燃机等进行了实验研究。其中， 浙江大学 曾与日 本武藏工业大学合作进行液氢发动机的试验 研究 ， 试验采用了缸内直接喷射 ， 并用模糊神经网络 控制 ， 试验结果表明氢气发动机的异常燃烧、 动力增 加及 N 减少在很大程度上取决于正确的喷氢系 统 、 喷射正时及 点火正时 。2 0 0 6年 8月， 由北京 工业大学 、 北京益麦斯科技有限公 司和北京 飞驰绿 能电源技术有限公司联合成功改造了一辆可使用汽 油和氢气混合燃料的 1 6 L依兰特轿车。该车在冷 启动、 暖机、 怠速和小负荷采用纯氢气运行， 接近零 排放 ； 在中等负荷采用汽油混氢燃烧 ， 排放和油耗进 一 步降低； 在大负荷采用纯汽油模式， 确保了车辆在 高负荷的动力性。目前该车已运行 了 3 5 0 k m， 未发 生任何安全问题和进气管 回火 ， 高负荷爆震亦得到 了很好控制 。2 0 0 7年 6 月 ， 我国 自主研制的第一 台 氢内燃发动机， 在长安集团点火成功， 标志着我国氢 内燃机技术取得了突破性进展 。 4 展 望 ( 1 ) 从动力性、 排放控制、 异常燃烧等方面考 虑 ， 高压液氢缸内喷射是未来氢 发动机研究 发展 的 主流方向， 同时采用诸 如增压 、 中冷 、 提高 压缩 比、 E G R、 催化后处理等各种内燃机技术， 对发动机工 作过程进行数值模拟， 建立各种计算模型， 实现对喷 氢正时、 点火正时、 燃烧过程、 起动、 怠速、 变速等工 况的优化控制 ， 发展氢发动机 ， 是未来一段时间内较 好的选择 ， 有着广阔的市场前景 ， 也 可为未来大规模 应用燃料电池汽车提供过渡。随着新技术和控制策 略的应用， 氢发动机可以实现与汽油机可比的功率 和更高的效率， 而且排放更好。 ( 2 )目前燃氢汽车仅有一些概念车， 还远未达 到推广应用阶段。其主要原因是车用氢发动机用氢 时还存在一些 问题 ： 第一是低温高压液氢的储存