新型内燃机设计汇报

1、新型内燃机设计汇报新型内燃机设计汇报氢燃料内燃机的设计汇报小组：氢燃料的利用前景氢燃料的利用前景 随着现代经济的高速发展以及世界人口的迅猛增长，人类对能源的需求越来越大虽然煤、石油等化石燃料在当前的能源结构中仍占很大比例，但是，一方面，化石燃料的使用带来了严重的环境污染，严重威胁了人类的健康和生存；另一方面，由于化石燃料是一种有限、不可再生的资源，日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。因此，开发和利用清洁、高效的可再生能源是当前全球急待解决的任务。而氢能作为2l世纪的绿色能源，由于具备电能和热能所没有的可储存性，使它成为最好的可再生能源的载体，也得到世界各国的关注。近年来，氢能的研究和开发工

2、作已经形成一个不小的高潮，氢能经济新时代正向我们走 来。 氢能经济可以理解为以氢能等清洁能源为主的清洁经济，是充分利用氢的优越性质，以人类需求和市场为目标，所进行的氢能研发、生产、储存、运输、经营、管理等经济活动的总称。发展氢能经济可以部分摆脱人类对化石能源的依赖，实现人类社会的可持续发展氢燃料的优越性氢燃料的优越性(1) 氢气的单位质量低热值高约是汽油低热值的217倍。(2) 可燃混合气浓度范围很大氢内燃机易于实现稀薄燃烧,同时可以降低最高燃烧温度,大幅度地减少NOx 的排放量。(3) 自燃温度较高氢的自燃温度较天然气和汽油都要高,利于提高压缩比,提高氢燃料内燃机的热效率。(4) 点火能量很

3、低尽管氢燃料的自燃点比天然气、汽油等燃料都要高,但它所需要的点火能量却很低,最小可以低到01020mJ。因此,氢燃料内燃机工作时几乎从不失火,并具有良好的启动性。(5) 燃烧速度快氢的燃烧反应按链式反应机理进行,火焰传播速度快(2191m / s) ,是汽油的7172倍,在发动机中燃烧时抗爆性比汽油好,可以采用较高的压缩比,因此热效率比燃烧纯汽油时高。(6) 氢气在空气中的扩散系数很大氢气的扩散系数是汽油的12倍,因此氢气比汽油更容易和空气混合形成均匀的混合气。但是,高的扩散系数对防止泄露不利。由于氢气的分子极小,渗透性很强。(7) 氢气密度很低常温常压下,氢气的密度只有天然气的1 /8。对于

4、车用燃料来讲,当车辆的续驶里程一定时,氢气所需的储气罐就要比其它燃料的大得多。(8) 有害排放物少氢气燃烧的主要产物是水,不产生CO及HC,但产生一定量的NOx氢燃料的局限性氢燃料的局限性 难制取：制取氢最方便的途径应该是电解水了,但是这种方式耗能大,这也是氢能不能被大规模利用的原因-制取成本高. 难贮存运输：加压后使其液化然后运输.一般来说由于氢化学性质活泼,极其容易爆炸,因此氢的贮存和运输要求都很严格.氢燃料投入到内燃机设计中的面临的挑战氢燃料投入到内燃机设计中的面临的挑战 由于氢燃料与石油燃料的物化特性有着明显的差异, 采取外部混合气形成方式组织氢内燃机的混合气形成和燃烧, 将出现严重的

5、回火、早燃等异常燃烧现象, 并产生较多的NOx (氢燃料内燃机的唯一有害排放物)。缸内喷射虽可消除回火, 但混合气形成时间短, 而且与汽油相比, 氢的密度很小,因而在高压空气中, 氢喷束的喷射速度较低, 射程较短, 不利于及时形成混合气, 内燃机功率和指示热效率降低。为此, 内燃机异常燃烧与提高功率的矛盾始终困扰着研究的发展。当前氢燃料投入引发的问题当前氢燃料投入引发的问题 氢燃料内燃机的异常燃烧与功率下降。 由于氢具有宽广的着火范围和较小的点火能量,故容易发生早燃;氢的火焰传播极快,对于外部形成混合气的氢燃料内燃机,当增加混合气浓度来提高发动机功率时就容易出现回火; 由于氢的密度低,使得外部

6、混合气方式的氢燃料发动机功率降低;氢和空气按化学当量比混合时,由于燃烧温度高,发动机热负荷高,而且排气中NOx 排量将迅速增加等。针对问题的分析针对问题的分析 总结异常燃烧和NO_X的抑制技术。指出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NO_X排放量。提出解决方案提出解决方案氢燃料内燃机采用化油器或进气管喷射的预混式外部混合气形成方式和燃料直接喷入燃烧室内的内部混合气形成方式。后者又有低压喷射型(即氢在压缩行程前半

7、行程喷入) 、高压喷射型(即氢在压缩行程末期将压力为6MPa以上的氢喷入气缸) 。采取预混式外部混合气形成方式的氢发动机输出功率低,易发生回火、早燃等不正常燃烧。从氢发动机的特殊性着手,电控氢发动机的喷氢正时、循环喷油量、点火正时,实现燃烧过程的优化控制,是使氢发动机具有高效、低NOx 排放和各方面性能优越的关键技术。新型氢燃料内燃机结构图示新型氢燃料内燃机结构图示图13种类型的氢燃料内燃机与汽油机的比较新型氢燃料内燃机介绍（缸外预混合式）新型氢燃料内燃机介绍（缸外预混合式）缸外喷射式结构简单,与传统的气体燃料(如天然气)内燃机结构相似,因而大大减小了在研发生产上的难度。目前,国际上推出的大部

8、分氢燃料内燃机都属于这种形式。由于氢气的密度极低,缸外喷射的氢气必然要占据很大的气缸空间(图1所示),导致可吸入空气量减少,最终形成的氢与空气的理论混合气热值降低,单位工作容积发出的功率下降。在理论混合比状态下,氢气占用约1/3的气缸容积,而相同工况下,汽油只占用117%的气缸容积。这导致缸外喷射式氢燃料内燃机比汽油机的功率降低15%左右。另外,由于氢气燃烧范围很广,回火、非正常点火等问题很难控制,给内燃机的设计和燃烧控制增加了难度。 缸外预混合式氢气发动机提高功率的措施主要有缸外预混合式氢气发动机提高功率的措施主要有: : 提高压缩比以提高发动机的热效率提高压缩比以提高发动机的热效率; ;

9、采用液态氢气喷射方式采用液态氢气喷射方式, ,以降低进气温度以降低进气温度, ,提高充量密提高充量密度度, ,如图如图1 ( c)1 ( c)所示所示, ,与气态喷射相比与气态喷射相比, ,氢燃料及空气充量氢燃料及空气充量都有明显增加都有明显增加, ,可以部分地恢复功率可以部分地恢复功率; ; 缸内直接喷射气态氢方式缸内直接喷射气态氢方式, ,即在压缩冲程前期喷射即在压缩冲程前期喷射, ,最最大限度地提高充气效率大限度地提高充气效率, ,提高氢气发动机功率提高氢气发动机功率; ; 采用增压系统采用增压系统, ,如如BMW 735 iBMW 735 i轿车配备的轿车配备的315L 6315L 6

10、缸火缸火花点火式氢气发动机采用机械式增压系统以提高发动花点火式氢气发动机采用机械式增压系统以提高发动机的功率。机的功率。新型氢燃料内燃机介绍（缸内喷射性）新型氢燃料内燃机介绍（缸内喷射性） 缸内直接喷射氢气发动机,由于氢气不再占据气缸容积,且氢气的热值比汽油大,所以,同样排量下缸内直喷氢燃料内燃机的功率比汽油机增加20%以上。换气过程中新鲜空气对燃烧室的冷却作用又大大减少了不正常表面点火的发生,使得内燃机运转平稳可靠。然而,缸内喷射式氢燃料内燃机的喷射压力较高,且喷嘴直接置于高温高压的气缸内,使得喷射系统复杂、部件可靠性问题突出。另外,由于混合过程很短,增大了混合和点火组织的难度。氢氢燃料燃料

11、内燃机内燃机NOx NOx 排放的控制策略排放的控制策略(1) (1) 启动、怠速及小负荷阶段基于氢气内燃机良好的稀薄燃烧特性启动、怠速及小负荷阶段基于氢气内燃机良好的稀薄燃烧特性, ,在启在启动、怠速及小负荷阶段供给内燃机较稀薄的混合气动、怠速及小负荷阶段供给内燃机较稀薄的混合气, ,以获得最低的以获得最低的NOx NOx 排排放特性和最高的热效率放特性和最高的热效率, ,最低混合气浓度可控制在最低混合气浓度可控制在0 0. .2 20 0. .3 3倍当量浓度范倍当量浓度范围内围内, ,通过增大节气门开度来调节功率输出通过增大节气门开度来调节功率输出, ,直至节气门全开。这一阶段直至节气门

12、全开。这一阶段, ,内内燃机的功率调节为典型的量调节。燃机的功率调节为典型的量调节。(2) (2) 中等负荷阶段当内燃机负荷进一步增加时中等负荷阶段当内燃机负荷进一步增加时, ,由于节气门已经处于全开由于节气门已经处于全开位置位置, ,通过增大混合气浓度来调节功率输出。此时的功率调节为典型的质通过增大混合气浓度来调节功率输出。此时的功率调节为典型的质调节。这一阶段混合气浓度控制的最大值应以调节。这一阶段混合气浓度控制的最大值应以NOxNOx 的产生量不高于设计期望值为限。这一限值在的产生量不高于设计期望值为限。这一限值在0 0. .5 50 0. .7 7倍当量浓度范围内倍当量浓度范围内。 (

13、3) (3) 大负荷阶段当内燃机的负荷再增加时大负荷阶段当内燃机的负荷再增加时, ,为限制为限制NOx NOx 的排放量的排放量, ,混合气的混合气的浓度不再连续地增高浓度不再连续地增高, ,而是直接跳跃到理论混合浓度而是直接跳跃到理论混合浓度, ,同时开启同时开启EGREGR控制阀控制阀并控制并控制EGREGR控制阀的开度。内燃机输出负荷的大小完全取决于控制阀的开度。内燃机输出负荷的大小完全取决于EGREGR量。量。结束语结束语欧美日的一些大的汽车公司已经借助自身强大的产品开发平台,在氢内燃机的研究和开发方面做了大量的探索和实际应用,在氢燃料供应与安全、排放控制、电子管理系统开发等方面有深厚的理论与实践研究,形成了一定的研发能力和初步的生产规模,表现出了对于氢内燃机推广的坚实的信心和雄厚的实力. 随着中国城市化进程加快,不少大、中型城市的大气污染,正在由单纯的煤烟型污染向煤烟型与机动车排气污