氫燃料內(nèi)燃機技術現(xiàn)狀與發(fā)展展望

1、氫燃料內(nèi)燃機技術現(xiàn)狀與發(fā)展展望張發(fā)恩【摘要介紹了氫氣及氫燃料內(nèi)燃機的特點及氫燃料內(nèi)燃機的技術現(xiàn)狀。通過對比分析指出氫燃料內(nèi)燃機既可以采用清潔可再生能源,又可以充分利用現(xiàn)有的龐大工業(yè)體系,是實現(xiàn)氫氣經(jīng)濟的現(xiàn)實途徑。一前言使氫氣轉(zhuǎn)變?yōu)槠噭幽苡袃煞N主要途徑: ( 1 氫氣作為車用內(nèi)燃機燃料燃燒作功; ( 2 氫氣應用于燃料電池。但燃料電池系統(tǒng)在能量密度、體積、質(zhì)量、反應速度及成本等方面的問題還未很好解決,相關技術距實用還有相當一段距離。而用氫氣作為內(nèi)燃機燃料,既可以實現(xiàn)氫能源清潔、可再生的特點,又可以利用目前已經(jīng)充分建立起來的內(nèi)燃機工業(yè)基礎,且氫氣發(fā)動機熱效率較高,綜合效率與燃料電池效率相當,生產(chǎn)

2、及使用成本低,在使用性能、成本等方面較容易被廣大用戶所接受。因此,以氫氣作為內(nèi)燃機燃料已經(jīng)被車輛行業(yè)公認為是近階段氫能用于汽車的最現(xiàn)實、最經(jīng)濟的途徑。二氫作為車用燃料的發(fā)展歷程以氫為燃料的汽車開發(fā)研究經(jīng)歷了一個曲折的過程。早在 1920 年就有人將氫作為燃料在發(fā)動機中試驗,但進展不大。 20 世紀 70 年代的石油危機給各國敲響了警鐘,對氫的研究開始受到人們的關注。此后,石油供應又趨于穩(wěn)定,氫氣汽車的研究又停滯下來。進人 20 世紀 90 年代,由于大氣中 CO2的增加,地球的溫室效應日益嚴重。而氫氣燃燒不產(chǎn)生 CO2 ,所以氫氣發(fā)動機的研究開發(fā)再次引起人們的重視。目前,美、德、日等發(fā)達國家對

3、其研究方興未艾。美國福特公司開發(fā)的 U 型概念車既可以用汽油,也可以用氫氣作燃料。福特公司宣稱,氫氣能夠?qū)?nèi)燃機效率提高 25 %一 30 % ,而這一效率已和氫燃料電池大致一樣。在氫燃料內(nèi)燃機工作過程中,包括 C02 在內(nèi)的污染物排放幾乎可以忽略不計。奔馳公司自 20 世紀 70 年代就開始了這一領域的預研工作, 1978 年開發(fā)了第一輛氫燃料樣車,采用氫與空氣均勻混合后從發(fā)動機進氣管吸人氣缸的供給方式。近幾年奔馳公司又將氫燃料項目列人進一步的研究課題“ HYPASS " ,開展氫氣缸內(nèi)噴射的氫燃料樣車試驗。寶馬公司從 1978 年開始開發(fā)以氫氣為燃料的內(nèi)燃機汽車。由柴油機/汽油機

4、的改造到現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)了 6 代氫燃料內(nèi)燃機驅(qū)動的轎車。寶馬公司在 BMW 735i 轎車上進行研究試驗,配備采用氫氣為燃料的 3 . 5L6 缸火花點火式發(fā)動機。氫氣采用液態(tài)貯存方式,每次加注燃料可供汽車行駛 299km 。該車保留了原來的汽油噴射系統(tǒng),可以選擇汽油或氫氣燃料工作。氫氣采用多點噴射方式,可防止回火,且進一步提高了效率。 2004 年 9 月,寶馬集團在法國 Miramas 用一部名為 H2R 的氫內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車創(chuàng)造了 9 項速度紀錄。該車裝備 6L V12 氫燃料內(nèi)燃機,最大功率為 210kw , o 一 lookm/ h 加速約 6s ,最高速度達 302 . 4km/ h

5、 。這表明氫動力汽車的性能絲毫不遜于傳統(tǒng)能源汽車。寶馬公司已經(jīng)完成了批量生產(chǎn)前的準備工作,并在德國的慕尼黑、柏林等大城市建設了氫氣加氣站,計劃從 2005 年開始,逐步將氫燃料內(nèi)燃機動力的轎車推向市場。我國在氫氣發(fā)動機研究方面起步較晚,相關技術力量比較薄弱。浙江大學較早開展了氫發(fā)動機的研究,并針對氫發(fā)動機運轉(zhuǎn)中存在的問題,提出了燃燒改進方案;浙江大學、吉林工業(yè)大學、天津大學等進行了有關在汽油機的燃燒過程中加人部分氫氣改善汽油機燃燒過程的研究;另外,上海交通大學利用計算機數(shù)值模擬技術對氫氣發(fā)動機的性能進行了預測。但從研究內(nèi)容的廣度和深度上,國內(nèi)與國外還存在較大的差距。我國在氫能源的制取和供應上已

6、經(jīng)進行了許多卓有成效的工作,為氫燃料內(nèi)燃機的研發(fā)應用奠定了良好的基礎。三氫氣作為車用內(nèi)燃機燃料的特點氫燃料與天然氣、汽油等相比,單位質(zhì)量的能量密度高,可燃界限寬,燃燒速度快,是一種良好的車用燃料。表 1 比較了氫燃料與天然氣、汽油在燃燒特性方面的差異。從表 l 看出,氫作為內(nèi)燃機燃料有下列特點。( l 氫氣的單位質(zhì)量低熱值高約是汽油低熱值的 2 . 7 倍,但氫與空氣的理論混合氣標態(tài)熱值只有 3 . 186MJ /M3,大約低于汽油 18 %。( 2 可燃混合氣濃度范圍很大氫內(nèi)燃機易于實現(xiàn)稀薄燃燒,提高經(jīng)濟性,同時可以降低最高燃燒溫度,大幅度地減少 NO ,的排放量。( 3 自燃溫度較高氫的自

7、燃溫度較天然氣和汽油都要高,利于提高壓縮比,提高氫燃料內(nèi)燃機的熱效率。這一特性也決定了氫燃料內(nèi)燃機難以像柴油機那樣采用壓燃點火,而適宜于火花塞點火。( 4 點火能量很低盡管氫燃料的自燃點比天然氣、汽油等燃料都要高,但它所需要的點火能量卻很低,最小可以低到 0 . 020mJ 。因此,氫燃料內(nèi)燃機工作時幾乎從不失火,并具有良好的啟動性。( 5 燃燒速度快氫的燃燒反應按鏈式反應機理進行,火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤? 2 . 91 而 s ,是汽油的 7 . 72 倍,在發(fā)動機中燃燒時抗爆性比汽油好,可以采用較高的壓縮比,因此熱效率比燃燒純汽油時高。( 6 氫氣在空氣中的擴散系數(shù)很大氫氣的擴散系數(shù)是汽油的 12

8、 倍,因此氫氣比汽油更容易和空氣混合形成均勻的混合氣。但是,高的擴散系數(shù)對防止泄露不利。由于氫氣的分子極小,滲透性很強由此引起的金屬表面脆性和存儲時的緩慢滲漏也是氫燃料應用中的一個十分棘手的問題。( 7 氫氣密度很低常溫常壓下,氫氣的密度只有天然氣的 1 / 8 。對于車用燃料來講,當車輛的續(xù)駛里程一定時,氫氣所需的儲氣罐就要比其它燃料的大得多。( 8 有害排放物少氫氣燃燒的主要產(chǎn)物是水,不產(chǎn)生 CO 及 HC ,但產(chǎn)生一定量的 NO :。在稀燃狀態(tài)下, NO :的排放量可大大降低。同時氫氣火焰的淬冷距離比汽油小,因此靠近缸壁激冷層的可燃混合氣燃燒得更完全。四氫氣內(nèi)燃機的技術現(xiàn)狀氫可以單獨作為

9、內(nèi)燃機的燃料,也可以與汽油天然氣等混合作為燃料。4 . 1 純氫內(nèi)燃機車用氫氣內(nèi)燃機目前主要有兩種,即往復活塞式和轉(zhuǎn)子式。4 . 1 . 1 往復活塞式氫氣發(fā)動機根據(jù)氫燃料噴射位置的不同,氫燃料內(nèi)燃機可以分成缸外噴射式(預混合式和缸內(nèi)直噴式兩種。根據(jù)氫燃料物態(tài)的不同,氫燃料內(nèi)燃機可以分成液氫噴射式和氣態(tài)噴射式。缸外噴射式結構簡單,與傳統(tǒng)的氣體燃料(如天然氣內(nèi)燃機結構相似,因而大大減小了在研發(fā)生產(chǎn)上的難度。目前,國際上推出的大部分氫燃料內(nèi)燃機都屬于這種形式。由于氫氣的密度極低,缸外噴射的氫氣必然要占據(jù)很大的氣缸空間(圖 1 所示 , 導致可吸人空氣量減少,最終形成的氫與空氣的理論混合氣熱值降低,

10、單位工作容積發(fā)出的功率下降。在理論混合比狀態(tài)下,氫氣占用約 1 / 3 的氣缸容積,而相同工況下,汽油只占用 1 . 7 %的氣缸容積。這導致缸外噴射式氫燃料內(nèi)燃機比汽油機的功率降低 15 %左右。另外,由于氫氣燃燒范圍很廣,回火、非正常點火等問題很難控制,給內(nèi)燃機的設計和燃燒控制增加了難度。缸外預混合式氫氣發(fā)動機提高功率的措施主要有:提高壓縮比以提高發(fā)動機的熱效率;采用液態(tài)氫氣噴射方式,以降低進氣溫度,提高充量密度,如圖 1 ( C 所示,與氣態(tài)噴射相比,氫燃料及空氣充量都有明顯增加,可以部分地恢復功率;缸內(nèi)直接噴射氣態(tài)氫方式,即在壓縮沖程前期噴射,最大限度地提高充氣效率,提高氫氣發(fā)動機功率

11、;采用增壓系統(tǒng),如 BMW 7351 轎車配備的 3 . 5L6 缸火花點火式氫氣發(fā)動機采用機械式增壓系統(tǒng)以提高發(fā)動機的功率?；鼗鹗遣捎猛獠炕旌戏ǖ臍錃獍l(fā)動機常見的異常燃燒現(xiàn)象,它使發(fā)動機運轉(zhuǎn)不正常,性能下降,又容易損壞零部件?；鼗甬a(chǎn)生的主要原因有:氫的點火能量低;氫的著火界限很寬。在進氣閥開啟期間,進人氣缸的氫氣與空氣混合氣會受到高溫廢氣或高溫的炙熱點及沉積物等的作用而著火,串人進氣管中,形成回火現(xiàn)象。抑制和消除回火的常用方法有:在進氣過程后期噴射氫氣;采用缸內(nèi)氫氣噴射方式;采用廢氣再循環(huán);采取有效措施降低進氣溫度,如噴射液態(tài)氫氣、噴水或噴射冷空氣等。缸內(nèi)直接噴射氫氣發(fā)動機,由于氫氣不再占據(jù)

12、氣缸容積,且氫氣的熱值比汽油大,所以,同樣排量下缸內(nèi)直噴氫燃料內(nèi)燃機的功率比汽油機增加 20 %以上。換氣過程中新鮮空氣對燃燒室的冷卻作用又大大減少了不正常表面點火的發(fā)生,使得內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。然而,缸內(nèi)噴射式氫燃料內(nèi)燃機的噴射壓力較高,且噴嘴直接置于高溫高壓的氣缸內(nèi),使得噴射系統(tǒng)復雜、部件可靠性問題突出。另外,由于混合過程很短,增大了混合和點火組織的難度。但隨著技術的進步,這些問題都將得到解決。目前缸內(nèi)直噴式氫燃料內(nèi)燃機是國際上氫燃料內(nèi)燃機研究的主要方向。作者與寶馬公司合作,對一臺缸徑為 85mm 的直噴式氫氣內(nèi)燃機的燃燒特性及 NO :的生成機理進行了研究,探討了混合氣濃度和廢氣再循環(huán)率

13、對氫氣內(nèi)燃機性能的影響規(guī)律,進而提出了一種全新的氫氣內(nèi)燃機 NO :排放的控制策略,具體如下。( l 啟動、怠速及小負荷階段基于氫氣內(nèi)燃機良好的稀薄燃燒特性,在啟動、怠速及小負荷階段供給內(nèi)燃機較稀薄的混合氣,以獲得最低的 NO :排放特性和最高的熱效率,最低混合氣濃度可控制在 0 . 2 一 0 .3 倍當量濃度范圍內(nèi),通過增大節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)功率輸出,直至節(jié)氣門全開。這一階段,內(nèi)燃機的功率調(diào)節(jié)為典型的量調(diào)節(jié)。( 2 中等負荷階段當內(nèi)燃機負荷進一步增加時,由于節(jié)氣門已經(jīng)處于全開位置,通過增大混合氣濃度來調(diào)節(jié)功率輸出。此時的功率調(diào)節(jié)為典型的質(zhì)調(diào)節(jié)。這一階段混合氣濃度控制的最大值應以 NOx 的產(chǎn)

14、生量不高于設計期望值為限。這一限值在 0 . 5一 0 . 7 倍當量濃度范圍內(nèi)。( 3 大負荷階段當內(nèi)燃機的負荷再增加時,為限制 NO :的排放量,混合氣的濃度不再連續(xù)地增高,而是直接跳躍到理論混合濃度,同時開啟 EGR 控制閥并控制 EGR 控制閥的開度。內(nèi)燃機輸出負荷的大小完全取決于 EGR 量。該控制策略應用于寶馬公司最新一代氫燃料內(nèi)燃機,在保證高效燃燒的前提下,很好地控制了 NOx 的排放量。試驗測試結果表明,非增壓條件下催化轉(zhuǎn)化器前的 NO :排放量可以控制在 100 xlo 一6 以內(nèi),催化轉(zhuǎn)化器后的 NO :接近為零。該項研究充分表明氫氣內(nèi)燃機在環(huán)境保護方面的巨大潛力。4 .

15、1 . 2 轉(zhuǎn)子式氫氣內(nèi)燃機馬自達公司近年來一直在開展轉(zhuǎn)子式氫氣內(nèi)燃機研究開發(fā)。 2 004 年馬自達公司推出裝有氫燃料 Renesis 轉(zhuǎn)子發(fā)動機的 Rx 一 8 跑車,這種轉(zhuǎn)子式氫氣內(nèi)燃機的進氣室與燃燒室封閉隔離,避免了回火問題的發(fā)生。4 . 2 氫混合燃料內(nèi)燃機4 . 2 . 1 在汽油機中摻燒氫氣汽油機中摻燒氫氣燃料,可采用喉管、噴氣閥或配氣閥將部分氫氣供人氣道或噴人氣缸。在汽油機中摻燒氫氣的試驗結果表明,在現(xiàn)有汽油機的結構稍加變動的情況下,當摻人氫的比例不大,如小于 20 %時,由于氫具有火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⒅鸾缦迣挼奶匦?可使混合氣的著火延遲期縮短,實現(xiàn)稀薄快速燃燒,提高發(fā)動機的經(jīng)濟

16、性;另外,由于氫的鏈式燃燒反應產(chǎn)生大量的活化中心,有利于HC 和 CO 成分在缸內(nèi)較充分地進行化學反應,使排氣中二者的含量大大降低,因而可改善排放特性。但在不同工況下,氫氣的摻燒比有一個最佳值。摻燒的過少,則不能發(fā)揮氫的優(yōu)點;摻燒的過多,則發(fā)動機充量中空氣太少,無法形成稀薄燃燒,而且容易產(chǎn)生回火現(xiàn)象。4 . 2 . 2 在天然氣內(nèi)燃機中摻燒氫氣天然氣作為汽車燃料,可以降低 C02 、 502 、 Pb 、 PM 等污染物的排放量,但是由于甲烷的燃燒溫度可達 2 300 ,與汽油、柴油接近,容易產(chǎn)生 NO :氣體,因此在實際使用過程中和汽油、柴油車相比,夭然氣汽車并不能降低 NO 二氣體的排放。

17、如果將氫氣摻混到天然氣中用作燃料,就可以有效降低燃料的燃燒溫度,從而減少排氣中 NO :的含量。在內(nèi)燃機中采用氫氣與天然氣混合燃燒是近期推廣使用氫能的最現(xiàn)實方法之一。美國國家可再生能源實驗室的研究結果指出,天然氣中加入 5 %一 7 %的氫氣(能量百分比,即15%一 20 % (體積百分比,那么 NO :的排放量將減少 50 %。美國 DENvER 示范項目的結果表明,和天然氣相比,質(zhì)量含量為 5 %的氫氣和天然氣組成的混合燃料的碳氫化合物( THC 、 Co 和 No x的排放量分別降低約 30 %、 50 %、 50 % ,氫氣和天然氣混合燃料對減少CO2 的排放量也有效果。我國于 199

18、9 年開展清潔汽車行動計劃。在北京、上海、廣州、南京、沈陽等大中城市規(guī)劃和建立了上千個天然氣加氣站,現(xiàn)有天然氣燃料汽車15萬輛以上。天然氣汽車的推廣和應用也為在我國開展天然氣加氫燃燒技術提供了有力的條件。天然氣加氫燃燒技術在國外已經(jīng)有近 20 年的應用,最早是在美國加利福尼亞州得到使用。目前,加拿大、愛爾蘭、澳大利亞、歐盟等國家和地區(qū)也利用壓縮天然氣加氫作為汽車燃料。在我國推廣使用天然氣加氫燃燒技術,對于開拓氫能的應用領域,降低城市汽車尾氣污染,加快我國氫能實用化步伐具有重要意義。4 . 3 氫氣一汽油兩用燃料內(nèi)燃機只要氫氣內(nèi)燃機設計得當,氫燃料內(nèi)燃機必要時也可以轉(zhuǎn)換成汽油機運行,即所謂的兩用

19、燃料或柔性燃料內(nèi)燃機。德國寶馬公司研發(fā)的首輛氫燃料內(nèi)燃機汽車正是建立在此基礎之上。該車同時配備有氫氣儲氣罐和汽油油箱,當氫氣供應不足時,內(nèi)燃機會自動從汽油油箱中提取燃料。這樣一來,氫燃料內(nèi)燃機汽車對“加氫站”的依賴問題得到一定程度的緩解。這一優(yōu)勢在氫氣推廣使用的初期尤為突出,可以讓駕駛員在充分享受新型清潔能源的同時,不必擔心因找不到加氫站而拋錨。4 . 4氫燃料的貯存技術氫燃料的貯存技術是氫氣汽車推廣應用的關鍵技術之一。目前,氫燃料的貯存方式大致可以歸納為兩大類,即物理方式和化學方式。4 . 4 . 1物理方法儲氫( l 氣態(tài)儲氫氣態(tài)儲氫是以高達 20 一 25MPa 的壓力將氫氣壓縮儲存在金屬容器中。這種儲存方法占用的體積較大,不很實用。即使貯存壓力達到 40MPa , Ikg 氫的體積也要占 30L 。而具有同等能量的 2 . 88kg 汽油的體積僅占 4 . 1 L 。另外,氣態(tài)儲氫的安全性較差,容器必須具有足夠的強度及良好的密封性,并要注意氫對材料的侵蝕作用及導致其脆裂的可能。( 2 液態(tài)儲氫液態(tài)儲氫是將高純度的氫經(jīng)過深冷裝置液化,儲存在液氫罐中。液化過程所消耗的能約為氫熱值的 30 % ,因此成本很高。由于液氫的沸點很低,為 20 . 4K (一 252 . 6 ,必須存放在具有良好絕緣性