内燃机

氢燃料内燃机技术现状与发展展望 【摘要]介绍了氢气及氢燃料内燃机的特点及氢燃料内燃机的技术现状。通过对比分析指出氢燃料内燃 机既可以采用清洁可再生能源,又可以充分利用现有的庞大工业体系,是实现氢气经济的现实途径。 一前言 使氢气转变为汽车动能有两种主要途径: ( 1 ) 氢气作为车用内燃机燃料燃烧作功; ( 2 )氢气应用 于燃料电池。但燃料电池系统在能量密度、体积、质量、反应速度及成本等方面的问题还未很好解决, 相关技术距实用还有相当一段距离。而用氢气作为内燃机燃料,既可以实现氢能源清洁、可再生的特点,又可以利用目前已经充分建立起来的内燃机工业基础,且氢气发动机热效率较高,综合效率与燃料电池 效率相当,生产及使用成本低,在使用性能、成本等方面较容易被广大用户所接受。因此,以氢气作为 内燃机燃料已经被车辆行业公认为是近阶段氢能用于汽车的最现实、最经济的途径。 二氢作为车用燃料的发展历程 以氢为燃料的汽车开发研究经历了一个曲折的过程。早在 1920 年就有人将氢作为燃料在发动机中 试验,但进展不大。 20 世纪 70 年代的石油危机给各国敲响了警钟,对氢的研究开始受到人们的关注。 此后,石油供应又趋于稳定,氢气汽车的研究又停滞下来。进人 20 世纪 90 年代,由于大气中 CO2的 增加,地球的温室效应日益严重。而氢气燃烧不产生 CO2 ,所以氢气发动机的研究开发再次引起人们 的重视。目前,美、德、日等发达国家对其研究方兴未艾。 美国福特公司开发的 U 型概念车既可以用汽油,也可以用氢气作燃料。福特公司宣称,氢气能够将内 燃机效率提高 25 %一 30 % ,而这一效率已和氢燃料电池大致一样。在氢燃料内燃机工作过程中,包括 C02 在内的污染物排放几乎可以忽略不计。 奔驰公司自 20 世纪 70 年代就开始了这一领域的预研工作, 1978 年开发了第一辆氢燃料样车,采 用氢与空气均匀混合后从发动机进气管吸人气缸的供给方式。近几年奔驰公司又将氢燃料项目列人进一 步的研究课题“ HYPASS " ,开展氢气缸内喷射的氢燃料样车试验。宝马公司从 1978 年开始开发以氢气 为燃料的内燃机汽车。由柴油机/汽油机的改造到现在已经研发了 6 代氢燃料内燃机驱动的轿车。宝马 公司在 BMW 735i 轿车上进行研究试验,配备采用氢气为燃料的 3 . 5L6 缸火花点火式发动机。氢气采 用液态贮存方式,每次加注燃料可供汽车行驶 299km 。该车保留了原来的汽油喷射系统,可以选择汽 油或氢气燃料工作。氢气采用多点喷射方式,可防止回火,且进一步提高了效率。 2004 年 9 月,宝马 集团在法国 Miramas 用一部名为 H2R 的氢内燃机驱动的汽车创造了 9 项速度纪录。该车装备 6L V12 氢燃料内燃机,最大功率为 210kw , o 一 lookm/ h 加速约 6s ,最高速度达 302 . 4km/ h 。这明氢动力汽 车的性能丝毫不逊于传统能源汽车。宝马公司已经完成了批量生产前的准备工作,并在德国的慕尼黑、 柏林等大城市建设了氢气加气站,从 2005 年开始,逐步将氢燃料内燃机动力的轿车推向市场。 我国在氢气发动机研究方面起步较晚,相关技术力量比较薄弱。浙江大学较早开展了氢发动机的研究,并针对氢发动机运转中存在的问题,提出了燃烧改进;浙江大学、吉林工业大学、天津大学等 进行了有关在汽油机的燃烧过程中加人部分氢气改善汽油机燃烧过程的研究;另外,上海交通大学利 用计算机数值模拟技术对氢气发动机的性能进行了预测。但从研究内容的广度和深度上,国内与国外 还存在较大的差距。我国在氢能源的制取和供应上已经进行了许多卓有成效的工作,为氢燃料内燃机 的研发应用奠定了良好的基础。 三氢气作为车用内燃机燃料的特点 氢燃料与天然气、汽油等相比,单位质量的能量密度高,可燃界限宽,燃烧速度快,是一种良好的 车用燃料。表 1 比较了氢燃料与天然气、汽油在燃烧特性方面的差异。 从表 l 看出,氢作为内燃机燃料有下列特点。 ( l )氢气的单位质量低热值高约是汽油低热值的 2 . 7 倍,但氢与空气的理论混合气标态热值只有 3 . 186MJ /M3,大约低于汽油 18 %。 ( 2 )可燃混合气浓度范围很大氢内燃机易于实现稀薄燃烧,提高经济性,同时可以降低最高燃烧温度,大幅度地减少 NO ,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。这一特性也决定了氢燃料内燃机难以像柴油机那样采用压燃点火,而适宜于火花塞点火。 ( 4 )点火能量很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 0 . 020mJ 。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( 2 . 91 而 s ) ,是汽油的 7 . 72 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,渗透性很强由此引起 的金属表面脆性和存储时的缓慢渗漏也是氢燃料应用中的一个十分棘手的问题。 ( 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 NO :。在稀燃状态下, NO :的排放量可大大降低。同时氢气火焰的淬冷距离比汽油小,因此靠近缸壁激冷层的可燃混合 气燃烧得更完全。 四氢气内燃机的技术现状 氢可以单独作为内燃机的燃料,也可以与汽油天然气等混合作为燃料。 4 . 1 纯氢内燃机 车用氢气内燃机目前主要有两种,即往复活塞式和转子式。 4 . 1 . 1 往复活塞式氢气发动机 根据氢燃料喷射位置的不同,氢燃料内燃机可以分成缸外喷射式(预混合式)和缸内直喷式两种。根据 氢燃料物态的不同,氢燃料内燃机可以分成液氢喷射式和气态喷射式。 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) , 导致可吸人空气量减少,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 1 . 7 %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主要有: ①提高压缩比以提高发动机的热效率; ②采用液态氢气喷射方式,以降低进气温度,提高充量密度,如图 1 ( C )所示,与气态喷射相比,氢 燃料及空气充量都有明显增加,可以部分地恢复功率; ③缸内直接喷射气态氢方式,即在压缩冲程前期喷射,最大限度地提高充气效率,提高氢气发动机功率; ④采用增压系统,如 BMW 7351 轿车配备的 3 . 5L6 缸火花点火式氢气发动机采用机械式增压系统以提 高发动机的功率。回火是采用外部混合法的氢气发动机常见的异常燃烧现象,它使发动机运转不正常, 性能下降,又容易损坏零部件。 回火产生的主要原因有: ①氢的点火能量低; ②氢的着火界限很宽。在进气阀开启期间,进人气缸的氢气与空气混合气会受到高温废气或高温的炙热 点及沉积物等的作用而着火,串人进气管中,形成回火现象。 抑制和消除回火的常用方法有: ①在进气过程后期喷射氢气; ②采用缸内氢气喷射方式; ③采用废气再循环; ④采取有效措施降低进气温度,如喷射液态氢气、喷水或喷射冷空气等。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。但随着技术的进步,这些问题都将得到解决。目前缸内直喷式氢燃料内燃机是国际上氢燃料 内燃机研究的主要方向。作者与宝马公司合作,对一台缸径为 85mm 的直喷式氢气内燃机的燃烧特性及NO :的生成机理进行了研究,探讨了混合气浓度和废气再循环率对氢气内燃机性能的影响规律,进而 提出了一种全新的氢气内燃机 NO :排放的控制策略,具体如下。 ( l )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 NO :排放特性和最高的热效率,最低混合气浓度可控制在 0 . 2 一 0 . 3 倍当量浓度范围内,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,内燃 机的功率调节为典型的量调节。 ( 2 )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调节。这一阶段混合气浓度控制的最大值应以 NOx 的产 生量不高于设计期望值为限。这一限值在 0 . 5一 0 . 7 倍当量浓度范围内。 ( 3 )大负荷阶段当内燃机的负荷再增加时,为限制 NO :的排放量,混合气的浓度不再连续地增高, 而是直接跳跃到理论混合浓度,同时开启 EGR 控制阀并控制 EGR 控制阀的开度。内燃机输出负荷的大 小完全取决于EGR 量。该控制策略应用于宝马公司最新一代氢燃料内燃机,在保证高效燃烧的前提下,很好地控制了 NOx 的排放量。试验测试结果表明,非增压条件下催化转化器前的 NO :排放量可以控 制在 100 xlo 一 6 以内,催化转化器后的 NO :接近为零。该项研究充分表明氢气内燃机在环境保护方 面的巨大潜力。 4 . 1 . 2 转子式氢气内燃机 马自达公司近年来一直在开展转子式氢气内燃机研究开发。 2 004 年马自达公司推出装有氢燃料 Renesis 转子发动机的 Rx 一 8 跑车,这种转子式氢气内燃机的进气室与燃烧室封闭隔离,避免了回火问题的发生。 4 . 2 氢混合燃料内燃机 4 . 2 . 1 在汽油机中掺烧氢气汽油机中掺烧氢气燃料,可采用喉管、喷气阀或配气阀将部分氢气供人气 道或喷人气缸。在汽油机中掺烧氢气的试验结果表明,在现有汽油机的结构稍加变动的情况下,当掺人 氢的比例不大,如小于 20 %时,由于氢具有火焰传播速度快、着火界限宽的特性,可使混合气的着火 延迟期缩短,实现稀薄快速燃烧,提高发动机的经济性;另外,由于氢的链式燃烧反应产生大量的活化 中心,有利于 HC 和 CO 成分在缸内较充分地进行化学反应,使排气中二者的含量大大降低,因而可改 善排放特性。但在不同工况下,氢气的掺烧比有一个最佳值。掺烧的过少,则不能发挥氢的优点;掺烧 的过多,则发动机充量中空气太少,无法形成稀薄燃烧,而且容易产生回火现象。 4 . 2 . 2 在天然气内燃机中掺烧氢气 天然气作为汽车燃料,可以降低 C02 、 502 、 Pb 、 PM 等污染物的排放量,但是由于甲烷的燃烧温度 可达 2 300 ℃,与汽油、柴油接近,容易产生 NO :气体,因此在实际使用过程中和汽油、柴油车相比,夭然气汽车并不能降低 NO 二气体的排放。如果将氢气掺混到天然气中用作燃料,就可以有效降低燃料 的燃烧温度,从而减少排气中 NO :的含量。在内燃机中采用氢气与天然气混合燃烧是近期推广使用氢 能的最现实方法之一。美国国家可再生能源实验室的研究结果指出,天然气中加入 5 %一 7 %的氢气 (能量百分比),即15%一 20 % (体积百分比),那么 NO :的排放量将减少 50 %。美国 DENvER 示范项Q目的结果表明,和天然气相比,质量含量为 5 %的氢气和天然气组成的混合燃料的碳氢化合 物( THC )、 Co 和 No x的排放量分别降低约 30 %、 50 %、 50 % ,氢气和天然气混合燃料对减少 CO2 的排放量也有效果。 我国于 1999 年开展清洁汽车行动计划。在北京、上海、广州、南京、沈阳等大中城市规划和建立了上 千个天然气加气站,现有天然气燃料汽车15万辆以上。天然气汽车的推广和应用也为在我国开展天然 气加氢燃烧技术提供了有力的条件。 天然气加氢燃烧技术在国外已经有近 20 年的应用,最早是在美国加利福尼亚州得到使用。目前,加拿大、爱尔兰、澳大利亚、欧盟等国家和地区也利用压缩天然气加氢作为汽车燃料。在我国推广使用天然 气加氢燃烧技术,对于开拓氢能的应用领域,降低城市汽车尾气污染,加快我国氢能实用化步伐具有重 要意义。 4 . 3 氢气一汽油两用燃料内燃机只要氢气内燃机设计得当,氢燃料内燃机必要时也可以转换 成汽油机运行,即所谓的两用燃料或柔性燃料内燃机。德国宝马公司研发的首辆氢燃料内燃机汽车正是 建立在此基础之上。该车同时配备有氢气储气罐和汽油油箱,当氢气供应不足时,内燃机会自动从汽油 油箱中提取燃料。这样一来,氢燃料内燃机汽车对“加氢站”的依赖问题得到一定程度的缓解。这一优势 在氢气推广使用的初期尤为突出,可以让驾驶员在充分享受新型清洁能源的同时,不必担心因找不到加 氢站而抛锚。 4 . 4 氢燃料的贮存技术 氢燃料的贮存技术是氢气汽车推广应用的关键技术之一。目前,氢燃料的贮存方式大致可以归纳为两大类,即物理方式和化学方式。 4 . 4 . 1 物理方法储氢 ( l )气态储氢气态储氢是以高达 20 一 25MPa 的压力将氢气压缩储存在金属容器中。这种储存方法占用 的体积较大,不很实用。即使贮存压力达到 40MPa , Ikg 氢的体积也要占 30L 。而具有同等能量的 2 . 88kg 汽油的体积仅占 4 . 1 L 。另外,气态储氢的安全性较差,容器必须具有足够的强度及良好的密封性,并要注意氢对材料的侵蚀作用及导致其脆裂的可能。 ( 2 )液态储氢液态储氢是将高纯度的氢经过深冷装置液化,储存在液氢罐中。液化过程所消耗的能约 为氢热值的 30 % ,因此成本很高。由于液氢的沸点很低,为 20 . 4K (一 252 . 6 ℃),必须存放在具 有良好绝缘性能的双层真空结构的金属容器中,容器的材料要防止冷脆,一般用不锈钢或铝制造。每千 克氢的热值大约是同等质量的汽油热值的 3 倍,但液氢的密度只是汽油的 1 / 10 ,所以与 10L 汽油能量 相当的液氢体积约为 30L ,液氢油箱的外形尺寸是汽油箱的 4 一 5 倍。 4 . 4 . 2 化学方法储氢 化学方法储氢主要是采用金属氢化物( MH )为氢贮藏源。首先将氢加压供给 MH 贮气罐,同时对贮 气罐进行冷却、散热,促进氢的吸收和贮藏。当使用氢燃料时,可在低于吸人压力或高于吸入温度的情 况下,使金属氢化物( MH )释放氢气,通过供气装置供给发动机,释放氢气的过程中金属氢化物 ( MH )需要吸收热量。 金属氢化物不会自燃,较为安全。有的汽车上同时采用低温型及高温型的金属氢化物,目的在于充分利用它们各自的优点。 5 前景展望 氢燃料内燃机基于传统的内燃机技术和生产、维修体系,具有良好的生产、使用基础,技术上也具有一定的成熟性,与氢燃料电池相比,氢燃料内燃机在造价上具有明显的优势。在车用燃料电池的成本能够与之相匹敌之前,氢燃料内燃机将具有很强的竞争力。在汽油机中掺烧氢气燃料、在天然气内燃机中掺烧氢气和采用氢气一汽油两用燃料或柔性燃料内燃机是近期在汽车内燃机中推广使用氢气燃料的较现实方法。从长远来看,由于氢燃料内燃机具有高效、环保的突出优点,势必将得到较快的发展;而缸内直喷式氢燃料内燃机所具有的较高的功率密度、良好的运转平稳性以及极低的 NO x排放,必将成为氢燃料内燃机的主要发展方向。