氢能源发动机的研究现状及发展趋势

2014-04-06杨英哲

河南科技 2014年2期

关键词：汽油燃料发动机

杨英哲

（华北水利水电大学，河南郑州 450011）

氢能源发动机的研究现状及发展趋势

杨英哲

（华北水利水电大学，河南郑州 450011）

为推动科技的进步以及减少汽车的尾气排放，降低能源的消耗，实现社会经济的可持续发展，国内外大批相关工作人员致力于研究氢能源发动机（以下简称氢发动机）并且不断解决氢发动机在应用中出现的实际问题，本文着重介绍氢发动机的研究现状以及未来的发展趋势。

氢能源；发动机；研究现状；发展趋势

进入21世纪，汽车工业得到了迅猛地发展，然而目前汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。汽油和柴油都是不可再生资源，为了缓解石油资源匮乏所带来的一系列负面影响以及减轻大气污染和汽车尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。氢能源是众多替代能源中的一种可再生能源，热值高，并且燃烧后大部分生成物是水蒸气，是一种理想的绿色燃料。作为代用燃料的氢能源可以解决两大难题：一是石油燃料储量有限，二是使用石油燃料带来的环境污染。

1 氢燃料作为代用燃料的理想性

首先这是由氢燃料的高效、清洁燃烧特性决定的。氢是不含碳的燃料，燃烧后生成H2O，不会生成CO，HC，CO2及硫化物。其次虽然在自然界中氢的含量比较少，但是氢的分布很广，含氢的化合物在自然界中也很多，其中最常见的一种方式就是电解水就可以得到氢气，因而它是一种很有发展前景的新型替代能源。

氢作为发动机代用燃料主要有以下特点：氢与空气的理论混合气标态热值为3.186MJ/m3,大约低于汽油的18%，但氢的单位质量低热值约是汽油低热值的2.7倍；氢气比甲烷的自燃温度更高，能承受更大的压缩比，使得氢发动机的热效率得到提高，较高的自燃温度使得氢发动机易于点燃而不易于压燃；着火界限比较宽，氢发动机能比较容易地实现稀薄燃烧，提高了燃油利用率，在当前节能减排的大环境下更具有竞争优势；氢气的点火能量很低，因此氢发动机具有良好的启动性，能有效解决发动机冷车状态下不易启动的问题；燃烧速率很大，火焰传播速度是汽油的7倍，几乎相当于等容燃烧，热效率得以很大提高，从而降低了循环变动，对湍流强度，进气涡流和燃烧室形状的敏感度；扩散系数比较大，大概是汽油的9倍，与汽油相比，更容易与空气形成比较均匀的混合气；氢气燃烧产生的排放物不产生一氧化碳及碳氢化物，主要生成物是水，产生一定量的NOx。

2 氢发动机的研究历程

2.1 氢发动机在国外的研究概况

19世纪中期，国外的氢发动机率先起步。世界上第一台氢发动机诞生于德国慕尼黑。研制的契机是二战期间，德国的汽油严重短缺。第一次全面研究氢发动机的科学工作者，当属英国学者波斯托尔（Burstoll）和里卡多（Ricardo），两人耗费20年时间详细研究了氢发动机的燃烧和工作过程，对后人的帮助很大。鲁多夫艾伦（Rudolph Erren）首次将氢气通过小型喷嘴直接喷入缸体内部，进行缸内混合。

20世纪最后几十年，随着金融危机油价不断上涨，日本、美国和德国等国家对氢燃料发动机进行了大量的研究攻关，日本武藏工业大学与尼桑公司于1990年合作研制成功的“武藏汽车”液氢汽车在世界氢能会议上展出，展示了液氢汽车研制取得的最新成果。2001年，BMW公司举办“清洁能源世界巡展”，宝马公司向世界展示了它的氢燃料汽车，引起世界的广泛关注。从此，氢能进入了一个规划、研究、开发与应用的新时期。2007年，欧盟委员会发起并推广了发动机燃氢技术，设立了一个名为HyICE的氢发动机项目，该项目由10个欧洲伙伴共同完成，实现了对氢发动机的优化控制，并成功研发出一款氢发动机，和传统的燃油发动机相比，该发动机无论是性能还是成本都具有很大的优势，其升功率达到100千瓦，这也是研究人员首次充分利用氢的特性所研制的氢发动机。

2.2 氢发动机在国内的研究概况

我国在发动机燃氢技术的研究方面比较薄弱，不过发展很快。浙江大学、华北水利水电大学对原有的传统发动机进行改造，加装供氢和燃氢喷射系统，并对发动机采用了模糊神经网络控制，经过反复试验，有效降低了氢发动机出现异常燃烧的现象。试验结果表明采用正确的喷氢策略、选择恰当的喷射提前角以及点火提前角都能在一定程度上减少氢燃料发动机的异常燃烧现象以及降低NO的排放，并能有效地提高发动机的动力输出。2006年8月，由北京飞驰绿能公司、北京工业大学、北京益麦斯科技公司联合成功研制了一辆用汽油和氢气作为混合燃料的伊兰特轿车。2007年6月，我国完全自主研制的第一台氢发动机在长安集团成功的点火，标志着我国氢发动机技术已经取得实质性的进展。经过这些年不断的探索，国内在发动机燃氢技术方面取得了一定的收获，对我国氢发动机的研发奠定了良好的基础，但无论是研究的广度或深度，跟国外同行还存在巨大的差距。

3 氢发动机的发展趋势

国内外进行氢发动机的相关研究目前都仅限于氢-汽油，氢-柴油混合燃料发动机的初步研究。纯氢发动机的研究很少。这一阶段的研究主要集中在燃烧机理的研究和对燃烧规律的认识，一般燃烧过程采用化油器或进气管喷射的预混式外部混合气形成方式，发动机异常燃烧和提高功率及降低NOx的矛盾始终困扰着研究的进展。上世纪90年代末期，特别是进入21世纪以来，随着计算机技术和控制技术的不断发展，传统燃料发动机的电控技术逐步实用化，具有优化控制特征的燃料直接喷入燃烧室内的内部混合气形成方式的研究逐步受到重视，为解决发动机异常燃烧和提高功率及降低NOx矛盾提供了新的思路和方法。但系统地研究纯氢燃料车用发动机的燃烧控制模型、优化控制规律和电控技术尚有待于深入进行。

面对氢发动机发展所面临的问题，氢发动机的进一步研究将围绕以下几个方面进行：

3.1 对氢发动机的燃烧过程和燃烧机理及工作过程数值模拟进行进一步的深入研究，从理论上揭示不同运转参数、结构参数下氢发动机的燃烧规律及它们对发动机性能的影响规律，和异常燃烧机理及NOx产生的机理。不断发展氢发动机的早燃、回火、爆燃等异常燃烧的控制技术及NOx的抑制技术，发展解决提高功率、改善燃烧效率和抑制异常燃烧、降低排放之间矛盾的技术。

3.2 采取缸内高压直喷技术，探讨高压喷射系统，进气系统和燃烧室之间的优化匹配，实现氢和空气的高效混合。针对氢燃料的特性，对一些特殊部件采用特殊材料，不断改进燃料喷射系统。

3.3 发展氢发动机先进的优化控制技术，不断提高氢发动机的功率和热效率，降低NOx的排放。在实际应用中应综合考虑多项指标中的主次，采用优化控制技术对发动机的运转参数和结构参数，如喷氢正时、喷氢量、点火正时、压缩比等实施优化控制，在不发生异常燃烧的情况下使一种或几种性能达到优化，使发动机在各工况下工作在最佳状态，达到高效、低NOx排放和各方面均优越的性能。这个领域的研究将是未来的热点研究内容之一。

3.4 加大对先进电控系统的研究，实现氢发动机工作过程的优化。电控技术与分层燃烧、稀薄混合气燃烧、快速燃烧等技术相结合可以优化控制氢发动机的点火正时、喷氢正时和喷氢量，以消除异常燃烧，有效降低NOx排放，提高氢发动机的功率并改善其燃烧效率。

除了上述方法和技术可以解决氢发动机发展所面临的问题以外，还可以采用增压、中冷、EGR等技术来解决异常燃烧与提高氢发动机功率的矛盾。对氢发动机异常燃烧机理的研究和对燃烧规律的认识，将从根本上解决氢发动机提高功率和异常燃烧、NOx排放的矛盾。而氢发动机的优化控制技术是解决提高功率、改善燃烧效率与降低NOx，并能保证发动机正常燃烧之间矛盾的最有效手段，是今后研究的热点之一。