氫能源發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊英哲

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011）

氫能源發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

楊英哲

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011）

為推動(dòng)科技的進(jìn)步以及減少汽車(chē)的尾氣排放，降低能源的消耗，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外大批相關(guān)工作人員致力于研究氫能源發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)氫發(fā)動(dòng)機(jī)）并且不斷解決氫發(fā)動(dòng)機(jī)在應(yīng)用中出現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題，本文著重介紹氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

氫能源；發(fā)動(dòng)機(jī)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入21世紀(jì)，汽車(chē)工業(yè)得到了迅猛地發(fā)展，然而目前汽油機(jī)和柴油機(jī)依然是車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要機(jī)種。汽油和柴油都是不可再生資源，為了緩解石油資源匱乏所帶來(lái)的一系列負(fù)面影響以及減輕大氣污染和汽車(chē)尾氣排放，需要尋找發(fā)動(dòng)機(jī)的代用燃料，而氫能源是目前最理想的清潔燃料。氫能源是眾多替代能源中的一種可再生能源，熱值高，并且燃燒后大部分生成物是水蒸氣，是一種理想的綠色燃料。作為代用燃料的氫能源可以解決兩大難題：一是石油燃料儲(chǔ)量有限，二是使用石油燃料帶來(lái)的環(huán)境污染。

1 氫燃料作為代用燃料的理想性

首先這是由氫燃料的高效、清潔燃燒特性決定的。氫是不含碳的燃料，燃燒后生成H2O，不會(huì)生成CO，HC，CO2及硫化物。其次雖然在自然界中氫的含量比較少，但是氫的分布很廣，含氫的化合物在自然界中也很多，其中最常見(jiàn)的一種方式就是電解水就可以得到氫氣，因而它是一種很有發(fā)展前景的新型替代能源。

氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料主要有以下特點(diǎn)：氫與空氣的理論混合氣標(biāo)態(tài)熱值為3.186MJ/m3,大約低于汽油的18%，但氫的單位質(zhì)量低熱值約是汽油低熱值的2.7倍；氫氣比甲烷的自燃溫度更高，能承受更大的壓縮比，使得氫發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率得到提高，較高的自燃溫度使得氫發(fā)動(dòng)機(jī)易于點(diǎn)燃而不易于壓燃；著火界限比較寬，氫發(fā)動(dòng)機(jī)能比較容易地實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，提高了燃油利用率，在當(dāng)前節(jié)能減排的大環(huán)境下更具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；氫氣的點(diǎn)火能量很低，因此氫發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性，能有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)冷車(chē)狀態(tài)下不易啟動(dòng)的問(wèn)題；燃燒速率很大，火焰?zhèn)鞑ニ俣仁瞧偷?倍，幾乎相當(dāng)于等容燃燒，熱效率得以很大提高，從而降低了循環(huán)變動(dòng)，對(duì)湍流強(qiáng)度，進(jìn)氣渦流和燃燒室形狀的敏感度；擴(kuò)散系數(shù)比較大，大概是汽油的9倍，與汽油相比，更容易與空氣形成比較均勻的混合氣；氫氣燃燒產(chǎn)生的排放物不產(chǎn)生一氧化碳及碳?xì)浠?，主要生成物是水，產(chǎn)生一定量的NOx。

2 氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研究歷程

2.1 氫發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)外的研究概況

19世紀(jì)中期，國(guó)外的氫發(fā)動(dòng)機(jī)率先起步。世界上第一臺(tái)氫發(fā)動(dòng)機(jī)誕生于德國(guó)慕尼黑。研制的契機(jī)是二戰(zhàn)期間，德國(guó)的汽油嚴(yán)重短缺。第一次全面研究氫發(fā)動(dòng)機(jī)的科學(xué)工作者，當(dāng)屬英國(guó)學(xué)者波斯托爾（Burstoll）和里卡多（Ricardo），兩人耗費(fèi)20年時(shí)間詳細(xì)研究了氫發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和工作過(guò)程，對(duì)后人的幫助很大。魯多夫艾倫（Rudolph Erren）首次將氫氣通過(guò)小型噴嘴直接噴入缸體內(nèi)部，進(jìn)行缸內(nèi)混合。

20世紀(jì)最后幾十年，隨著金融危機(jī)油價(jià)不斷上漲，日本、美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家對(duì)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量的研究攻關(guān)，日本武藏工業(yè)大學(xué)與尼桑公司于1990年合作研制成功的“武藏汽車(chē)”液氫汽車(chē)在世界氫能會(huì)議上展出，展示了液氫汽車(chē)研制取得的最新成果。2001年，BMW公司舉辦“清潔能源世界巡展”，寶馬公司向世界展示了它的氫燃料汽車(chē)，引起世界的廣泛關(guān)注。從此，氫能進(jìn)入了一個(gè)規(guī)劃、研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的新時(shí)期。2007年，歐盟委員會(huì)發(fā)起并推廣了發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)浼夹g(shù)，設(shè)立了一個(gè)名為HyICE的氫發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，該項(xiàng)目由10個(gè)歐洲伙伴共同完成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化控制，并成功研發(fā)出一款氫發(fā)動(dòng)機(jī)，和傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，該發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論是性能還是成本都具有很大的優(yōu)勢(shì)，其升功率達(dá)到100千瓦，這也是研究人員首次充分利用氫的特性所研制的氫發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.2 氫發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)內(nèi)的研究概況

我國(guó)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)浼夹g(shù)的研究方面比較薄弱，不過(guò)發(fā)展很快。浙江大學(xué)、華北水利水電大學(xué)對(duì)原有的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造，加裝供氫和燃?xì)鋰娚湎到y(tǒng)，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)采用了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，有效降低了氫發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常燃燒的現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明采用正確的噴氫策略、選擇恰當(dāng)?shù)膰娚涮崆敖且约包c(diǎn)火提前角都能在一定程度上減少氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的異常燃燒現(xiàn)象以及降低NO的排放，并能有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。2006年8月，由北京飛馳綠能公司、北京工業(yè)大學(xué)、北京益麥斯科技公司聯(lián)合成功研制了一輛用汽油和氫氣作為混合燃料的伊蘭特轎車(chē)。2007年6月，我國(guó)完全自主研制的第一臺(tái)氫發(fā)動(dòng)機(jī)在長(zhǎng)安集團(tuán)成功的點(diǎn)火，標(biāo)志著我國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。經(jīng)過(guò)這些年不斷的探索，國(guó)內(nèi)在發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)浼夹g(shù)方面取得了一定的收獲，對(duì)我國(guó)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)，但無(wú)論是研究的廣度或深度，跟國(guó)外同行還存在巨大的差距。

3 氫發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外進(jìn)行氫發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究目前都僅限于氫-汽油，氫-柴油混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的初步研究。純氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研究很少。這一階段的研究主要集中在燃燒機(jī)理的研究和對(duì)燃燒規(guī)律的認(rèn)識(shí)，一般燃燒過(guò)程采用化油器或進(jìn)氣管?chē)娚涞念A(yù)混式外部混合氣形成方式，發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒和提高功率及降低NOx的矛盾始終困擾著研究的進(jìn)展。上世紀(jì)90年代末期，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的電控技術(shù)逐步實(shí)用化，具有優(yōu)化控制特征的燃料直接噴入燃燒室內(nèi)的內(nèi)部混合氣形成方式的研究逐步受到重視，為解決發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒和提高功率及降低NOx矛盾提供了新的思路和方法。但系統(tǒng)地研究純氫燃料車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒控制模型、優(yōu)化控制規(guī)律和電控技術(shù)尚有待于深入進(jìn)行。

面對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展所面臨的問(wèn)題，氫發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步研究將圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

3.1 對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程和燃燒機(jī)理及工作過(guò)程數(shù)值模擬進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，從理論上揭示不同運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)下氫發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒規(guī)律及它們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響規(guī)律，和異常燃燒機(jī)理及NOx產(chǎn)生的機(jī)理。不斷發(fā)展氫發(fā)動(dòng)機(jī)的早燃、回火、爆燃等異常燃燒的控制技術(shù)及NOx的抑制技術(shù)，發(fā)展解決提高功率、改善燃燒效率和抑制異常燃燒、降低排放之間矛盾的技術(shù)。

3.2 采取缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)，探討高壓噴射系統(tǒng)，進(jìn)氣系統(tǒng)和燃燒室之間的優(yōu)化匹配，實(shí)現(xiàn)氫和空氣的高效混合。針對(duì)氫燃料的特性，對(duì)一些特殊部件采用特殊材料，不斷改進(jìn)燃料噴射系統(tǒng)。

3.3 發(fā)展氫發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)的優(yōu)化控制技術(shù)，不斷提高氫發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和熱效率，降低NOx的排放。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮多項(xiàng)指標(biāo)中的主次，采用優(yōu)化控制技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，如噴氫正時(shí)、噴氫量、點(diǎn)火正時(shí)、壓縮比等實(shí)施優(yōu)化控制，在不發(fā)生異常燃燒的情況下使一種或幾種性能達(dá)到優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下工作在最佳狀態(tài)，達(dá)到高效、低NOx排放和各方面均優(yōu)越的性能。這個(gè)領(lǐng)域的研究將是未來(lái)的熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。

3.4 加大對(duì)先進(jìn)電控系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)氫發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的優(yōu)化。電控技術(shù)與分層燃燒、稀薄混合氣燃燒、快速燃燒等技術(shù)相結(jié)合可以?xún)?yōu)化控制氫發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火正時(shí)、噴氫正時(shí)和噴氫量，以消除異常燃燒，有效降低NOx排放，提高氫發(fā)動(dòng)機(jī)的功率并改善其燃燒效率。

除了上述方法和技術(shù)可以解決氫發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展所面臨的問(wèn)題以外，還可以采用增壓、中冷、EGR等技術(shù)來(lái)解決異常燃燒與提高氫發(fā)動(dòng)機(jī)功率的矛盾。對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒機(jī)理的研究和對(duì)燃燒規(guī)律的認(rèn)識(shí)，將從根本上解決氫發(fā)動(dòng)機(jī)提高功率和異常燃燒、NOx排放的矛盾。而氫發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化控制技術(shù)是解決提高功率、改善燃燒效率與降低NOx，并能保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常燃燒之間矛盾的最有效手段，是今后研究的熱點(diǎn)之一。

4 結(jié)語(yǔ)

氫能源在發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用對(duì)于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境具有重要意義，同時(shí)又是面向未來(lái)的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性工作。氫能是在常規(guī)能源出現(xiàn)危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下被人們所關(guān)注的。氫能源以其潔凈性和資源的永久再生性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使得氫燃料汽車(chē)的開(kāi)發(fā)與研究正在受到世界各國(guó)的青睞。

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1003-5168(2014)03-0093-02

楊英哲（1989—），男，漢族，河南省孟津縣人，工學(xué)碩士。