可實(shí)現(xiàn)零排放的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)德

M.CECH M.KNAPE T.WILFERT C.REISER

摘要

從技術(shù)層面而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率與廢氣排放之間往往存在著相互矛盾的情況。德國WTZ公司開發(fā)了1款新型發(fā)動(dòng)機(jī)，通過將空氣中的氮?dú)馓鎿Q成不參與反應(yīng)的惰性氣體，以避免氮氧化物（NOx）的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞

零排放;氫燃料;惰性氣體;氮氧化物

0 前言

近年來，隨著可再生能源的發(fā)展，1990年德國國內(nèi)的可再生能源發(fā)電量已達(dá)到18.9 TW·h，2018年的這一指標(biāo)已達(dá)225.7 TW·h，且在總電能消耗量中的比例已提高到了37.8%[1]，但由此面臨的問題是通過可再生能源產(chǎn)生的發(fā)電量并不穩(wěn)定。目前，德國國內(nèi)約有2/3的電能來自于風(fēng)能和太陽能，剩下約1/3的電能來自于生物質(zhì)能和水能。雖然這幾種能源可在一定程度上進(jìn)行相互補(bǔ)償，但是風(fēng)能和太陽能的穩(wěn)定性較弱，無法在任何時(shí)候都滿足需求。研究人員進(jìn)行了估算，到2050年，約有80.0 TW·h的過剩電能將被用于蓄能[2]。為了轉(zhuǎn)換能源形式，相關(guān)研究人員認(rèn)為德國政府需要充分利用蓄能技術(shù)。以抽水蓄能發(fā)電站為例，其已提供了1種高效的蓄能形式，但該方案由于受到地理?xiàng)l件的約束，其能源轉(zhuǎn)換過程受到較大限制。相反，采用電能制取氣體燃料（Power-to-Gas）的技術(shù)則不受地理位置的限制。通過電解水制取氫燃料，然后可將其儲(chǔ)存在天然氣管網(wǎng)或儲(chǔ)氫罐中，也可將其轉(zhuǎn)換成其他能源形式。為了充分使用氫燃料，再將其轉(zhuǎn)換成電能，燃料電池或內(nèi)燃機(jī)特別適合于獨(dú)立式熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電站（BHKW），但是2種系統(tǒng)均有其各自的缺點(diǎn)。與內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池具有更高的生產(chǎn)成本，更短的使用壽命，并對氫燃料的純度有著較高要求，而且需要一定面積的生產(chǎn)用地。同時(shí)，燃用氫燃料的內(nèi)燃機(jī)的效率通常比燃料電池更低，并會(huì)排放有損于居民健康的氮氧化物（NOx）。研究人員可通過開發(fā)1種不存在上述缺陷的內(nèi)燃機(jī)，充分繼承這2種裝置的優(yōu)勢，其關(guān)鍵技術(shù)是充分利用在電解水過程中被當(dāng)成廢棄物的氧氣。如果研究人員將這些氧氣儲(chǔ)存起來，就可將其運(yùn)用到氫燃料的燃燒過程中，并使整機(jī)具有更高的燃燒效率。根據(jù)上文中介紹的研究計(jì)劃，德國WTZ公司的目標(biāo)是充分了解1種全新燃燒過程的基本原理，同時(shí)使該燃燒過程不會(huì)產(chǎn)生廢氣排放，并具有較高的有效效率。

1 LocalHy合作項(xiàng)目

隨著LocalHy合作項(xiàng)目的開展，研究人員能借助于可再生能源來進(jìn)行電解水，并采用不同的方法來充分利用氫燃料和氧氣。該項(xiàng)目是德國政府創(chuàng)新規(guī)劃發(fā)展進(jìn)程的一部分。該創(chuàng)新規(guī)劃發(fā)展進(jìn)程是在氫能網(wǎng)絡(luò)（HYPOS）倡議指導(dǎo)下，由德國聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）進(jìn)行制定的，并且有20家企業(yè)參與了合作。WTZ公司的任務(wù)是開發(fā)出1款新型的零排放發(fā)動(dòng)機(jī)，并制成示范樣機(jī)。零排放發(fā)動(dòng)機(jī)與壓力電解過程和儲(chǔ)氣罐的組合具有較高的技術(shù)潛力（圖1）。

2 采用新循環(huán)的零排放發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理

新款零排放發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案是將進(jìn)氣管路和排氣管路接入循環(huán)中，如圖2所示。這種方法所需要的部件可實(shí)現(xiàn)自行循環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)通過增壓系統(tǒng)吸入氧氣，而氫燃料是直接噴入氣缸的。除此以外，研究人員在排氣門后設(shè)置了1個(gè)廢氣熱交換器。研究人員將氬氣這類惰性氣體作為載體，使其在零排放發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，而其換氣過程與四行程發(fā)動(dòng)機(jī)相似（圖2（a））。在換氣過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來吸入混合氣，以此維持循環(huán)的持續(xù)運(yùn)行，吸入的氧氣與噴入缸內(nèi)的氫燃料混合，在燃燒室中燃燒時(shí)就會(huì)產(chǎn)生水蒸氣，在其下游的廢氣熱交換器中，水蒸氣溫度會(huì)被冷卻至100 ℃以下，從而凝結(jié)成水。液化的水蒸氣與惰性氣體分離后從循環(huán)中排出。存在于循環(huán)中的惰性氣體及剩余氧氣會(huì)在混合設(shè)備中重新與增壓吸入的氧氣混合，并在后續(xù)的進(jìn)氣行程中重新進(jìn)入燃燒室。

在采用了缸內(nèi)直噴方案后，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣過程及燃燒過程與柴油機(jī)相似，由于混合氣為非均質(zhì)狀態(tài)，因此會(huì)產(chǎn)生NOx排放[4-5]，而新款的零排放發(fā)動(dòng)機(jī)由于不采用氮?dú)鈪⑴c循環(huán)，因此不會(huì)形成NOx。此外，研究人員通過選擇1種具有較高等熵指數(shù)的單原子惰性氣體作為載體，能夠進(jìn)一步提高整機(jī)熱效率。

圖3示出了不同惰性氣體在參與混合循環(huán)后，其熱效率與壓縮比的關(guān)系。在圖3中，氮?dú)膺@類惰性氣體可用于代表由常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)吸入的空氣。與采用氮?dú)獾某Ｒ?guī)循環(huán)相比，采用氬氣的混合循環(huán)的理論效率最多要高出約15%。

3 在單缸試驗(yàn)機(jī)上開展的預(yù)試驗(yàn)研究

試驗(yàn)在1臺(tái)缸徑為128 mm且壓縮比為15.5的單缸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，燃燒過程采用了類似于柴油機(jī)的電熱塞。其中，為了使氫燃料自行著火，研究人員需要將電熱塞作為點(diǎn)火源[6]。

4 50%工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)的變化

為了通過調(diào)節(jié)氫燃料噴射始點(diǎn)來對50%工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)（α50%）進(jìn)行調(diào)整，研究人員采用了2種測量方案。其中，第1款發(fā)動(dòng)機(jī)以常規(guī)的空氣作為工質(zhì)（不采用氧氣），第2款發(fā)動(dòng)機(jī)則采用氬氣運(yùn)行。在混合設(shè)備中，約有21%（體積百分比）的氧氣與氬氣進(jìn)行了混合。在發(fā)動(dòng)機(jī)對50%工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整的過程期間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、氣缸前溫度和輸入的能量等參數(shù)均保持不變，平均指示壓力pmi為0.55 MPa。對濕度的測量表明，在廢氣冷卻設(shè)備后部及氣缸前部的位置，會(huì)出現(xiàn)部分飽和且濕度較高的氬氣，試驗(yàn)結(jié)果示于圖4。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用空氣運(yùn)行時(shí)，50%燃燒重心位置會(huì)處于6.0～8.0 °CA范圍內(nèi)，而采用氬氣運(yùn)行時(shí)，最佳燃燒重點(diǎn)位置則會(huì)前移到4.5～6.0 °CA。發(fā)動(dòng)機(jī)采用氬氣運(yùn)行時(shí)的指示效率會(huì)比采用空氣運(yùn)行時(shí)高出約6.5%。在上述2種情況下的最高燃燒壓力pmax均會(huì)隨著燃燒重點(diǎn)位置的前移而逐步提高。

圖4 50%工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)的變化

與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，新款發(fā)動(dòng)機(jī)在采用氬氣運(yùn)行時(shí)，因其等熵指數(shù)較大，最高燃燒壓力要高出約1.2 MPa。新款發(fā)動(dòng)機(jī)在采用氬氣運(yùn)行時(shí)，雖然最高燃燒壓力較高，但是其最大壓力升高梯度卻仍低于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)。圖5示出了2種發(fā)動(dòng)機(jī)在相同運(yùn)行模式下，指示效率與最高燃燒壓力的關(guān)系曲線。常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)即使進(jìn)一步提升最高燃燒壓力，效率也無法與新款零排放發(fā)動(dòng)機(jī)相比。

圖5 50%工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)隨最高燃燒壓力的變化

為了說明發(fā)動(dòng)機(jī)在該循環(huán)下運(yùn)行時(shí)具有更好的燃燒穩(wěn)定性，圖6示出了其各自在250個(gè)循環(huán)下的氣缸壓力曲線。除了壓縮壓力有所提升之外，新款零排放發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程具有明顯更好的穩(wěn)定性。常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行壓力曲線的高低差異表明了混合過程的不均勻性[7]和充量分層現(xiàn)象，而這種效應(yīng)在零排放發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中并不會(huì)出現(xiàn)。

圖6 在經(jīng)歷了250個(gè)工作循環(huán)的條件下，2款發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力曲線的比較

5 整機(jī)和BHKW

LocalHy研究項(xiàng)目的基本目標(biāo)是對各種發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行比較。其中，根據(jù)相關(guān)原理，研究人員將零排放發(fā)動(dòng)機(jī)作為試驗(yàn)樣機(jī)，氫噴射器由1個(gè)專門制作的高壓共軌系統(tǒng)來進(jìn)行供氣，氧氣的混合過程與單缸試驗(yàn)機(jī)類似。可自由編程的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元模塊也含有對氧氣的供應(yīng)調(diào)節(jié)功能，此外還有配裝了氫燃料和氧氣的輸送管道、針對氬氣的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、氣體報(bào)警裝置和BHKW中的配電系統(tǒng)等。

6 結(jié)論和展望

在利用高壓電解過程制取氫燃料和氧氣方面，WTZ公司已開發(fā)出了1款采用新循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)，可充分實(shí)現(xiàn)零排放，其工作原理類似于柴油機(jī)的電熱塞燃燒過程，并可作為可再生能源來制取氫燃料。

與常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，采用新循環(huán)的零排放發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)產(chǎn)生排放，而且運(yùn)行效率提高了6.5%。新款發(fā)動(dòng)機(jī)可通過增壓系統(tǒng)吸入氧氣，并通過高壓噴射系統(tǒng)噴射氫燃料，因此具有較高的自由度。由于不需要考慮廢氣渦輪增壓器的增壓壓力和廢氣排放等情況所產(chǎn)生的制約，研究人員目前已開展了針對其他燃燒過程的試驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]Umweltbundesamt， fachgebiet v 1.5： erneuerbare energien in Deutschland-daten zur entwicklung im jahr 2018[OL]. https：//www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/uba_hgp_eeinzahlen_2019_bf.pdf.

[2]STERNER M，STADLER I. Energiespeicher-bedarf， technologien， integration[C]. 2. Auflage.Berlin/Heidelberg，Springer， 2017.

[3]Forschungsprojekt LocalHy[OL]. https：//www.localhy.de/， aufgerufen： 3.

[4]ROTTENGRUBER H.Untersuchung der stickoxidbildung an einem wasserst off-dieselmotor[D]. München： Technische Universitt München， 1999.

[5]SPULLER C.Dieselbrennverfahren mit wasserstoff für pkw-anwendungen[D]. Graz： Technische Universitt Graz，2011.

[6]PRECHTL P，DORER F.Wasserstoff-dieselmotor mit direkteinspritzung， hoher leistungsdichte und geringer abgasemission， teil 2[J]. MTZ，1999，60（12）：830-837.

[7]JORACH R W.Brennverfahren für einen wasserstoff-omnibusmotor mit niedriger stickoxidemission[D]. Stuttgart： Universitt Stuttgart， 1996.

范明強(qiáng) 譯自 MTZ，2021，82（4）

伍賽特 編輯

（收稿時(shí)間：2021-04-20）