新型內(nèi)燃機設計匯報

1、新型內(nèi)燃機設計匯報新型內(nèi)燃機設計匯報氫燃料內(nèi)燃機的設計匯報小組：氫燃料的利用前景氫燃料的利用前景 隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的高速發(fā)展以及世界人口的迅猛增長，人類對能源的需求越來越大雖然煤、石油等化石燃料在當前的能源結構中仍占很大比例，但是，一方面，化石燃料的使用帶來了嚴重的環(huán)境污染，嚴重威脅了人類的健康和生存；另一方面，由于化石燃料是一種有限、不可再生的資源，日益增長的能源需求帶來了嚴重的能源危機。因此，開發(fā)和利用清潔、高效的可再生能源是當前全球急待解決的任務。而氫能作為2l世紀的綠色能源，由于具備電能和熱能所沒有的可儲存性，使它成為最好的可再生能源的載體，也得到世界各國的關注。近年來，氫能的研究和開發(fā)工

2、作已經(jīng)形成一個不小的高潮，氫能經(jīng)濟新時代正向我們走 來。 氫能經(jīng)濟可以理解為以氫能等清潔能源為主的清潔經(jīng)濟，是充分利用氫的優(yōu)越性質(zhì)，以人類需求和市場為目標，所進行的氫能研發(fā)、生產(chǎn)、儲存、運輸、經(jīng)營、管理等經(jīng)濟活動的總稱。發(fā)展氫能經(jīng)濟可以部分擺脫人類對化石能源的依賴，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展氫燃料的優(yōu)越性氫燃料的優(yōu)越性(1) 氫氣的單位質(zhì)量低熱值高約是汽油低熱值的217倍。(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,同時可以降低最高燃燒溫度,大幅度地減少NOx 的排放量。(3) 自燃溫度較高氫的自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。(4) 點火能量很

3、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01020mJ。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?2191m / s) ,是汽油的7172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。(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

4、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NOx氫燃料的局限性氫燃料的局限性 難制?。褐迫渥罘奖愕耐緩綉撌请娊馑?但是這種方式耗能大,這也是氫能不能被大規(guī)模利用的原因-制取成本高. 難貯存運輸：加壓后使其液化然后運輸.一般來說由于氫化學性質(zhì)活潑,極其容易爆炸,因此氫的貯存和運輸要求都很嚴格.氫燃料投入到內(nèi)燃機設計中的面臨的挑戰(zhàn)氫燃料投入到內(nèi)燃機設計中的面臨的挑戰(zhàn) 由于氫燃料與石油燃料的物化特性有著明顯的差異, 采取外部混合氣形成方式組織氫內(nèi)燃機的混合氣形成和燃燒, 將出現(xiàn)嚴重的

5、回火、早燃等異常燃燒現(xiàn)象, 并產(chǎn)生較多的NOx (氫燃料內(nèi)燃機的唯一有害排放物)。缸內(nèi)噴射雖可消除回火, 但混合氣形成時間短, 而且與汽油相比, 氫的密度很小,因而在高壓空氣中, 氫噴束的噴射速度較低, 射程較短, 不利于及時形成混合氣, 內(nèi)燃機功率和指示熱效率降低。為此, 內(nèi)燃機異常燃燒與提高功率的矛盾始終困擾著研究的發(fā)展。當前氫燃料投入引發(fā)的問題當前氫燃料投入引發(fā)的問題 氫燃料內(nèi)燃機的異常燃燒與功率下降。 由于氫具有寬廣的著火范圍和較小的點火能量,故容易發(fā)生早燃;氫的火焰?zhèn)鞑O快,對于外部形成混合氣的氫燃料內(nèi)燃機,當增加混合氣濃度來提高發(fā)動機功率時就容易出現(xiàn)回火; 由于氫的密度低,使得外部

6、混合氣方式的氫燃料發(fā)動機功率降低;氫和空氣按化學當量比混合時,由于燃燒溫度高,發(fā)動機熱負荷高,而且排氣中NOx 排量將迅速增加等。針對問題的分析針對問題的分析 總結異常燃燒和NO_X的抑制技術。指出采用內(nèi)部混合氣形成方式且高壓噴射的氫發(fā)動機，有利于提高充氣效率和壓縮比，從而改善發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性；有利于擴展發(fā)動機正常工作的濃度范圍；并且有利于實現(xiàn)稀薄混合氣快速燃燒，從而可以有效地抑制早燃、回火及爆燃等異常燃燒和NO_X排放量。提出解決方案提出解決方案氫燃料內(nèi)燃機采用化油器或進氣管噴射的預混式外部混合氣形成方式和燃料直接噴入燃燒室內(nèi)的內(nèi)部混合氣形成方式。后者又有低壓噴射型(即氫在壓縮行程前半

7、行程噴入) 、高壓噴射型(即氫在壓縮行程末期將壓力為6MPa以上的氫噴入氣缸) 。采取預混式外部混合氣形成方式的氫發(fā)動機輸出功率低,易發(fā)生回火、早燃等不正常燃燒。從氫發(fā)動機的特殊性著手,電控氫發(fā)動機的噴氫正時、循環(huán)噴油量、點火正時,實現(xiàn)燃燒過程的優(yōu)化控制,是使氫發(fā)動機具有高效、低NOx 排放和各方面性能優(yōu)越的關鍵技術。新型氫燃料內(nèi)燃機結構圖示新型氫燃料內(nèi)燃機結構圖示圖13種類型的氫燃料內(nèi)燃機與汽油機的比較新型氫燃料內(nèi)燃機介紹（缸外預混合式）新型氫燃料內(nèi)燃機介紹（缸外預混合式）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

8、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),導致可吸入空氣量減少,最終形成的氫與空氣的理論混合氣熱值降低,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117%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)動機的熱效率提高壓縮比以提高發(fā)動機的熱效率; ;

9、采用液態(tài)氫氣噴射方式采用液態(tài)氫氣噴射方式, ,以降低進氣溫度以降低進氣溫度, ,提高充量密提高充量密度度, ,如圖如圖1 ( c)1 ( c)所示所示, ,與氣態(tài)噴射相比與氣態(tài)噴射相比, ,氫燃料及空氣充量氫燃料及空氣充量都有明顯增加都有明顯增加, ,可以部分地恢復功率可以部分地恢復功率; ; 缸內(nèi)直接噴射氣態(tài)氫方式缸內(nèi)直接噴射氣態(tài)氫方式, ,即在壓縮沖程前期噴射即在壓縮沖程前期噴射, ,最最大限度地提高充氣效率大限度地提高充氣效率, ,提高氫氣發(fā)動機功率提高氫氣發(fā)動機功率; ; 采用增壓系統(tǒng)采用增壓系統(tǒng), ,如如BMW 735 iBMW 735 i轎車配備的轎車配備的315L 6315L 6

10、缸火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。機的功率。新型氫燃料內(nèi)燃機介紹（缸內(nèi)噴射性）新型氫燃料內(nèi)燃機介紹（缸內(nèi)噴射性） 缸內(nèi)直接噴射氫氣發(fā)動機,由于氫氣不再占據(jù)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。氫燃料內(nèi)燃機

11、氫燃料內(nèi)燃機NOx NOx 排放的控制策略排放的控制策略(1) (1) 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, ,在啟在啟動、怠速及小負荷階段供給內(nèi)燃機較稀薄的混合氣動、怠速及小負荷階段供給內(nèi)燃機較稀薄的混合氣, ,以獲得最低的以獲得最低的NOx NOx 排排放特性和最高的熱效率放特性和最高的熱效率, ,最低混合氣濃度可控制在最低混合氣濃度可控制在0.20.20.30.3倍當量濃度范倍當量濃度范圍內(nèi)圍內(nèi), ,通過增大節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)功率輸出通過增大節(jié)氣門開度來調(diào)節(jié)功率輸出, ,直至節(jié)氣門全開。這一階段直至節(jié)氣門全開。這一階

12、段, ,內(nèi)內(nèi)燃機的功率調(diào)節(jié)為典型的量調(diào)節(jié)。燃機的功率調(diào)節(jié)為典型的量調(diào)節(jié)。(2) (2) 中等負荷階段當內(nèi)燃機負荷進一步增加時中等負荷階段當內(nèi)燃機負荷進一步增加時, ,由于節(jié)氣門已經(jīng)處于全開由于節(jié)氣門已經(jīng)處于全開位置位置, ,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)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調(diào)節(jié)。這一階段混合氣濃度控制的最大值應以NOxNOx 的產(chǎn)生量不高于設計期望值為限。這一限值在的產(chǎn)生量不高于設計期望值為限。這一限值在0.50.50.70.7倍當量濃度范圍內(nèi)倍當量濃度范圍內(nèi)。 (3) (3) 大負荷階段

13、當內(nèi)燃機的負荷再增加時大負荷階段當內(nèi)燃機的負荷再增加時, ,為限制為限制NOx NOx 的排放量的排放量, ,混合氣的混合氣的濃度不再連續(xù)地增高濃度不再連續(xù)地增高, ,而是直接跳躍到理論混合濃度而是直接跳躍到理論混合濃度, ,同時開啟同時開啟EGREGR控制閥控制閥并控制并控制EGREGR控制閥的開度。內(nèi)燃機輸出負荷的大小完全取決于控制閥的開度。內(nèi)燃機輸出負荷的大小完全取決于EGREGR量。量。結束語結束語歐美日的一些大的汽車公司已經(jīng)借助自身強大的產(chǎn)品開發(fā)平臺,在氫內(nèi)燃機的研究和開發(fā)方面做了大量的探索和實際應用,在氫燃料供應與安全、排放控制、電子管理系統(tǒng)開發(fā)等方面有深厚的理論與實踐研究,形成了一定的研發(fā)能力和初步的生產(chǎn)規(guī)模,表現(xiàn)出了對于氫內(nèi)燃機推廣的堅實的信心和雄厚的實力. 隨著中國城市化進程加快,不少大、中型城市的大氣污染,正在由單純的煤煙型污染向煤煙型與機動車排氣污