內(nèi)燃機(jī)的資料

氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展展望【摘要］介紹了氫氣及氫燃料內(nèi)燃機(jī)的特點(diǎn)及氫燃料內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀。通過對比分析指出氫燃料內(nèi)燃機(jī)既可以采用清潔可再生能源，又可以充分利用現(xiàn)有的龐大工業(yè)體系，是實(shí)現(xiàn)氫氣經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)實(shí)途徑。一前言使氫氣轉(zhuǎn)變?yōu)槠噭?dòng)能有兩種主要途徑：(1)氫氣作為車用內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒作功；(2）氫氣應(yīng)用于燃料電池。但燃料電池系統(tǒng)在能量密度、體積、質(zhì)量、反應(yīng)速度及成本等方面的問題還未很好解決，相關(guān)技術(shù)距實(shí)用還有相當(dāng)一段距離。而用氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料，既可以實(shí)現(xiàn)氫能源清潔、可再生的特點(diǎn)，又可以利用目前已經(jīng)充分建立起來的內(nèi)燃機(jī)工業(yè)基礎(chǔ)，且氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率較高，綜合效率與燃料電池效率相當(dāng)，生產(chǎn)及使用成本低，在使用性能、成本等方面較容易被廣大用戶所接受。因此，以氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料已經(jīng)被車輛行業(yè)公認(rèn)為是近階段氫能用于汽車的最現(xiàn)實(shí)、最經(jīng)濟(jì)的途徑。二氫作為車用燃料的發(fā)展歷程以氫為燃料的汽車開發(fā)研究經(jīng)歷了一個(gè)曲折的過程。早在1920年就有人將氫作為燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中試驗(yàn)，但進(jìn)展不大。20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)給各國敲響了警鐘，對氫的研究開始受到人們的關(guān)注。此后，石油供應(yīng)又趨于穩(wěn)定，氫氣汽車的研究又停滯下來。進(jìn)人20世紀(jì)90年代，由于大氣中CO2的增加，地球的溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重。而氫氣燃燒不產(chǎn)生CO2，所以氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開發(fā)再次引起人們的重視。目前，美、德、日等發(fā)達(dá)國家對其研究方興未艾。美國福特公司開發(fā)的U型概念車既可以用汽油，也可以用氫氣作燃料。福特公司宣稱，氫氣能夠?qū)?nèi)燃機(jī)效率提高25％一30%，而這一效率已和氫燃料電池大致一樣。在氫燃料內(nèi)燃機(jī)工作過程中，包括C02在內(nèi)的污染物排放幾乎可以忽略不計(jì)。奔馳公司自20世紀(jì)70年代就開始了這一領(lǐng)域的預(yù)研工作，1978年開發(fā)了第一輛氫燃料樣車，采用氫與空氣均勻混合后從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管吸人氣缸的供給方式。近幾年奔馳公司又將氫燃料項(xiàng)目列人進(jìn)一步的研究課題“HYPASS"，開展氫氣缸內(nèi)噴射的氫燃料樣車試驗(yàn)。寶馬公司從1978年開始開發(fā)以氫氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)汽車。由柴油機(jī)/汽油機(jī)的改造到現(xiàn)在已經(jīng)研發(fā)了6代氫燃料內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的轎車。寶馬公司在BMW735i轎車上進(jìn)行研究試驗(yàn)，配備采用氫氣為燃料的3.5L6缸火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)。氫氣采用液態(tài)貯存方式，每次加注燃料可供汽車行駛299km。該車保留了原來的汽油噴射系統(tǒng)，可以選擇汽油或氫氣燃料工作。氫氣采用多點(diǎn)噴射方式，可防止回火，且進(jìn)一步提高了效率。2004年9月，寶馬集團(tuán)在法國Miramas用一部名為H2R的氫內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車創(chuàng)造了9項(xiàng)速度紀(jì)錄。該車裝備6LV12氫燃料內(nèi)燃機(jī)，最大功率為210kw,o一lookm/h加速約6s，最高速度達(dá)302.4km/h。這表明氫動(dòng)力汽車的性能絲毫不遜于傳統(tǒng)能源汽車。寶馬公司已經(jīng)完成了批量生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作，并在德國的慕尼黑、柏林等大城市建設(shè)了氫氣加氣站，計(jì)劃從2005年開始，逐步將氫燃料內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的轎車推向市場。我國在氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究方面起步較晚，相關(guān)技術(shù)力量比較薄弱。浙江大學(xué)較早開展了氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，并針對氫發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中存在的問題，提出了燃燒改進(jìn)方案；浙江大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)等進(jìn)行了有關(guān)在汽油機(jī)的燃燒過程中加人部分氫氣改善汽油機(jī)燃燒過程的研究；另外，上海交通大學(xué)利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了預(yù)測。但從研究內(nèi)容的廣度和深度上，國內(nèi)與國外還存在較大的差距。我國在氫能源的制取和供應(yīng)上已經(jīng)進(jìn)行了許多卓有成效的工作，為氫燃料內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。三氫氣作為車用內(nèi)燃機(jī)燃料的特點(diǎn)氫燃料與天然氣、汽油等相比，單位質(zhì)量的能量密度高，可燃界限寬，燃燒速度快，是一種良好的車用燃料。表1比較了氫燃料與天然氣、汽油在燃燒特性方面的差異。從表l看出，氫作為內(nèi)燃機(jī)燃料有下列特點(diǎn)。(l）氫氣的單位質(zhì)量低熱值高約是汽油低熱值的2.7倍，但氫與空氣的理論混合氣標(biāo)態(tài)熱值只有3.186MJ／M3，大約低于汽油18％。(2）可燃混合氣濃度范圍很大氫內(nèi)燃機(jī)易于實(shí)現(xiàn)稀薄燃燒，提高經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)可以降低最高燃燒溫度，大幅度地減少NO，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(jī)的熱效率。這一特性也決定了氫燃料內(nèi)燃機(jī)難以像柴油機(jī)那樣采用壓燃點(diǎn)火，而適宜于火花塞點(diǎn)火。(4）點(diǎn)火能量很低盡管氫燃料的自燃點(diǎn)比天然氣、汽油等燃料都要高，但它所需要的點(diǎn)火能量卻很低，最小可以低到0.020mJ。因此，氫燃料內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)幾乎從不失火，并具有良好的啟動(dòng)性。(5）燃燒速度快氫的燃燒反應(yīng)按鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理進(jìn)行，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤?.91而s)，是汽油的7.72倍，在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒時(shí)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(shí)高。(6）氫氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)很大氫氣的擴(kuò)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(kuò)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(qiáng)由此引起的金屬表面脆性和存儲(chǔ)時(shí)的緩慢滲漏也是氫燃料應(yīng)用中的一個(gè)十分棘手的問題。(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。對于車用燃料來講，當(dāng)車輛的續(xù)駛里程一定時(shí)，氫氣所需的儲(chǔ)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NO：。在稀燃狀態(tài)下，NO：的排放量可大大降低。同時(shí)氫氣火焰的淬冷距離比汽油小，因此靠近缸壁激冷層的可燃混合氣燃燒得更完全。四氫氣內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀(2）液態(tài)儲(chǔ)氫液態(tài)儲(chǔ)氫是將高純度的氫經(jīng)過深冷裝置液化，儲(chǔ)存在液氫罐中。液化過程所消耗的能約為氫熱值的30%，因此成本很高。由于液氫的沸點(diǎn)很低，為20.4K（一252.6℃），必須存放在具有良好絕緣性能的雙層真空結(jié)構(gòu)的金屬容器中，容器的材料要防止冷脆，一般用不銹鋼或鋁制造。每千克氫的熱值大約是同等質(zhì)量的汽油熱值的3倍，但液氫的密度只是汽油的1/10，所以與10L汽油能量相當(dāng)?shù)囊簹潴w積約為30L，液氫油箱的外形尺寸是汽油箱的4一5倍。4.4.2化學(xué)方法儲(chǔ)氫化學(xué)方法儲(chǔ)氫主要是采用金屬氫化物（MH）為氫貯藏源。首先將氫加壓供給MH貯氣罐，同時(shí)對貯氣罐進(jìn)行冷卻、散熱，促進(jìn)氫的吸收和貯藏。當(dāng)使用氫燃料時(shí)，可在低于吸人壓力或高于吸入溫度的情況下，使金屬氫化物（MH）釋放氫氣，通過供氣裝置供給發(fā)動(dòng)機(jī)，釋放氫氣的過程中金屬氫化物(MH）需要吸收熱量。金屬氫化物不會(huì)自燃，較為安全。有的汽車上同時(shí)采用低溫型及高溫型的金屬氫化物，目的在于充分利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)。5前景展望氫燃料內(nèi)燃機(jī)基于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)和生產(chǎn)、維修體系，具有良好的生產(chǎn)、使用基礎(chǔ)，技術(shù)上也具有一定的成熟性，與氫燃料電池相比，氫燃料內(nèi)燃機(jī)在造價(jià)上具有明顯的優(yōu)勢。在車用燃料電池的成本能夠與之相匹敵之前，氫燃料內(nèi)燃機(jī)將具有很強(qiáng)的競爭力。在汽油機(jī)中摻燒氫氣燃料