第10章-氫發(fā)動機(jī)

氫能及新型能源動力系統(tǒng)動力工程多相流國家重點實驗室第10章氫發(fā)動機(jī)11．氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)展歷程2．純氫內(nèi)燃機(jī)3．氫混合燃料4．氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)5．氫發(fā)動機(jī)的工作過程

本章內(nèi)容2第十章氫發(fā)動機(jī)

1.各類發(fā)動機(jī)簡介3第十章氫發(fā)動機(jī)

—各類發(fā)動機(jī)簡介廣義上的內(nèi)燃機(jī)包括往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)、旋轉(zhuǎn)活塞式發(fā)動機(jī)和自由活塞式發(fā)動機(jī)，也包括旋轉(zhuǎn)葉輪式的燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣式發(fā)動機(jī)等通常所說的內(nèi)燃機(jī)是指活塞式內(nèi)燃機(jī),以往復(fù)活塞式最為普遍。內(nèi)燃機(jī)與外燃機(jī)（斯特林發(fā)動機(jī)）區(qū)別外燃機(jī)使用氫氣作為工質(zhì)加熱膨脹做功。燃料在氣缸外的燃燒室內(nèi)連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質(zhì)，工質(zhì)不直接參與燃燒，也不更換.4第十章氫發(fā)動機(jī)

—各類發(fā)動機(jī)簡介由于外燃機(jī)避免了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的震爆做功問題，從而實現(xiàn)了高效率、低噪音、低污染和低運(yùn)行成本。外燃機(jī)可以燃燒各種可燃?xì)怏w，如：天然氣、沼氣、石油氣、氫氣、煤氣等，也可燃燒柴油、液化石油氣等液體燃料，還可以燃燒木材，以及利用太陽能等。只要熱腔達(dá)到700℃，設(shè)備即可做功運(yùn)行，環(huán)境溫度越低，外燃機(jī)最大的優(yōu)點是出力和效率不受海拔高度影響，非常適合于高海拔地區(qū)使用。斯特林發(fā)動機(jī)問題:散熱器大、密封困難，膨脹室、壓縮室、加熱器、冷卻室、再生器等的成本高，熱量損失是內(nèi)燃發(fā)動機(jī)的2-3倍等。5第十章氫發(fā)動機(jī)

2.內(nèi)燃機(jī)分類和基本概念6第十章氫發(fā)動機(jī)

—內(nèi)燃機(jī)分類和基本概念內(nèi)燃機(jī)的品種繁多、其主要分類方法有：(1)按所用燃料：柴油機(jī)、汽油機(jī)、煤氣機(jī)、天然氣機(jī)、雙燃料機(jī)(柴油和天然氣兩用內(nèi)燃機(jī))、氫內(nèi)燃機(jī)等。(2)按燃料在汽缸內(nèi)著火性質(zhì)：有壓燃式內(nèi)燃機(jī)和點燃式內(nèi)燃機(jī)。壓燃式內(nèi)燃機(jī)是利用汽缸內(nèi)的空氣被高度壓縮后所產(chǎn)生的高溫，使燃料自行骸燒著火，如柴油機(jī)、雙燃料機(jī)等。點燃式內(nèi)燃機(jī)采用電火花點燃可燃混合氣，如汽油機(jī)、煤氣機(jī)等。(3)按一個工作循環(huán)過程:四沖程內(nèi)燃機(jī)和二沖程內(nèi)燃機(jī)。7(4)按活塞運(yùn)動方式：往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)和旋轉(zhuǎn)活塞式內(nèi)燃機(jī)。(5)按汽缸冷卻方式：水冷式內(nèi)燃機(jī)和風(fēng)冷式內(nèi)燃機(jī)。(6)按汽缸數(shù)目和排列方式：有單缸內(nèi)燃機(jī)(臥式)和多缸內(nèi)燃機(jī)（直列式、v型、w型、H型等)。(7)按活塞平均速度或額定轉(zhuǎn)速：有低速機(jī)(＜300r/min)，中轉(zhuǎn)速（300～1000r/min）、高速機(jī)(＞1000r/min)。(8)按進(jìn)氣方式：增壓式內(nèi)燃機(jī)和自然吸氣式內(nèi)燃機(jī)。第十章氫發(fā)動機(jī)

—內(nèi)燃機(jī)分類和基本概念8第十章氫發(fā)動機(jī)

—內(nèi)燃機(jī)分類和基本概念圖10-1內(nèi)燃機(jī)基本結(jié)構(gòu)簡圖9第十章氫發(fā)動機(jī)

—內(nèi)燃機(jī)分類和基本概念2往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的基本術(shù)語

往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)是靠燃料燃燒后產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而進(jìn)行工作的，基本結(jié)構(gòu)簡圖如圖10-1所示。（1）上止點活塞移動能達(dá)到的最上端位置稱為上止點，此時活塞與曲軸的旋轉(zhuǎn)中心距離最遠(yuǎn)。（2）下止點活塞移動能達(dá)到的最下端位置稱為下止點，此時活塞與曲軸旋轉(zhuǎn)中心的距離最近。

10第十章氫發(fā)動機(jī)

—內(nèi)燃機(jī)分類和基本概念（3）活塞行程活塞上止點與下止點之間的距離稱為活塞行程。曲軸每轉(zhuǎn)過半周(180o)，活塞便移動一個行程，曲軸每轉(zhuǎn)過一周(360o)，活塞便完成兩個行程。因此，活塞行程的長度等于曲軸旋轉(zhuǎn)半徑的兩倍。（4）燃燒室容積活塞在汽缸內(nèi)位于上止點位置時，在活塞頂面以上的空間稱為燃燒室容積或壓縮容積。（5）汽缸工作容積活塞從上止點到下止點所掃過的汽缸容積，又稱沖程容積或活塞排量。11（6）汽缸總?cè)莘e活塞位于下止點時，汽缸內(nèi)的空間稱為汽缸總?cè)莘e，它等于燃燒室容積與汽缸工作容積之和。（7）壓縮比（ε）汽缸總?cè)莘e與燃燒室容積之比稱為壓縮比。壓縮比表示活塞從下止點移動到上止點時，氣體在汽缸內(nèi)被壓縮的程度。壓縮比越大，壓力和溫度將升得越高?，F(xiàn)代柴油機(jī)的壓縮比般為15～22，汽油機(jī)的壓縮比一般為6～9。（8）余氣系數(shù)（α）可燃混氣中空氣量（或氧氣量）與理論空氣量（或氧氣量）之比。第十章氫發(fā)動機(jī)

—內(nèi)燃機(jī)分類和基本概念12第十章氫發(fā)動機(jī)

—內(nèi)燃機(jī)分類和基本概念（9）氣缸充氣系數(shù)（ηv）發(fā)動機(jī)氣缸換氣過程中，氣缸實際充氣量與在標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下充滿氣缸工作容積的充氣量之比。（10）點火提前角(點燃式發(fā)動機(jī))

從點火時刻起到活塞到達(dá)壓縮上止點，這段時間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度稱為點火提前角。最佳點火提前角:氣體膨脹趨勢最大段處于活塞做功下降行程,這樣效率最高，振動最小，溫升最低。(11）噴油延遲角（壓燃式發(fā)動機(jī)）柴油入氣缸時要與缸內(nèi)氧氣混合同時吸收熱量.達(dá)到燃點時才可以燃燒.從噴油開始到開始燃燒這段時間.在曲軸轉(zhuǎn)角上叫做噴油延遲角大約20度。13日本本田3.5L發(fā)動機(jī)實物及圖截面圖14水平對置四缸發(fā)動機(jī)15直列四缸發(fā)動機(jī)16V型六缸發(fā)動機(jī)1718往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)技術(shù)上基于Otto循環(huán)19（1）直接噴射式燃燒室:也稱為直噴發(fā)動機(jī)，燃燒室設(shè)在活塞頂上，是一個統(tǒng)一的空間。噴油器將零狀高壓柴油直接噴入活塞上部。

直噴式燃燒室圖

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分開式燃燒室（2）分開式燃燒室：分開式燃燒室被明顯隔成兩部分，其一部分由活塞頂面及氣缸蓋底面組成；另一部分在氣缸蓋或氣缸體中，兩者以一條或數(shù)條通道相聯(lián)接21凸輪軸是屬于發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu),其功能結(jié)構(gòu)如上圖22第十章氫發(fā)動機(jī)

3.氫內(nèi)燃機(jī)/氫發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程23第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)/氫發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程1820年，Rev.W.Cecil發(fā)表文章，談到用氫氣產(chǎn)生動力的機(jī)械，還給出詳盡的機(jī)械設(shè)計圖要使燃油耗進(jìn)一步降低至3L/100km，排放達(dá)到接近于零排放的要求，技術(shù)上困難，經(jīng)濟(jì)代價也昂貴。美國、德國、日本等世界著名汽車生產(chǎn)集團(tuán)都把目光轉(zhuǎn)向了以氫作為燃料的氫能汽車動力裝置。在氫和氧反應(yīng)釋放能量的過程中，不會產(chǎn)生HC、CO，也沒有CO2及固體顆粒。視反應(yīng)的方法不同，NOx極低甚至為零。要滿足21世紀(jì)的要求，氫能汽車幾乎成為惟一的選擇。24第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)/氫發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程氫內(nèi)燃機(jī)(HydrogenInternalCombustionEngine，HICE)繼承了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)(ICE)100多年來發(fā)展過程所積累的全部理論和經(jīng)驗，沒有特別不可逾越的技術(shù)障礙德國的BMW公司、DaimlerCrysler公司、日本的三菱公司、美國的別林公司，在70-80年代開始對HICE進(jìn)行系統(tǒng)研究HICE初期使用液氫作為燃料，后來的實驗使用車上直接重整(如汽油等)碳?xì)淙剂蟻慝@得所需的氫燃料?，F(xiàn)在一般采用高壓氣氫作為燃料福特公司氫內(nèi)燃機(jī)外形圖及其主要性能見圖10-225第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)/氫發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程圖10-2福特公司氫內(nèi)燃機(jī)外形圖264.9literHECsixcylinderhydrogeninternalcombustionenginewithacompressionfactorof13.5:127HydrogenInternalCombustionEngine28第十章氫發(fā)動機(jī)

4.氫燃料內(nèi)燃機(jī)的特點29第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫燃料內(nèi)燃機(jī)的特點（1）氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料的優(yōu)點①燃?xì)浒l(fā)動機(jī)兼具柴油機(jī)的高效率和汽油機(jī)的高轉(zhuǎn)速特性，燃?xì)浒l(fā)動機(jī)的理論循環(huán)最接近otto循環(huán)，相同的測試條件下氫發(fā)動機(jī)的效率高出汽油機(jī)15％～20％。②氫的燃燒速度快，有非常廣泛的燃燒范圍(4％～75％)，這樣氫氣可以來用稀燃的燃燒方式，在更寬的空燃比范圍內(nèi)工作而不會引發(fā)提前點火或者敲缸等現(xiàn)象，因此在負(fù)荷變化的時候只需要調(diào)節(jié)供氫量就可以滿足汽車實際行駛時的各種負(fù)荷要求。30基于Otto循環(huán)的引擎其理論熱效率取決于其壓縮比及燃料的比熱:這里,V1/V2=thecompressionratioγ=ratioofspecificheatsηth=theoreticalthermodynamicefficiency

燃料的壓縮比取決于其抗爆震的性能。富氫混合氣的抗爆震性能優(yōu)于汽油，因此可以達(dá)到更高的壓縮比。比熱取決于分子結(jié)構(gòu)，分子結(jié)構(gòu)越簡單，其比熱越大。氫γ=1.4；汽油γ=1.131第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫燃料內(nèi)燃機(jī)的特點③氫的可燃性好，氫空氣混合物的點火能量只是其他可燃?xì)怏w的1/3～1/6，同時氫在-253℃以上的條件下都以氣態(tài)的形式存在，這樣氫內(nèi)燃機(jī)就不存在冷啟動的障礙，也不會發(fā)生氣鎖、冷壁熄火、氣化不足及混合不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象。氫內(nèi)燃機(jī)與傳統(tǒng)汽油內(nèi)燃機(jī)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表10-1.（2）氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料的主要問題氫的特殊性質(zhì)，使氫作為內(nèi)燃機(jī)燃料時，會帶來新的問題如早燃、回火、爆燃等異常燃燒現(xiàn)象，使發(fā)動機(jī)正常工作遭到破壞。32早燃（pre-ignition）指火花塞點火以前，混合氣已被一些熱點點燃，開始燃燒。熱點可能是燃燒室的尖角、火花塞的過程電極、排氣門、機(jī)油高溫分解的碳粒、雜質(zhì)的過程沉積物等。在濃混合氣發(fā)生早燃時，火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，壓力急劇升高，使發(fā)動機(jī)正常工作遭到破壞。33第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫燃料內(nèi)燃機(jī)的特點

回火（backflash）在進(jìn)氣過程中，進(jìn)氣門尚未關(guān)閉，汽缸內(nèi)混合氣未經(jīng)火花塞點燃而被熱點引燃，火焰?zhèn)鞑サ竭M(jìn)氣管內(nèi)的一種不正?，F(xiàn)象。在以濃混合氣工作時，進(jìn)氣管回火造成強(qiáng)烈的噪聲，也容易損壞發(fā)動機(jī)。進(jìn)氣過程中的回火當(dāng)以稀混合氣運(yùn)轉(zhuǎn)時，燃燒速度較慢，燃燒過程從排氣形成持續(xù)到進(jìn)氣形成，當(dāng)進(jìn)氣門開啟時燃燒尚未完畢，此時會點燃可燃混合氣，引起回火。回火量比前者小的多，但也造成發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定。34

爆燃由于氫的滯燃期短，火焰?zhèn)鞑ニ俣认喈?dāng)高，導(dǎo)致燃?xì)鈮毫眲≡龈?，燃燒過程過早結(jié)束，飛輪因克服不了壓縮功，會造成突然停車。35第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫燃料內(nèi)燃機(jī)的特點

研究表明，采取措施減緩混合氣著火的化學(xué)準(zhǔn)備過程及火焰燃燒速度，降低燃燒溫度，并盡可能減少熱點形成的趨勢，即可防止早燃、回火等的發(fā)生。一般采取一下措施：尾氣再循環(huán)向汽缸中氫—空氣混合氣噴水提高壓縮比36第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫燃料內(nèi)燃機(jī)的特點目前，氫燃料汽車研究過程中表現(xiàn)出來的其它問題還有：①氫密度小、能量密度高，要求有更大的汽缸空間，相對減少氧氣的量，從而可能使得汽車的動力性能受到影響。②氫內(nèi)燃機(jī)的燃燒產(chǎn)物是水蒸氣，凝結(jié)水有可能沿著汽缸壁漏入潤滑油中，引起機(jī)油乳化喪失潤滑能力、銹蝕汽缸，需要采用抗乳化潤滑油或合成機(jī)油。37③火花塞受潮后可能不點火，因此點火系統(tǒng)也應(yīng)具有不被短路的能力和抗干擾的高屏蔽能力④氫內(nèi)燃機(jī)氣缸中仍有部分潤滑油，仍有部分污染物的排放，不是真正意義上的零排放汽車⑤實測結(jié)果表明發(fā)動機(jī)燃用純氫還存在功率下降的問題。38

各種燃料占用燃燒室及所含能量相同計量比情況下,氫占用30%的燃燒室空間,而汽油僅占用1-2%39第十章氫發(fā)動機(jī)

5.氫內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)及氫燃料火箭40第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)及燃料火箭因為氫氣質(zhì)量輕以及優(yōu)秀的燃燒特性，氫是飛機(jī)的理想燃料。早在1956年，氫動力的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)便有報道。1973年美國宇航局(NASA)開始研究超、亞音速液氫飛機(jī)的設(shè)計方案，洛克希德公司也對以氫為燃料的商業(yè)飛機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的設(shè)計和研究。液氫飛機(jī)必須向超音速，遠(yuǎn)航程，超高空發(fā)展，才能更好地發(fā)揮液氫的優(yōu)越性，以替代現(xiàn)在航速較低、飛行時間長、航空煤油消耗量多種大型客機(jī)。41第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)及氫燃料火箭（1）氫內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)人類活動產(chǎn)生的溫室氣體中，有3.5％來自飛機(jī)廢氣。在高對流層，客機(jī)排出的氮氧化物卻會加快破壞臭氧層。大型客機(jī)由降落至另一次起飛期間，發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的廢氣，相當(dāng)于一輛汽車行駛6400km；一架波音747飛機(jī)每次飛行消耗超過200t燃料，相當(dāng)于6600輛小轎車的油耗。42第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)及氫燃料火箭（2）氫燃料火箭對現(xiàn)代航天飛機(jī)而言，減輕燃料自重、增加有效載荷變得更為重要。氫的能量密度很高，是普通汽油的3倍，這意味著燃料的自重可減輕2/3，這對航天飛機(jī)無疑是極為有利的。我國自行開發(fā)了一系列運(yùn)載火箭，用于航空航天的長征系列運(yùn)載火箭都是三級火箭；第三子級使用液氧和液氫作為推進(jìn)劑；氫發(fā)動機(jī)可以多次啟動。長征三號系列運(yùn)載火箭三子級推進(jìn)系統(tǒng)見圖10-3。43第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)及氫燃料火箭

圖10-3長征三號系列運(yùn)載火箭三子級推進(jìn)系統(tǒng)44第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)飛機(jī)及氫燃料火箭表10-2YF75發(fā)動機(jī)的主要性能45第十章氫發(fā)動機(jī)

6.氫混合燃料46第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料1氫-油混合燃料氫油混合燃料對發(fā)動機(jī)的功率有很大影響。實驗表明純?nèi)細(xì)浒l(fā)動機(jī)缸外混合，功率僅能實現(xiàn)原機(jī)的85％，而缸內(nèi)混合，則可達(dá)118％。①因氫碳比(H/C)提高，則在足夠空燃比(A/F)下煙度必定降低。實際上現(xiàn)有研究已證明所測煙度最大值一般不超過2.0BSU．一般都在1.0-2.0BSU變動或小于1.0BSU。②燃油摻氫后，為了減少負(fù)功，噴油提前角延后，但氫的燃速遠(yuǎn)大于燃油，故有可能導(dǎo)致少量燃油被推遲至膨脹過程燃燒，從而使排氣溫度提高。但因氫的速燃有助于減少碳?xì)浠衔锏呐懦?，從而使得熱效率提高?7第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料③因噴油延遲且氫氣早燃，故從放熱角度，在出現(xiàn)最大放熱峰值后的平均放熱速率可能降低，從而導(dǎo)致缸內(nèi)高溫持續(xù)期縮短，使NOx的生成量因高溫而增長的趨勢受到抑制。④在等熱值情況下，由于氫摻入后的空氣只有部分留在副室中，使副室中的燃油在初期與較多的氧氣接觸，從而提高副室中的燃燒壓力并因之使渦流強(qiáng)度增長。48第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料HC排放量降低至原汽油機(jī)的3/4以下。汽油-氫混合燃料汽車在實際應(yīng)用時，在常用的中、低負(fù)荷工況下，加氫率應(yīng)高些，以便較多地克服汽油機(jī)中、低負(fù)荷時油耗率高和有害排放量高的缺點；在高負(fù)荷時，少加氫，以免功率下降，保持其動力性。氫-汽油雙燃料發(fā)動機(jī)，這種雙燃料發(fā)動機(jī)裝有余熱制氫裝置，可用甲醇制取氫并燃用氫與汽油混合燃料。對余熱制氫裝置及氫-汽油雙燃料發(fā)動機(jī)的各項性能進(jìn)行試驗研究表明，裝有余熱制氫裝置的氫-汽油雙燃料發(fā)動機(jī)功率和扭矩有所提高，外特性和負(fù)荷特性燃油消耗率下降5.3％~7.5％；怠速排放中CO和HC均有所減少。汽油和摻氫混油對發(fā)動機(jī)的各種性能影響見表10-3、表10-4、表10-5和表10-6。49第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料

表10-3汽油和摻氫混油對發(fā)動機(jī)外特性的影晌

表10-4汽油和摻氫混油對發(fā)動機(jī)怠速排放對比50第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料表10-5汽油和摻氫汽油對發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性最低燃油消耗率對比/[g/(kw·h)]表10-6汽油和摻氫汽油對發(fā)動機(jī)模擬汽車等速行駛(百公里)排放試驗對比51第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料2氫和天然氣混合燃料

參考書:《內(nèi)燃機(jī)替代燃料燃燒學(xué)》作者:蔣德明，黃佐華主編

將氫按一定比例添加到管道天然氣中混合(Hythane)，混合后的燃?xì)獍丛託夥绞阶⑷肴剂瞎拗苯邮褂谩Ｃ绹呀?jīng)在大型客車上成功地使用了氫和天然氣混合燃料，認(rèn)為是連接CNG汽車和零排放氫燃料電池汽車之間的橋梁。增加了少量的氫后，CNG原本已很低的排放又大幅降低.52對于天然氣產(chǎn)氫缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)，以不同比例的天然氣—氫氣混合氣預(yù)先混合在高壓天然氣氣瓶中，混合燃料以噴射壓力8MPa噴入氣缸，借助火花塞將混合氣點燃。由于噴射壓力始終高于臨界噴射壓力，因此，燃料噴射量由噴射時間控制。圖10-4給出了混合燃料體積低熱值和H/C比值隨氫氣摻混比的關(guān)系53第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料圖10-4混合燃料的低熱值和H/C比值54第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料

圖10-5發(fā)動機(jī)有效熱效率與混合燃料中氫氣含量的關(guān)系55第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料圖10-6混合燃料HC排放與摻氫比的關(guān)系56第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫混合燃料表10-7發(fā)動機(jī)的實驗工況參數(shù)

57氫作為單一燃料——氫發(fā)動機(jī)按混合氣形成方式的不同分為外部形成混合氣和缸內(nèi)直接噴氫兩種類型。

1．外部形成混合氣

氫發(fā)動機(jī)的研究初期一般采用外部形成混合氣的方式，通常采用化油器、進(jìn)氣歧管噴射和進(jìn)氣口噴射等方法形成混合氣。對于氫發(fā)動機(jī)，通過化油器輸送燃料是最簡單的燃料供給方法，但化油器發(fā)動機(jī)容易產(chǎn)生早燃和回火等不正常燃燒。為此采用了進(jìn)氣歧管噴氫和進(jìn)氣口噴氫技術(shù)來解決早燃和回火問題。

58關(guān)于化油器汽油不是直接通過導(dǎo)管進(jìn)入發(fā)動機(jī)的燃燒室的。汽油必須與經(jīng)過凈化的空氣混合，形成一種薄霧狀的混合氣，這樣進(jìn)入燃燒室才容易燃燒?；推骶褪歉鶕?jù)發(fā)動機(jī)的不同轉(zhuǎn)數(shù)，使之產(chǎn)生濃度和份量相匹配的混合氣。因此，當(dāng)發(fā)動機(jī)在怠速、低、中、高速等不同的轉(zhuǎn)數(shù)時，化油器供應(yīng)的混合氣的濃度和份量也隨之調(diào)整。59

缸內(nèi)直接噴氫不僅可以完全避免回火的產(chǎn)生，而且可以產(chǎn)生較高的輸出功率。根據(jù)噴射壓力的不同，缸內(nèi)直接噴氫可以分為低壓噴射和高壓噴射。低壓噴射:在進(jìn)氣門關(guān)閉后壓縮行程的前半行程噴入氫，噴射壓力可降低至1MPa。高壓噴射:在活塞接近上止點附近時將氫噴入，通過精確控制點火正時避免回火、早燃和敲缸的產(chǎn)生，并使發(fā)動機(jī)產(chǎn)生較高的熱效率，通常情況下高壓噴射的壓力要高于8MPa。

2．缸內(nèi)直接噴氫60第十章氫發(fā)動機(jī)

7.氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)61根據(jù)格林內(nèi)維茨基－伯利林格的方法，針對以下情況進(jìn)行氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)計算:計算結(jié)果與已公布的汽油和甲烷氣的理論循環(huán)的研究結(jié)果進(jìn)行了對比。余氣系數(shù)α值和壓縮比ε在很大的范圍內(nèi)變化混合氣體在氣缸內(nèi)形成和氣缸外形成第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)62第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)1用氫和空氣的混合氣作為工質(zhì)，燃燒時其化學(xué)成分發(fā)生變化，排氣時工質(zhì)在氣缸內(nèi)的數(shù)量發(fā)生變化。2進(jìn)氣和排氣時沒有流動損失：

理論計算的主要假設(shè)氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)是一個封閉的不可逆循環(huán)，它應(yīng)滿足以下條件：其中，P0外界壓力；Pr

進(jìn)氣時氣缸內(nèi)氣體的壓力；Pa氣缸內(nèi)氣體開始被壓縮時的壓力63第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)3.進(jìn)氣過程中沒有熱交換，因此進(jìn)入氣缸后的混合氣仍具有外界空氣的溫度，而且條件2和3共同保證充填系數(shù)4.壓縮和膨脹都是在變絕熱指數(shù)條件下進(jìn)行的，絕熱指數(shù)只考慮比熱隨溫度的變化5.燃燒和壓力下降都是在死點瞬時進(jìn)行的，并且容積不變646.閥門的開閉時間準(zhǔn)確地與上、下死點重合7.工質(zhì)進(jìn)行理想的混合和燃燒，沒有任何熱損失，因此燃燒時的放熱系數(shù)等于1，燃燒時的熱損失只是由于理論空氣含量不夠，即α<1造成的第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)65內(nèi)混氣時，由于被壓縮的氫氣對氣缸補(bǔ)充充氣，壓縮過程的參數(shù)發(fā)生變化。因此，在計算循環(huán)時，應(yīng)假設(shè)以下補(bǔ)充條件：a)氫氣是活塞處于下死點的那一瞬間進(jìn)入氣缸的。b)氫氣在進(jìn)氣噴嘴前方的溫度保持不變，氫氣在進(jìn)氣嘴的壓力始終能保持臨界壓降。c)氫氣帶入氣缸內(nèi)的動能全部轉(zhuǎn)變成熱能。66第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)圖10-7內(nèi)混氣和外混氣的氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)示功圖67根據(jù)上述簡化條件，可以求出給定燃料的循環(huán)參數(shù)與兩個主要因素—余氣系數(shù)α和和壓縮比ε的關(guān)系此時剩余氣體系數(shù)（廢氣系數(shù)）用下式求出:A進(jìn)氣過程根據(jù)已采用的簡化條件：式中T0為外界空氣溫度；Tr—剩余氣體的溫度，其值是開始計算時選定的。（10-1）2計算公式和計算方法的特點68知識補(bǔ)充:剩余氣體系數(shù)進(jìn)氣過程結(jié)束時,氣缸內(nèi)的殘余廢氣量mr與進(jìn)入氣缸中的新氣量ma的比值:即式中:△t—進(jìn)氣管等高溫機(jī)件對進(jìn)氣的加熱引起新氣溫度的升高值,鋁活塞△t=15~25℃;Vr進(jìn)氣門關(guān)閉時氣缸工作容積;ηv充氣效率;Vs在進(jìn)氣狀態(tài)下,充滿氣缸工作容積的新氣充量體積;ρr殘余廢氣密度;ρs新氣密度;Pr,Tr殘余廢氣的壓力和溫度,Pa進(jìn)氣終點壓力;Ta大氣溫度;ε壓縮比69Ta為氣缸內(nèi)氣體開始被壓縮時的溫度。要計算內(nèi)混氣條件下進(jìn)氣過程終點的參數(shù)，除了根據(jù)前面采用的假設(shè)條件所得到的上述公式外，還要用到下列關(guān)系式。進(jìn)氣結(jié)束時，混合氣的溫度由下式求出：（10-2）Cr≈C0

mr/m0=γ70式中為臨界壓力比.第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)進(jìn)氣噴嘴出口處的氣體溫度（即進(jìn)入氣缸時的氫氣溫度），根據(jù)簡化條件（b），可以按臨界溫度來計算T1為噴嘴前的氣體溫度.對于氫:x=0.528;絕熱指數(shù)k=1.41;此時Tkp=0.83T1

71進(jìn)氣噴嘴出口的氣體流速用下式表示：（10-4）1摩爾氫以動能形式帶入氣缸的熱量：（10-5）式中Ｇ

--1摩爾氫的重量。根據(jù)W2=0的假設(shè)條件，Qk的最終表示式可以寫成下列形式：（10-6）72m—在給定的α下，1摩爾氫所需的空氣摩爾數(shù)；

—分別為空氣和氫氣的平均摩爾比熱容（以絕對溫度零度為計算的起點）；

—空氣與剩余氣體的混合氣溫度，按（10-2）式計算。第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)

壓縮過程開始時的混合氣溫度，也就是氣體的混合溫度，可由下式求出：（10-7）式中:Ta73第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)T=0-350K范圍內(nèi)的平均摩爾比熱容與溫度的關(guān)系:對于氫對于空氣（10-8）（10-9）壓縮起點的壓力可以根據(jù)已知混合氣的溫度，由下列關(guān)系式求出:（10-10）新鮮混合氣中壓縮開始時的空氣分壓:式中V—按外界條件（P0,T0）計算時的摩爾體積74氫的分壓：

（10-11）內(nèi)混氣條件下，混合氣體在壓縮開始時的壓力，可由氫和空氣分壓之和來求：（10-12）B壓縮過程根據(jù)已知的計算條件，壓縮過程的參數(shù)可以從考慮變化熱容的絕熱方程求出：

（10-13）

（10-14）式中k0和r—絕熱指數(shù)與溫度線性關(guān)系式中的系數(shù)（表2）：

（10-15）第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)

75第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)表10-8α為不同值時，壓縮過程和膨脹過程的絕熱方程中系數(shù)k0和r的值76根據(jù)已知條件，燃燒過程結(jié)束時的溫度由燃燒方程來計算，它是c-z（圖10-7）燃燒曲線的熱平衡方程：C燃燒過程（10-16）式中β0為理論分子體積變化系數(shù)；

—燃燒產(chǎn)物由0到t℃時的平均定容摩爾比熱容；—新鮮混合氣由0到t℃時的平均定容摩爾比熱容；—由于理論空氣量不夠造成的熱值損失。77式中β為實際分子體積變化系數(shù)（10-17）內(nèi)混氣時，由于提高了氣缸的填充量，剩余氣體的相對含量減少，式（10-16）中用到的剩余氣體系數(shù)可由下式求出：式中，m為當(dāng)α給定時，1mol氫所需的空氣摩爾數(shù)。根據(jù)已知的溫度Ta，可由下式求出燃燒過程結(jié)束時的壓力：（10-18）78外混氣及內(nèi)混氣均可用（10-19）和（10-20）式來計算示功圖上所有特征點的溫度和壓力。計算的起始值是剩余氣體的溫度（圖10-7上的r點）?？蓪⑷紵a(chǎn)物在排氣期間絕熱流動時繼續(xù)膨脹的終點溫度（）作為剩余氣體的溫度（參看圖10-7）。第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)C膨脹過程膨脹過程的參數(shù)用變指數(shù)的絕熱方程來求：（10-19）（10-20）79式中—示功圖上分別用注腳標(biāo)明的幾點所對應(yīng)的燃燒產(chǎn)物的內(nèi)能

—示功圖上分別用注腳標(biāo)明的幾點所對應(yīng)的新鮮混合氣的內(nèi)能第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)理論熱效率（ηT）(此處公式有誤)（10-21）80在求發(fā)動機(jī)的功率的時候，常常應(yīng)用一個假定的指數(shù)—平均指示壓力Pi。平均指示壓力意味著一個沖程內(nèi)作用在活塞上的壓力是一個假定的常數(shù)，在這種壓力下所完成的功等于閉口循環(huán)的指示功。1mol新鮮混合氣理論循環(huán)的平均指示壓力可用下式計算：理論循環(huán)的平均指示壓力（10-22）式中V—按外界條件（P0，T0）計算時的摩爾體積；為理論循環(huán)熱效率，即工質(zhì)對活塞所做的功。A為熱功當(dāng)量81

表示單位體積新鮮混合氣的發(fā)熱量或輸入發(fā)動機(jī)的能量第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)理論循環(huán)的平均指示壓力的表示式可寫成兩個數(shù)的乘積：ηT這部分能量在理論循環(huán)中的利用程度82第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)當(dāng)采用內(nèi)混氣時，由于氣體增壓，帶入氣缸內(nèi)的熱量增加，平均指示壓力按m/m+1比值增加：（10-23）下面將分析氫的理論循環(huán)的計算結(jié)果。計算時氫的低熱值為hu=240.7MJ/mol（57500kcal/mol），外界條件（標(biāo)準(zhǔn)條件）：P0=0.1MPa（1kgf/cm2），T0=288K83第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)3理論循環(huán)熱力計算結(jié)果的分析

氫的特點是分子體積變化系數(shù)值?。ㄒ妶D10-8）。當(dāng)α=1時，該系數(shù)具有最小值β=0.852，混合氣貧氫和富氫都會使該系數(shù)值增加。因為體積變化與水蒸氣的生成反應(yīng)有關(guān)，在α=1時，燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣含量最大，所以分子體積變化系數(shù)出現(xiàn)最小值。外混氣氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)參數(shù)其計算結(jié)果列于圖10-9～10-11。在α接近1的范圍內(nèi)，參數(shù)變化最劇烈。隨著混合氣中氫含量減少，變化的劇烈程度也減弱。壓縮比的變化對壓力的影響，比對溫度的影響大。84第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)圖10-8混合氣成分對分子體積變化系數(shù)的影響85第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)86氫-空氣混合氣的體積發(fā)熱量較其他發(fā)動機(jī)燃料的低然而，氫的燃燒終點的溫度比汽油高。原因為何?分子體積變化系數(shù)小。水蒸氣的比熱容較CO2的比熱容低，這也是造成氫的燃燒終點溫度比碳?xì)淙剂系母叩脑蛑弧?7第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)分子體積變化系數(shù)對燃燒終點壓力的影響(本質(zhì)是對作功和功率的影響)（10-24）過去認(rèn)為Pz（氣缸內(nèi)氣體的最大壓力）隨分子體積變化系數(shù)增加而增大。該結(jié)論是根據(jù)如下公式得來:從該公式看,Pz似乎和β0有之間關(guān)聯(lián),事實是否如此?88然而這個結(jié)論并不反應(yīng)真是情況，已經(jīng)知道，燃燒終點的溫度可由下式求出：

和—壓縮終點新鮮混合氣和燃燒產(chǎn)物的內(nèi)能；—溫度Tz時燃燒產(chǎn)物的平均摩爾比熱容。（10-25）89第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)將Tz代入（10-24）式，得由上式可知，燃燒終點壓力與分子體積變化系數(shù)無關(guān)。上述結(jié)論還可以用其它方法推出。（10-26）90燃燒時放出的能量分給燃燒產(chǎn)物的所有分子，釋放能量的大小與反應(yīng)物的化學(xué)性能和燃料與氧化劑的比值有關(guān)。當(dāng)其他條件相同而燃燒時放出的熱量又相等時，燃燒產(chǎn)物的分子愈少，相應(yīng)的燃燒溫度也就愈高。燃燒后分子數(shù)的增減也會引起壓力變化。但是壓力變化又被溫度變化所抵消，結(jié)果是分子體積變化系數(shù)對燃燒終點的壓力沒有直接影響上述結(jié)論的物理意義可簡述如下：91第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)系數(shù)β對理論循環(huán)參數(shù)的影響，只有通過比熱容與溫度的關(guān)系表現(xiàn)出來，其影響不大。當(dāng)α由1變到4時，新鮮混合氣的熱值減少到1/3，同時燃燒終點的溫度Tz減少到1/2，壓力Pz減少到1/1.8。燃燒終點的溫度和壓力下降較慢的原因:由于隨著混合氣中氫含量減少而燃燒產(chǎn)物中的三原子氣體（H2O）的數(shù)量也減少，三原子氣體的比熱容要比氮和氧的比熱容高得多。92第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)圖10-10混合氣成分和壓縮比對理論循環(huán)效率的影響（外混氣）ε隨α,ε增加熱效率迅速增加93第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)α增加，一方面新鮮混合氣的發(fā)熱量減少，循環(huán)的平均溫度也下降;另一方面，燃燒產(chǎn)物中三原子氣體（H2O）含量減少。上述因素導(dǎo)致膨脹過程的絕熱指數(shù)值增大，且膨脹過程終點的氣體溫度下降，排氣的熱損失減少。最終提高熱效率94第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)圖10-11混合氣成分和壓縮比對理論循環(huán)平均指示壓力的影響(外混氣)εα95第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)采用內(nèi)混氣時，將氫直接噴入氣缸內(nèi)的主要特點是填充量增加（見圖10-7），這將導(dǎo)致示功圖上所有特征點的壓力都升高。與外混氣相比較，內(nèi)混氣時壓縮起點的混合氣溫度變化不大。例如，當(dāng)α=1時，內(nèi)混氣的壓縮起點溫度為Ta=332K，而同樣條件下，外混氣的溫度為Ta=340K，相差不過2.5%。因為反應(yīng)熱效應(yīng)與壓力無關(guān)，由于內(nèi)混氣的循環(huán)起始溫度T0與外混氣的差別不大，所以示功圖上所有特征點的溫度都保持不變。內(nèi)混氣式氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)參數(shù)96內(nèi)混氣時剩余氣體的溫度下降，其原因是燃燒產(chǎn)物從氣缸中排出時剩余氣體膨脹得多一些。ε圖12內(nèi)混氣(1)和外混氣(2)的氫發(fā)動機(jī)理論循環(huán)參數(shù)與壓縮比的關(guān)系曲線.α=1TbPbPzTz97第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)圖13當(dāng)ε=7時，內(nèi)混氣(1)和外混氣(2)的理論循環(huán)平均指示壓力Pi與混合氣成分α的關(guān)系98圖14ε=6的理論循環(huán)參數(shù)使用的燃料1.汽油2.天然氣(甲烷)3.外混氣條件下的氫99第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的理論循環(huán)圖14所示，α>1的范圍內(nèi),燃料的性質(zhì)對理論循環(huán)中燃料燃燒后放出熱量的利用程度(熱效率)無顯著影響在α<1的范圍內(nèi)，用氫氧作燃料時，理論循環(huán)的熱效率隨α減小而下降的程度比用甲烷和汽油時的小些。(空氣缺少時,發(fā)動機(jī)熱效率)循環(huán)的平均壓力與新鮮混合氣的發(fā)熱量成正比。然而，循環(huán)的最大壓力并不隨新鮮混合氣的發(fā)熱量成比例地變化,而與產(chǎn)物熱容有關(guān),H2O的比熱容值只等于CO2的比熱容值的70%,因此Pz高些氫、甲烷和汽油的理論循環(huán)參數(shù)的比較100第十章氫發(fā)動機(jī)

8.氫發(fā)動機(jī)的工作過程101第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的工作過程早期研究發(fā)現(xiàn)，只有余氣系數(shù)α>1.2，氫發(fā)動機(jī)才能正常工作，在α=1.05時，氫發(fā)動機(jī)內(nèi)就出現(xiàn)猛烈的早燃、回火。壓縮比更高時，發(fā)動機(jī)氫量必須很小。氫—空氣混合氣體積發(fā)熱量低。為了避免早燃，氫濃度受到限制，液體燃料發(fā)動機(jī)改用氫時升功率急劇下降。缸內(nèi)直接噴氫，提高升功率和安全性。但氫空氣混合不好，指示熱效率低于外混氣。內(nèi)混氣式氫發(fā)動機(jī)工作效率很大程度上取決于供氫系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)的構(gòu)造。1發(fā)動機(jī)的供氫系統(tǒng)102103內(nèi)混氣的技術(shù)問題采用內(nèi)混氣時，由于時間太短，要在這樣短的時間內(nèi)把氫氣噴入發(fā)動機(jī)的氣缸里，還要混合成可燃燒的混合氣，再加上氫氣的密度小，改善氣體混合的質(zhì)量就成了一個難題。104氫氣進(jìn)入氣缸的階段；氫氣流在充滿空氣的容積內(nèi)擴(kuò)散的階段氫氣和空氣一起運(yùn)動的階段。影響最后一個階段的可能性有限，因此要想改善氣體混合的質(zhì)量，只有設(shè)法在第二階段結(jié)束時使氫氣更均勻地分布在整個容積內(nèi)。內(nèi)混氣過程簡略地分為三個連續(xù)的階段：氫氣在氣缸的容積內(nèi)分布的均勻程度，取決于氫氣射流進(jìn)入氣缸的位置、方間、形狀和噴射距離。105第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的工作過程圖10-15氫氣噴入的位置和方向?qū)χ甘拘实挠绊?，2，3-3ИЦ-3發(fā)動機(jī)；4-Л-3發(fā)動機(jī)106第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的工作過程采用的進(jìn)氣噴嘴位置有三種：圖10-15所示，氫氣噴入發(fā)動機(jī)氣缸的位置和方向?qū)χ甘拘视泻艽笥绊憽Ｆ渌麠l件相同的情況下，由于進(jìn)氣噴嘴的位顯和方向相同，會變化22%(1的ηf=31%,而2的ηf=24%)。

噴嘴裝在發(fā)動機(jī)氣缸頭上，氣流方向與氣缸軸線一致噴嘴裝在發(fā)動機(jī)氣缸上，氣流為向是氣缸的徑向噴嘴裝在發(fā)動機(jī)氣缸上，氣流方向與氣缸的內(nèi)表面相切107第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的工作過程

采用內(nèi)混氣時，要想進(jìn)一步改進(jìn)氣體混合過程，可以選用多孔噴嘴，這種噴嘴沿適當(dāng)?shù)姆较驀娙霘錃饬?，能使氫氣更均勻地分布在氣缸的容積內(nèi)。此時應(yīng)該注意，射流數(shù)增加會縮短射流的噴射距離。圖10-16繪出多孔噴嘴的研究結(jié)果，采用鈴木汽車公司生產(chǎn)的二沖程氣缸發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的總工作容積是0.55L，研究了下述兩種供氫工況。

108第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的工作過程低壓噴氫活塞將排氣孔關(guān)閉后，氫氣立即在0.3-1.7MPa的較低壓力下供入氣缸內(nèi)，噴氫的持續(xù)時間為曲軸轉(zhuǎn)角。研究了三種多孔噴嘴，它們的特性曲線，孔的尺寸、數(shù)目和方向都標(biāo)在圖10-16。射流方向與氣缸軸線成45°的三孔噴嘴具有較好的性能指標(biāo)。高壓噴氫利用氫氣壓力得到附加功，把噴氫過程安排在活塞快到上死點時才進(jìn)行，噴氫用的壓力是1～4MPa，噴氫的開始時間分別為距上死點為30°、35°、45°曲軸轉(zhuǎn)角，噴氫的持續(xù)時間為45°曲軸轉(zhuǎn)角。試驗了十孔和五孔噴嘴，孔的方向標(biāo)在圖10-15c上。在壓力高而混氣時間短的情況下，十孔噴嘴得到的試驗結(jié)果較好，并且開始噴氫的時間以45°曲軸轉(zhuǎn)角較好。109圖10-16用多孔噴嘴時，氫氣射流的大小和方向?qū)Πl(fā)動機(jī)工作效率的影響110圖10-17發(fā)動機(jī)速度工況對其效率的影響；1高壓噴氫；2低壓噴氫發(fā)動機(jī)速度工況對其效率的影響111第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的工作過程當(dāng)轉(zhuǎn)速為2000r/min時，高壓噴氫有效效率較高轉(zhuǎn)速為3000r/min時，兩種供氫系統(tǒng)效率相近當(dāng)轉(zhuǎn)速為4500r/min時，高壓供氫系統(tǒng)效率明顯下降原因為何？因為在高壓噴氫的情況下，混氣時間短，內(nèi)混氣的三個階段要在曲軸轉(zhuǎn)動的短暫時間內(nèi)完成，所以氣體混合質(zhì)量急劇下降，有效效率由25%降到23%。112燃燒產(chǎn)物的分析證明：無論是高壓噴氫、還是低壓噴氫，燃燒完全程度都是97%~99%，因此氣體混合質(zhì)量對燃料的燃燒完全將沒有顯著的影響。α<2時，兩種混氣系統(tǒng)的主要燃燒期的持續(xù)時間是一樣的?；旌蠚庵羞M(jìn)一步減少氫的含量，內(nèi)混氣的可見燃燒期增加得快些。當(dāng)α≈3時，內(nèi)混氣的可見燃燒期比外混氣的相應(yīng)值增加了50%,同時指示效率急劇下降。113第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的工作過程混和氣成分對工作過程情形情況的影響混和氣成分α對活塞式發(fā)動機(jī)的工作過程有決定性的影響。如果發(fā)動機(jī)用汽油作燃料時，由于汽油-空氣混和氣的可燃范圍很窄，就很難研究這種影響改用氫氣，就可能在非常寬的α范圍內(nèi)研究工作過程的特點，混和氣成分可以一直變化到α=4對氫發(fā)動機(jī)，混合氣的成分由α=1.3變化到α=3.6。指示效率與混合氣成分的關(guān)系曲線ηi=f(α)具有變化平緩的特點，并且在α=2.5處有一個明顯的最大值。114第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的工作過程氫發(fā)動機(jī)工作的特點是指示效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系很大。發(fā)動機(jī)改用氫氣后，以內(nèi)混氣方式和外混氣方式試驗時，轉(zhuǎn)速n=2000r/min的指示效率比n=1500r/min的高5.5~6%。然而用汽油工作時，這兩種速度工況的指示效率是一樣的。速度工況和提前點火角的影響原因：氫-空氣混合氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?。還可以從化學(xué)和流體動力學(xué)因素對發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒過程的影響進(jìn)行解釋。115第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫發(fā)動機(jī)的工作過程當(dāng)壓縮比ε=9時，只有在α>2.5的范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)才能在上述兩種速度工況下，以最佳提前點火角工作，不會發(fā)生爆震。在轉(zhuǎn)速n>2000r/min的情況下，用貧氫混合氣（α>1.5）工作時，只有壓縮比ε>10，才能保證氫發(fā)動機(jī)正常工作。氫的抗爆震性研究表明：116第十章氫發(fā)動機(jī)

9.氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析117第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析內(nèi)燃機(jī)實際循環(huán)偏離空氣循環(huán)的諸多因素中,傳熱損失、換氣損失、工質(zhì)泄漏、時間損失、燃燒損失、節(jié)流損失等原則上都可避免,惟獨工質(zhì)組成及其熱物理性質(zhì)變化帶來的損失不以人們的意志轉(zhuǎn)移。為此,以實際氣體替代標(biāo)態(tài)空氣以改進(jìn)空氣奧托循環(huán),進(jìn)而以此為模型討論H2內(nèi)燃機(jī)熱力學(xué)性能,并探討壓縮H2與空氣混合方式的選擇具有重要的指導(dǎo)意義1181）模型進(jìn)氣終了缸內(nèi)物態(tài)(pa

,Ta)，經(jīng)壓縮比(ε)作用到上止點(pc

,Tc)，等容燃燒后燃?xì)?pz

,Tz)膨脹回到下止點(pb

,Tb)。缸內(nèi)傳熱采用勃利林克關(guān)聯(lián)式（高等內(nèi)燃機(jī)學(xué)，魏春源等編北京理工大學(xué)出版社）。考慮工質(zhì)熱物理性質(zhì)隨組分與物態(tài)的變化，燃?xì)庠?500K以上保持化學(xué)平衡，隨后凍結(jié)組分。得出有關(guān)變化趨勢的相對結(jié)論而非絕對數(shù)值，從而減少模型對實際循環(huán)的偏離而引起的誤差。

第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析119第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析通過與使用其他燃料的奧托發(fā)動機(jī)進(jìn)行比較,可分析H2內(nèi)燃機(jī)因使用小分子氣體燃料而產(chǎn)生的特殊性。假定辛烷(C8H18)、甲醇(CH3OH)、甲烷(CH4)、H2各自與空氣形成了均勻混合氣(pa=0.08MPa,Ta=300K),應(yīng)用于ε=10的奧托發(fā)動機(jī)時,一些特征指標(biāo)隨過量空氣系數(shù)Φa的變化趨勢如圖10-23所示（注：過量空氣系數(shù)Φa與余氣系數(shù)α為相同）。2）燃料種類影響120第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析圖10-23燃料種類的影響121氣體燃料尤其是小分子氣體的空氣混合物,其壓縮行程終了壓力pc更大,溫度Tc更高;最高燃燒壓力pz較低而燃?xì)獬鯗豑z

較高;膨脹行程終了壓力pb

較低而Tb

較高,這預(yù)示著缸內(nèi)更高的傳熱水平和更高排氣溫度。相同參數(shù)的缸外預(yù)混奧托發(fā)動機(jī),氣體燃料平均指示壓力pi

較小,指示熱效率ηi

較低,尤以H2為甚。雖然奧托發(fā)動機(jī)pz與Tz

的峰值總是出現(xiàn)在稍微偏離Φa=1的濃側(cè),但使用氣體燃料時pi

的最大值更靠近Φa=1處。122第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析3）功率與效率影響發(fā)動機(jī)熱力性能的主要因素包括pa

,Ta

,ε及Φa等。圖10-24示出了這些因素對缸外預(yù)混H2內(nèi)燃機(jī)pi

和ηi的影響。pa

對pi的影響近似線性,而對ηi影響不大,這說明可采用廢氣渦輪增壓來提升功率,從而提高機(jī)械效率并達(dá)到提高有效效率而節(jié)能的目的。123第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析

圖10-24功率與效率的影響因素124Ta的升高可使pi

和ηi

同時下降,pi的降低導(dǎo)致機(jī)械效率下降,進(jìn)而導(dǎo)致有效效率降低而增加燃料消耗;由于氣體燃料不具有液體燃料氣化吸熱的性質(zhì),在自然吸氣發(fā)動機(jī)上保持較低的進(jìn)氣溫度和對增壓發(fā)動機(jī)采用強(qiáng)力中冷顯得尤為重要ε

的增加可使pi和ηi同時升高,但由于爆震燃燒的傾向和降低機(jī)械效率的風(fēng)險,宜采用稍高的合理值。Φa的增加常使pi下降,ηi升高注意區(qū)別機(jī)械效率和熱力學(xué)效率第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析125第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析4）特征點物態(tài)a壓縮終了物態(tài)b燃?xì)獬鯌B(tài)c膨脹終了物態(tài)影響混合氣壓縮行程的因素主要包括pa

,Ta

,ε及Φa等。對pz

影響最大的因素是ε,其次是pa

,Ta

及Φa126圖10-25示出了掃氣完全的假定下得到的壓縮終了物態(tài)pc與Tc

、壓縮功耗wc(單位MPa,其物理意義可參照pi來理解)及wcr(壓縮功占混合氣熱值的百分比)。pa的增加可使得壓縮行程平均壓力水平較高而消耗更多壓縮功,但因充氣量的相應(yīng)提高,作用于單位熱值混合氣的壓縮功耗則基本不變。Tc升高是爆震傾向增加的主要因素,而圖中顯示Ta

對Tc

的影響可與ε的影響相比,說明保持低溫進(jìn)氣和組織掃氣的重要性。H2混合氣均為雙原子分子,Φa對混合氣的壓縮行程無影響。a壓縮終了物態(tài)127第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析圖10-25壓縮終了物態(tài)128知識補(bǔ)充：二沖程的發(fā)動機(jī)需要新鮮的油氣混合氣將燃燒后的廢氣“擠”出汽缸外，該過程稱為掃氣，不過在這個過程中，新鮮的油氣混合氣會不可避免的被直接排出，這是也是二沖程發(fā)動機(jī)排放較高的原因之一。129第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析b燃?xì)獬鯌B(tài)圖10-26表明對pz

影響最大的因素是ε,其次是pa

,Ta

及Φa。對Tz影響最大的因素是Φa,其次是Ta

,ε,而pa

則無影響?？刂苝z

的最有效措施是適當(dāng)降低ε(為保證充分膨脹可采用米勒循環(huán)),降低缸內(nèi)傳熱水平和減少NOx排放的最有效措施是稀薄燃燒。c膨脹終了物態(tài)結(jié)合圖10-26說明,隨pa增加,Tz變化不大,而Tb

略有升高,意味著提高pa使缸內(nèi)傳熱效率(占燃料熱值的百分比)下降;Ta

升高時,Tb

的增長不如Tz

增長迅速,意味著提高Ta可導(dǎo)致傳熱率升高;ε越低,pb越高,越具備采用米勒循環(huán)的潛力;此外,pb

與Tb的峰值出現(xiàn)在Φa=1處。13010-26燃?xì)獬鯌B(tài)131第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析圖10-27膨脹終了物態(tài)132第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)性能的理論分析高壓氣態(tài)儲存是氣體燃料的主要儲運(yùn)方式之一。發(fā)動機(jī)上使用高壓氣態(tài)燃料時,傾向于降壓后缸外預(yù)混（外混氣式）圖10-28表明,采用高壓缸內(nèi)噴射（內(nèi)混式）可獲得更大功率和更高效率由于氣體燃料摩爾數(shù)可與空氣相比,這種混合方式意味著氣體燃料壓力能的損失較大,且H2甚于天然氣。5）壓縮H2的高效利用133圖10-28內(nèi)混式與外混式比較Φa假定有20MPa,300K的壓縮H2,缸外預(yù)混和上止點附近噴射時的pi

和ηi的比較(均忽略H2

壓力能,仍記其低熱值為242kJ/mol)134①自然吸氣式H2內(nèi)燃機(jī)的功率和效率均不如同等參數(shù)汽油機(jī)，而其所有行程的溫度水平均較高，預(yù)示著有高的熱負(fù)荷;②增壓、中冷、稀燃、高壓噴射及米勒循環(huán)等措施的合理組合使用，可以實現(xiàn)H2燃料在內(nèi)燃機(jī)上的清潔高效使用。通過上述分析可得到如下結(jié)論：135第十章氫發(fā)動機(jī)

10.氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬136第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬為了在現(xiàn)有的汽油發(fā)動機(jī)上改用氫燃料,對氫燃料燃燒性能進(jìn)行研究十分重要，它可以指導(dǎo)實現(xiàn)氫在發(fā)動機(jī)中最佳燃燒，提高發(fā)動機(jī)的動力性能和排放性能，以及提高燃?xì)浒l(fā)動機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。雖然也可以在改裝的汽油機(jī)中進(jìn)行實驗，但這種研究周期長,費用大,而且有局限性。本節(jié)介紹在實驗基礎(chǔ)上通過對氫燃料發(fā)動機(jī)燃燒過程的模擬計算,對其運(yùn)行特性進(jìn)行描述,采用模型計算方法可以彌補(bǔ)試驗的不足,進(jìn)一步指導(dǎo)氫發(fā)動機(jī)的設(shè)計和應(yīng)用。1371燃燒模型目前,內(nèi)燃機(jī)燃燒過程數(shù)值模擬所應(yīng)用的模型主要有零維燃燒模型（單區(qū)燃燒模型）、準(zhǔn)多維燃燒模型和多維燃模型。零維模型建立在熱力學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上,不涉及內(nèi)燃機(jī)中各種熱力學(xué)參數(shù)在空間場的不均勻性問題以及工作過程的細(xì)節(jié),而且從內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)各系統(tǒng)內(nèi)所發(fā)生的物理過程出發(fā),用微分方程對各系統(tǒng)的實際工作過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,能夠滿足一般性能的計算需要,而且模型簡單,計算方便,只要通過編制計算程序,就可得到數(shù)值解。138第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬本節(jié)介紹采用單區(qū)燃燒模型對氫氣內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行模擬的方法;為了便于計算,模型作以下假定：不考慮氣缸內(nèi)各點的壓力、溫度與濃度場的差異；流入氣缸內(nèi)的空氣與供入缸內(nèi)的氫氣及氣缸內(nèi)的殘余廢氣能實現(xiàn)瞬間的完全混合,缸內(nèi)的狀態(tài)均勻;工質(zhì)為理想氣體,其內(nèi)能僅與溫度T有關(guān),比熱容為定值;氣體流入與流出氣缸為準(zhǔn)穩(wěn)定流動,不計流入與流出時的動能;不計進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)壓力和溫度波動的影響;缸內(nèi)工質(zhì)在封閉過程中無泄露。139根據(jù)上述假設(shè),此系統(tǒng)的氣體狀態(tài)可用一組微分方程式描述。規(guī)定流入系統(tǒng)的能量、質(zhì)量為正值，流出系統(tǒng)的能量、質(zhì)量為負(fù)值。建立下面3個基本方程求解缸內(nèi)壓力P、溫度T和質(zhì)量m。140第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬10-271)狀態(tài)方程2)質(zhì)量守恒方程式中ms為進(jìn)入氣缸內(nèi)的氫-空氣混合氣質(zhì)量,kg;me為排氣質(zhì)量,kg;10-28PV=mRTR為氣體常數(shù);m為氣缸內(nèi)氫-空氣混合氣的質(zhì)量,kg1413)能量守恒方程10-29式中QB為氫燃燒放熱量,J;U為氣缸內(nèi)氫-空氣混合氣內(nèi)能,J;P為氣缸內(nèi)氣體壓力,Pa;V為氣缸內(nèi)氣體體積,m3;Qw為與氣缸壁的熱交換量,J;hs為單位質(zhì)量氫-空氣混合氣焓值,J·kg-1;he為單位質(zhì)量排氣的焓值,J·kg-1;Qf

為氣體高溫分解熱;J;φ為曲軸轉(zhuǎn)角,°CACA:CrankAngle;ATDC:AfterTopDeadCenter

142方程(10-27)～(10-29)聯(lián)立,可以求出P、T隨曲軸轉(zhuǎn)角φ的變化關(guān)系,但方程組中還有很多待求解的微分變量,如dV,dQB等,因此必須列出相關(guān)的約束條件,有關(guān)方程式如下:143第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬4)氣缸工作容積可以根據(jù)活塞連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)幾何關(guān)系得出:式中D為缸徑,m;S為行程,m;λ為曲柄連桿系數(shù)。10-30144第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬

5)燃燒放熱率采用韋伯(Weibe)函數(shù):10-3110-3210-3310-34145式中,Hu為氫燃料低熱值,J·kg-1;gb循環(huán)進(jìn)氣量,kg;Ct為修正系數(shù);φ為燃燒始角（時間）,°CA;φz為燃燒持續(xù)角（時間）,°CA;m為燃燒品質(zhì)系數(shù);Pε為平均有效壓力,Pa;Pε0為額定工況下的平均有效壓力,Pa;φc為氣缸充氣系數(shù);Vs

為氣缸工作容積,m3;ρs為進(jìn)氣管狀態(tài)下空氣密度,kg·m-3;φa為空氣過量系數(shù);l0為每1kg氫完全燃燒所需的理論空氣量,kg;x為氣缸徑向；146第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬

6)質(zhì)量流量氣體流入、流出氣缸的質(zhì)量流量可根據(jù)流體力學(xué)推出:式中fs

為進(jìn)氣閥瞬時開啟面積,m2;μs為進(jìn)氣流量系數(shù);k為比熱比;Ts

為進(jìn)氣管中空氣的溫度,K;Ps進(jìn)氣管中空氣的壓力,Pa;n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速,r·min-1。10-3514710-36式中,fe

為排氣閥瞬時開啟面積,m2

;μe為排氣流量系數(shù)148第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬

7)內(nèi)能的變化

10-37根據(jù)方程(10-27)可以得出dT/dφ的表達(dá)式,同理dm/dφ也可由方程(10-28)、(10-35)、(10-36)聯(lián)立得出。10-38由于假定氣體是理想氣體,故質(zhì)量比內(nèi)能u是溫度的單值函數(shù),即u=CvT,取其定容比熱容Cv為定值。而U=mu,從而進(jìn)一步得出：149第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬

8)氣體與氣缸壁、活塞頂及缸蓋底面的傳熱量式中,aw

為傳熱系數(shù);Tw1為缸蓋內(nèi)表面平均溫度,K;Tw2為活塞頂表面平均溫度,K;Tw3為氣缸內(nèi)壁平均溫度,K;10-3910-401502燃燒過程模擬結(jié)果及分析1）氫燃料發(fā)動機(jī)基本參數(shù)本節(jié)以K5A單缸氫發(fā)動機(jī)為例對其燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬,氫發(fā)動機(jī)基本參數(shù)見表10-10。151第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬

表10-10發(fā)動機(jī)基本參數(shù)152第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬

將以上微分方程聯(lián)立求解可以計算得到缸內(nèi)壓力、溫度等參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系。龍格-庫塔法作為求解微分方程的一種有力工具,一直以準(zhǔn)確、穩(wěn)定及容易編程等優(yōu)點被廣泛采用,其實質(zhì)是間接地使用泰勒級數(shù)的一種方法,即設(shè)法在(xn,xn+1)內(nèi)多預(yù)測幾個點的斜率值,然后將它們加權(quán)平均作為平均斜率以構(gòu)造出具有更高精度的算法。本節(jié)內(nèi)容系采用Matlab工具箱中的龍格-庫塔法對其進(jìn)行求解。2）計算方法1533）缸內(nèi)壓力計算與分析圖10-29所示為氫燃料發(fā)動機(jī)在轉(zhuǎn)速為1700r·min-1,燃空當(dāng)量比α=0.4(注：此節(jié)中的然空當(dāng)量比也用α表示，注意與之前章節(jié)的余氣系數(shù)α區(qū)別),點火提前角θ為25°CA時計算的示功圖與實測示功圖的對比結(jié)果。154第十章氫發(fā)動機(jī)

—氫內(nèi)燃機(jī)工作過程的數(shù)值模擬