内燃机的资料

氢燃料内燃机技术现状与发展展望【摘要］介绍了氢气及氢燃料内燃机的特点及氢燃料内燃机的技术现状。通过对比分析指出氢燃料内燃机既可以采用清洁可再生能源，又可以充分利用现有的庞大工业体系，是实现氢气经济的现实途径。一前言使氢气转变为汽车动能有两种主要途径：(1)氢气作为车用内燃机燃料燃烧作功；(2）氢气应用于燃料电池。但燃料电池系统在能量密度、体积、质量、反应速度及成本等方面的问题还未很好解决，相关技术距实用还有相当一段距离。而用氢气作为内燃机燃料，既可以实现氢能源清洁、可再生的特点，又可以利用目前已经充分建立起来的内燃机工业基础，且氢气发动机热效率较高，综合效率与燃料电池效率相当，生产及使用成本低，在使用性能、成本等方面较容易被广大用户所接受。因此，以氢气作为内燃机燃料已经被车辆行业公认为是近阶段氢能用于汽车的最现实、最经济的途径。二氢作为车用燃料的发展历程以氢为燃料的汽车开发研究经历了一个曲折的过程。早在1920年就有人将氢作为燃料在发动机中试验，但进展不大。20世纪70年代的石油危机给各国敲响了警钟，对氢的研究开始受到人们的关注。此后，石油供应又趋于稳定，氢气汽车的研究又停滞下来。进人20世纪90年代，由于大气中CO2的增加，地球的温室效应日益严重。而氢气燃烧不产生CO2，所以氢气发动机的研究开发再次引起人们的重视。目前，美、德、日等发达国家对其研究方兴未艾。美国福特公司开发的U型概念车既可以用汽油，也可以用氢气作燃料。福特公司宣称，氢气能够将内燃机效率提高25％一30%，而这一效率已和氢燃料电池大致一样。在氢燃料内燃机工作过程中，包括C02在内的污染物排放几乎可以忽略不计。奔驰公司自20世纪70年代就开始了这一领域的预研工作，1978年开发了第一辆氢燃料样车，采用氢与空气均匀混合后从发动机进气管吸人气缸的供给方式。近几年奔驰公司又将氢燃料项目列人进一步的研究课题“HYPASS"，开展氢气缸内喷射的氢燃料样车试验。宝马公司从1978年开始开发以氢气为燃料的内燃机汽车。由柴油机/汽油机的改造到现在已经研发了6代氢燃料内燃机驱动的轿车。宝马公司在BMW735i轿车上进行研究试验，配备采用氢气为燃料的3.5L6缸火花点火式发动机。氢气采用液态贮存方式，每次加注燃料可供汽车行驶299km。该车保留了原来的汽油喷射系统，可以选择汽油或氢气燃料工作。氢气采用多点喷射方式，可防止回火，且进一步提高了效率。2004年9月，宝马集团在法国Miramas用一部名为H2R的氢内燃机驱动的汽车创造了9项速度纪录。该车装备6LV12氢燃料内燃机，最大功率为210kw,o一lookm/h加速约6s，最高速度达302.4km/h。这表明氢动力汽车的性能丝毫不逊于传统能源汽车。宝马公司已经完成了批量生产前的准备工作，并在德国的慕尼黑、柏林等大城市建设了氢气加气站，计划从2005年开始，逐步将氢燃料内燃机动力的轿车推向市场。我国在氢气发动机研究方面起步较晚，相关技术力量比较薄弱。浙江大学较早开展了氢发动机的研究，并针对氢发动机运转中存在的问题，提出了燃烧改进方案；浙江大学、吉林工业大学、天津大学等进行了有关在汽油机的燃烧过程中加人部分氢气改善汽油机燃烧过程的研究；另外，上海交通大学利用计算机数值模拟技术对氢气发动机的性能进行了预测。但从研究内容的广度和深度上，国内与国外还存在较大的差距。我国在氢能源的制取和供应上已经进行了许多卓有成效的工作，为氢燃料内燃机的研发应用奠定了良好的基础。三氢气作为车用内燃机燃料的特点氢燃料与天然气、汽油等相比，单位质量的能量密度高，可燃界限宽，燃烧速度快，是一种良好的车用燃料。表1比较了氢燃料与天然气、汽油在燃烧特性方面的差异。从表l看出，氢作为内燃机燃料有下列特点。(l）氢气的单位质量低热值高约是汽油低热值的2.7倍，但氢与空气的理论混合气标态热值只有3.186MJ／M3，大约低于汽油18％。(2）可燃混合气浓度范围很大氢内燃机易于实现稀薄燃烧，提高经济性，同时可以降低最高燃烧温度，大幅度地减少NO，的排放量。(3）自燃温度较高氢的自燃温度较天然气和汽油都要高，利于提高压缩比，提高氢燃料内燃机的热效率。这一特性也决定了氢燃料内燃机难以像柴油机那样采用压燃点火，而适宜于火花塞点火。(4）点火能量很低尽管氢燃料的自燃点比天然气、汽油等燃料都要高，但它所需要的点火能量却很低，最小可以低到0.020mJ。因此，氢燃料内燃机工作时几乎从不失火，并具有良好的启动性。(5）燃烧速度快氢的燃烧反应按链式反应机理进行，火焰传播速度快（2.91而s)，是汽油的7.72倍，在发动机中燃烧时抗爆性比汽油好，可以采用较高的压缩比，因此热效率比燃烧纯汽油时高。(6）氢气在空气中的扩散系数很大氢气的扩散系数是汽油的12倍，因此氢气比汽油更容易和空气混合形成均匀的混合气。但是，高的扩散系数对防止泄露不利。由于氢气的分子极小，渗透性很强由此引起的金属表面脆性和存储时的缓慢渗漏也是氢燃料应用中的一个十分棘手的问题。(7）氢气密度很低常温常压下，氢气的密度只有天然气的1/8。对于车用燃料来讲，当车辆的续驶里程一定时，氢气所需的储气罐就要比其它燃料的大得多。(8）有害排放物少氢气燃烧的主要产物是水，不产生CO及HC，但产生一定量的NO：。在稀燃状态下，NO：的排放量可大大降低。同时氢气火焰的淬冷距离比汽油小，因此靠近缸壁激冷层的可燃混合气燃烧得更完全。四氢气内燃机的技术现状(2）液态储氢液态储氢是将高纯度的氢经过深冷装置液化，储存在液氢罐中。液化过程所消耗的能约为氢热值的30%，因此成本很高。由于液氢的沸点很低，为20.4K（一252.6℃），必须存放在具有良好绝缘性能的双层真空结构的金属容器中，容器的材料要防止冷脆，一般用不锈钢或铝制造。每千克氢的热值大约是同等质量的汽油热值的3倍，但液氢的密度只是汽油的1/10，所以与10L汽油能量相当的液氢体积约为30L，液氢油箱的外形尺寸是汽油箱的4一5倍。4.4.2化学方法储氢化学方法储氢主要是采用金属氢化物（MH）为氢贮藏源。首先将氢加压供给MH贮气罐，同时对贮气罐进行冷却、散热，促进氢的吸收和贮藏。当使用氢燃料时，可在低于吸人压力或高于吸入温度的情况下，使金属氢化物（MH）释放氢气，通过供气装置供给发动机，释放氢气的过程中金属氢化物(MH）需要吸收热量。金属氢化物不会自燃，较为安全。有的汽车上同时采用低温型及高温型的金属氢化物，目的在于充分利用它们各自的优点。5前景展望氢燃料内燃机基于传统的内燃机技术和生产、维修体系，具有良好的生产、使用基础，技术上也具有一定的成熟性，与氢燃料电池相比，氢燃料内燃机在造价上具有明显的优势。在车用燃料电池的成本能够与之相匹敌之前，氢燃料内燃机将具有很强的竞争力。在汽油机中掺烧氢气燃料