氫燃料發(fā)動機(jī)燃燒與排放控制研究進(jìn)展

劉峰良

摘 要：圍繞氫燃料作為車用發(fā)動機(jī)理想代用燃料這一主題，全面論述氫燃料發(fā)動機(jī)混合氣的形成規(guī)律和點(diǎn)火技術(shù);剖析氫發(fā)動機(jī)的異常燃燒機(jī)理和NOX的排放機(jī)理;分析影響氫燃料發(fā)動機(jī)排放的主要因素;總結(jié)異常燃燒和NOX排放的控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：氫燃料;發(fā)動機(jī);混合氣形成;異常燃燒;排放;控制

1 前言

在環(huán)境污染日益嚴(yán)重和石油能源日益短缺的新世紀(jì)，潔凈能源越來越受到關(guān)注。氫燃料用于車用發(fā)動機(jī)時除了具有燃燒速度快，著火界限寬廣，質(zhì)量放熱率高等獨(dú)特優(yōu)勢外，還具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)繼承性，這些均使得對氫燃料發(fā)動機(jī)的研究方興未艾。因此，如何合理組織混合氣的形成與燃燒，抑制氫發(fā)動機(jī)的異常燃燒，以及如何對氫燃料發(fā)動機(jī)的排放進(jìn)行控制將是我們目前研究的方向。

2 氫燃料發(fā)動機(jī)混合氣的形成及燃燒

2.1氫燃料發(fā)動機(jī)混合氣的形成

氫燃料發(fā)動機(jī)主要有2種混合氣形成方式：外部混合和內(nèi)部混合。外部混合氣形成方式是指在進(jìn)氣道噴射氫燃料。內(nèi)部混合氣形成方式是指在進(jìn)氣閥關(guān)閉后將氫燃料直接噴入缸內(nèi)。

2.2氫混合氣點(diǎn)火

氫混合氣根據(jù)噴射壓力的不同，著火方式也不同。低壓噴射氫燃料發(fā)動機(jī)適合采用火花點(diǎn)火方式，若通過增加進(jìn)氣控制早燃，則可獲得較大的輸出功率。因為氫空氣混合氣只需較小點(diǎn)火能量便能著火，而且混合氣著火界限也較寬廣，故相對汽油空氣混合氣而言，氫空氣混合氣更適合于采用火花塞點(diǎn)火方式。

2.3氫燃料發(fā)動機(jī)的異常燃燒和抑制技術(shù)

氫燃料發(fā)動機(jī)的異常燃燒有3種情況：燃燒初期的燃燒壓力升高率太高和爆震、燃燒過程的早燃和進(jìn)氣管回火。這3種異常燃燒有時可以相互轉(zhuǎn)化和促進(jìn)，比如早燃的不斷提前最終可以導(dǎo)致回火的發(fā)生;過高的壓力升高率容易產(chǎn)生缸內(nèi)熾熱點(diǎn)促使早燃和回火發(fā)生。

2.3.1異常燃燒機(jī)理

由于外部混合氣形成方式的氫燃料發(fā)動機(jī)的燃燒屬于預(yù)混燃燒，在著火前形成大量預(yù)混合氣，從而在燃燒初期大量的混合氣同時燃燒，燃燒速度很快，再加之燃燒室本身容積很小，出現(xiàn)壓力波動和爆震現(xiàn)象。氫燃料發(fā)動機(jī)偶爾在混合氣較稀（低負(fù)荷）時也會發(fā)生回火，但是加濃混合氣后發(fā)動機(jī)又可恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.2異常燃燒的抑制技術(shù)

由于早燃可能是由于氣缸壁內(nèi)的熾熱點(diǎn)引起，所以必須保證氣缸的嚴(yán)格清潔，并且采用相對較冷的火花塞和更狹小的火花塞間隙。

根據(jù)上述異常燃燒機(jī)理可知：任何能減少火焰?zhèn)鞑ニ俣龋黾狱c(diǎn)火所需的能量和淬熄距離的方法都可以減少回火。為此，采用稀燃、廢氣再循環(huán)（EGR）和混合氣內(nèi)噴水的方法都可以抑制回火的產(chǎn)生。

3 氫燃料發(fā)動機(jī)排放及其抑制技術(shù)

3.1氫燃料發(fā)動機(jī)的排放

氫燃料發(fā)動機(jī)在排放性能上具有傳統(tǒng)燃料發(fā)動機(jī)無可比擬的優(yōu)勢。由于燃料中沒有C，所以燃料本身燃燒時也就沒有了CO、HC、碳煙等的排放，而竄入到燃燒室內(nèi)的少量潤滑油燃燒后產(chǎn)生的微量有害排放物可以忽略。它唯一的有害排放物是NOX，主要是空氣中的N2在燃燒室的高溫條件下氧化而生成的氮的氧化產(chǎn)物。

3.2影響氫燃料發(fā)動機(jī)排放的因素

3.2.1負(fù)荷對排放的影響

在氫燃料發(fā)動機(jī)中NOX的排放隨負(fù)荷的增加而增加，這是由于NOX的生成條件是高溫富氧。當(dāng)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷增加時，其最高燃燒溫度升高，從而有利于NOX的生成。

3.2.2噴氫方式的影響

氣體燃料發(fā)動機(jī)的燃?xì)夤?yīng)方式包括采用混合器先將燃?xì)馀c空氣進(jìn)行混合、單點(diǎn)噴射、多點(diǎn)噴射等方式。采用多點(diǎn)噴射的氫燃料發(fā)動機(jī)NOX排放量低于配電控混合器發(fā)動機(jī)。主要原因是：采用閉環(huán)控制和順序多點(diǎn)噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對發(fā)動機(jī)各缸空燃比的精確控制，增加了發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的稀燃極限，其混合氣濃度較電控混合器低，從而降低了發(fā)動機(jī)的最高燃燒溫度，使得多點(diǎn)順序噴射的NOX排放量低于電控混合器的排放量。

3.2.3增壓和非增壓的影響

增壓對氫燃料發(fā)動機(jī)排放的影響也是當(dāng)今廣受關(guān)注的課題。增壓以后，進(jìn)氣管內(nèi)空氣壓力、溫度、過量空氣系數(shù)和燃燒速度都發(fā)生變化，它們對NOX排放量的影響情況比較復(fù)雜。增壓壓力增加，NOX的相對濃度增加。隨著充氣溫度的增加，NOX排放量增加，同時功率有所下降。

3.2.4過量空氣系數(shù)的影響

過量空氣系數(shù)對NOX的生成有兩方面的影響，一方面氧氣的增加促使NOX生成;另一方面過量空氣吸收一部分燃燒熱量使氣缸溫度下降，但是由于平均過量空氣系數(shù)增加，不足以表示噴氫束中局部混合氣中氧濃度的增加，實(shí)際上隨過量空氣系數(shù)α增加，NOX的生成量有所下降。

3.2.5點(diǎn)火提前角的影響

點(diǎn)火提前角對氫燃料發(fā)動機(jī)NOX排放量的影響比較大。增加點(diǎn)火提前角，引起燃燒過程提前，最高燃燒壓力值增加。這是因為大部分燃料在上止點(diǎn)前燃燒，最高燃燒壓力值出現(xiàn)在靠近上止點(diǎn)、氣缸容積比較小的位置。最高燃燒壓力高導(dǎo)致最高燃燒溫度高，此時已燃?xì)怏w滯留在高溫下的時間也較長，這2個條件都會促進(jìn)NOX的生成。反之，減小點(diǎn)火提前角，可降低缸內(nèi)最高燃燒壓力值，這是因為較大部分的燃料在上止點(diǎn)以后燃燒所致。

3.3NOX排放的抑制技術(shù)

NOX生成的三要素為高溫、富氧和在高溫富氧滯留時間的長短。因此降低燃燒溫度是減少NOX排放量的主要策略，對于濃混合氣，因為燃燒溫度較高，應(yīng)設(shè)法縮短N(yùn)2和O2反應(yīng)時間，以減少NOX的排放量。

通過上文可知與這三個要素最密切相關(guān)的參數(shù)是點(diǎn)火提前角和混合氣的濃度。當(dāng)氫空氣混合氣濃度接近理論混合比時，氫燃料發(fā)動機(jī)的最高燃燒溫度比汽油高大約200℃.因此，降低NOX的一個措施就是采用稀燃燃燒技術(shù)。

此外，采取EGR不僅降低了壓縮行程的終點(diǎn)溫度，而且廢氣能取代空氣中的氧氣，使發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的氧濃度下降，所以EGR可以降低NOX的排放量。

4 小結(jié)

本文全面論述了氫燃料發(fā)動機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。主要結(jié)論如下：

（1）氫燃料潔凈、污染小，燃燒放熱量高，很有希望成為車用發(fā)動機(jī)的理想代用燃料。

（2）缸內(nèi)高壓直噴和低溫直噴是氫燃料發(fā)動機(jī)的發(fā)展方向，稀燃、速燃技術(shù)和廢氣再循環(huán)技術(shù)用于氫燃料發(fā)動機(jī)對控制排放和異常燃燒有一定作用。

目前氫燃料發(fā)動機(jī)異常燃燒的問題，主要是因為現(xiàn)在所用的氫燃料發(fā)動機(jī)都是由傳統(tǒng)的汽油機(jī)或柴油機(jī)改裝而來的。如果能針對氫燃料的特性設(shè)計專用的氫燃料發(fā)動機(jī)，那么現(xiàn)在所遇到的大部分問題將能得到根本性的解決。

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