氫燃料發(fā)動機研究現(xiàn)狀與發(fā)展展望

劉雙源

摘 ?要 ?目前，“十面霾伏”已成為秋冬季節(jié)的代名詞，PM2.5的濃度增加將汽車尾氣污染推到了風(fēng)口浪尖。氫能具有清潔、高效、可再生的特點，在替代傳統(tǒng)燃料方面最具發(fā)展?jié)摿Α１疚慕榻B了氫燃料的優(yōu)勢及氫氣發(fā)動機的可行性，重點對氫燃料發(fā)動機的研究現(xiàn)狀進行詳細闡述，對發(fā)展前景進行預(yù)測。

關(guān)鍵詞 ?氫燃料發(fā)動機;研究現(xiàn)狀;發(fā)展展望

中圖分類號：TK46 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1671-7597（2014）21-0002-02

每年的秋冬季為霧霾高發(fā)季節(jié)，今年“十一”剛過，霧霾就來勢洶洶，讓我國華北大部地區(qū)再遭“心肺之患”。河南作為第一人口大省，十八地市也先后開啟“霧霾模式”，陷入“十面霾伏”的尷尬局面。除了工業(yè)生產(chǎn)、氣象等條件外，機動車尾氣排放成為PM2.5濃度增加的元兇。世界石油資源緊缺，而我國的汽車保有量逐年上升，隨之而來的溫室效應(yīng)、“光化學(xué)煙霧污染”現(xiàn)象頻發(fā)，因此尋求新型可再生能源迫在眉睫。氫能清潔、高效、可再生，在替代傳統(tǒng)燃料方面最具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 ?新能源汽車的對比

近年來，溫室效應(yīng)、PM2.5等名詞頻繁出現(xiàn)在新聞頭條，嚴(yán)重的霧霾天氣使國民的環(huán)保意識逐漸增強，新能源汽車以其低價、環(huán)保等優(yōu)勢越來越受到消費者青睞。目前，新能源汽車分為五類：混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池電動汽車、氫發(fā)動機汽車、其他新能源汽車。

混合動力汽車發(fā)展較早，技術(shù)較成熟，汽車動力來自于內(nèi)燃機和蓄電池，在一定程度上解決了蓄電池續(xù)航里程短、石化燃料污染以及低速行駛時效率低的問題，但仍然無法擺脫對傳統(tǒng)燃料的依賴，制造成本遠高于傳統(tǒng)汽車。

純電動汽車綠色環(huán)保，噪音小，無尾氣排放，但技術(shù)尚未成熟，如蓄電池價格昂貴，充電時間長，壽命短，外形尺寸和重量偏大，續(xù)航能力差等因素使得純電動汽車的發(fā)展空間狹小。

燃料電池汽車?yán)么呋瘎┑淖饔茫?jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能并輸出動力，但技術(shù)短板也限制其發(fā)展：質(zhì)子交換膜價格不菲，催化劑價格昂貴，燃料電池的汽車加速性能較差等。

氫發(fā)動機汽車使用清潔的能源氫氣，徹底擺脫對石化燃料的依賴，不需要催化劑，氫的儲量豐富，并可采用多種方式制取，能量轉(zhuǎn)化效率高，零排放，氫內(nèi)燃機與傳統(tǒng)燃料發(fā)動機的原理基本相同，加速性能良好，應(yīng)用前景廣闊。

2 ?氫燃料發(fā)動機的可行性

1）燃燒速度快。按照理論空燃比混合的可燃混合氣，燃燒速度比汽油高2～8倍，縮短了燃燒持續(xù)時間，使發(fā)動機的抗爆震性能良好，延后了點火提前角，有效提高了發(fā)動機熱效率。

2）擴散速度很快。氫氣的擴散系數(shù)是汽油的12倍，可使氫氣與空氣混合均勻，充分燃燒，不易發(fā)生淬熄現(xiàn)象，減少了積碳產(chǎn)生，延長發(fā)動機壽命，萬一氫氣發(fā)生泄漏，亦可快速飄散，提高了行車安全性。

3）沸點低。在-253℃的環(huán)境，氫氣仍為氣態(tài)，有利于發(fā)動機冷起動，防止頻繁起動，對緩解交通壓力也有一定輔助作用。

4）單位質(zhì)量低熱值高。氫氣的單位質(zhì)量低熱值約為汽油低熱值的2.7倍，醇類燃料的5～6倍，因此氫發(fā)動機的有效熱效率比較高，燃油消耗率低。

5）零排放。氫燃料的燃燒產(chǎn)物主要是水，僅含少量NOx，對環(huán)境污染小。

6）可燃范圍廣?；旌蠚獾倪^量空氣系數(shù)范圍可達10～0.15，在發(fā)動機整個負荷范圍內(nèi)均能正常工作，點火能量僅為其他燃氣的1/3～1/6，可燃性好，易于實現(xiàn)稀薄燃燒，使發(fā)動機工作平穩(wěn)，有效提高燃料經(jīng)濟性，同時減少了環(huán)境污染。

7）熱效率高。氫氣發(fā)動機的理論循環(huán)最接近奧托循環(huán)，轉(zhuǎn)速高，熱效率高，與汽油機相比，氫氣發(fā)動機熱效率要高出15%～50%。

8）壓縮比高。氫的辛烷值比較高，因此氫燃料發(fā)動機具有高壓縮比。

3 ?氫燃料發(fā)動機的研究現(xiàn)狀

1）國外研究現(xiàn)狀。

汽車在消化大量石化燃料的同時，不斷排放著有害氣體和污染物質(zhì)，所以世界上幾乎所有的汽車巨頭都在研制新能源汽車，氫燃料發(fā)動機如同諾亞方舟一樣，使人們在能源危機中看到了希望。

寶馬公司作為一家具備獨特創(chuàng)新意識和戰(zhàn)略性眼光的汽車制造商，承擔(dān)起了促進可持續(xù)機動化產(chǎn)業(yè)的歷史使命。早在1978年，寶馬公司就開始著手研究氫動力單元。到1979年，寶馬公司與DLR合作生產(chǎn)了帶有液氫燃料罐和氫燃料引擎的汽車。經(jīng)過不斷的研究改進，2000年在德國漢諾威舉辦的世博會上，寶馬公司的第5代氫動力汽車BMW 750hL問世，展示了私人環(huán)保汽車之路。在2005上海國際車展上又隆重推出H2R“車速世界記錄氫燃料轎車”。2004年9月這輛原型車在法國Miramas高速試車場一天之內(nèi)連續(xù)創(chuàng)造了9項世界記錄，以令人印象深刻的方式證明了內(nèi)燃發(fā)動機氫燃料汽車的驚人潛力。在2007年，寶馬公司又推出了全球首款以氫為動力的高性能豪華轎車——BMW Hydrogen 7，該車以寶馬7系轎車為基礎(chǔ)，搭載氫內(nèi)燃機技術(shù)，尋找到低排放甚至零排放的出路。到2009年，寶馬已開發(fā)出將熱效率最大提高至42%的氫發(fā)動機“H2BVplus”，與渦輪柴油發(fā)動機處于同等水平，根據(jù)規(guī)劃，寶馬的氫動力汽車有望在2020年實現(xiàn)量產(chǎn)。

美國第二大汽車生產(chǎn)商福特公司也不斷致力于新能源汽車的開發(fā)，在2001年發(fā)布了第一款氫內(nèi)燃機演示車，并于2003北美國際車展會上首次展示了U型概念車、基于福特?？怂沟难菔拒?、V-6動力牽引車以及混合型全順。在2006北美國際汽展會上，福特公司推出了Super Chief Concept（超級首領(lǐng)概念車），展示了可使用氫、E-85乙醇或汽油作燃料的三重靈活燃料技術(shù)。在2007年7月17日，福特氫燃料V-10發(fā)動機正式投產(chǎn)，成為福特汽車在氫技術(shù)研究進程中的一個重要里程碑。endprint

氫燃料發(fā)動機清潔、環(huán)保、高效的優(yōu)點一直吸引著各大汽車生產(chǎn)商，奔馳公司從20世紀(jì)70年代開始氫燃料發(fā)動機的研究工作，并于1978年開發(fā)出第一輛氫燃料樣車，近幾年，奔馳公司又開展了氫氣缸內(nèi)噴射的氫燃料樣車試驗。其他汽車公司也都在積極開展氫能車輛研究，通過自主研發(fā)，合作共贏為人類的可持續(xù)發(fā)展做出了重大貢獻。

2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀。

我國對氫燃料發(fā)動機的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代，國內(nèi)包括天津大學(xué)、上海交通大學(xué)在內(nèi)的多所高校先后對氫燃料發(fā)動機進行實驗研究。西安交通大學(xué)曾對氫燃燒和動力循環(huán)、氫燃燒流場進行研究，完成了“氫火焰性實驗方法性能評價”等研究課題。浙江大學(xué)新材料所與內(nèi)燃機所合作，成功完成了對一輛用摻氫汽油作為燃料的中巴車的改裝。吉林工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃機研究所通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：摻氫汽油可以改善發(fā)動機性能，減少廢氣的排放。

我國的汽車生產(chǎn)企業(yè)也紛紛對氫燃料發(fā)動機的動力循環(huán)、點火方式、噴射方式等特性進行研究，發(fā)展氫能源的代表企業(yè)堪屬奇瑞和長安。奇瑞汽車公司在發(fā)展混合動力車、電動車的同時，也非常關(guān)注傳統(tǒng)領(lǐng)域的節(jié)能降耗，包括氫能源發(fā)動機的研發(fā)，早在2005年就宣布聯(lián)合研究的首臺純氫氣內(nèi)燃機運行成功。長安汽車公司從2005年開始對氫內(nèi)燃機進行研究，并正式獲得國家“863”計劃立項。經(jīng)過不懈努力，在2007年完成了中國第一臺高效零排放氫內(nèi)燃機點火，并在2008年北京車展上展出了自主研發(fā)的中國首款氫動力概念跑車“氫程”。東風(fēng)汽車公司也在為新能源汽車的開發(fā)付出艱辛的努力，2008年1月初，東風(fēng)汽車公司“含水乙醇重整富氫燃料發(fā)動機”裝車試驗成功，使我國對氫燃料發(fā)動機的研究邁上了新臺階。

4 ?氫燃料發(fā)動機的發(fā)展展望

在“灰色長城”綿延數(shù)千里的今天，環(huán)保、節(jié)能減排成為了各國的共識。氫燃料發(fā)動機作為“綠色動力”，繼承了傳統(tǒng)發(fā)動機的血統(tǒng)，能夠有效緩解能源危機。

氫燃料發(fā)動機存在廣闊的市場前景，不過還存在一些亟待解決的問題，比如存在回火、早燃和爆震等不正常燃燒現(xiàn)象，輸出功率較汽油機偏低，空燃比高于0.5時NOX排放量升高等。此外，從非化石燃料中制取氫氣、儲氫技術(shù)以及氫燃料站和散布式供氫系統(tǒng)的開發(fā)也將是氫能利用走向?qū)嵱没?、?guī)?；?/p>

關(guān)鍵。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，渦輪增壓技術(shù)可以提高氫燃料發(fā)動機的動力性，缸內(nèi)直噴技術(shù)對降低油耗，提升功率大，增大壓縮比也能起到補償作用，液態(tài)氫燃料的應(yīng)用也能相應(yīng)解決一部分問題，今后工作的重點應(yīng)該對不正常燃燒現(xiàn)象進行試驗改進，對降低NOx排放問題進行完善。

要使氫內(nèi)燃機汽車走進尋常百姓家，還需要政府推行優(yōu)惠政策，企業(yè)加快產(chǎn)品研發(fā)，國民更新傳統(tǒng)觀念。政府應(yīng)及時推出購買新能源汽車的鼓勵政策，減免購置稅、消費稅、個人所得稅、降低氫能汽車的售價，讓消費者獲得更多的實惠，為氫燃料汽車的發(fā)展提供更廣闊的空間;汽車生產(chǎn)企業(yè)加快布局新能源產(chǎn)業(yè)，從戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向為實際行動，不斷研發(fā)新產(chǎn)品，提高企業(yè)競爭力，將氫能汽車作為未來發(fā)展的重點，也為企業(yè)長足發(fā)展奠定基礎(chǔ)。國民更需要增強環(huán)保意識，這樣我們才能走出一條可持續(xù)發(fā)展的道路。

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