車用氫氣發(fā)動機研究進展綜述

范英杰

摘要：本文介紹了車用氫氣發(fā)動機的發(fā)展背景、清潔高效的優(yōu)勢及目前的發(fā)展情況。重點介紹了車用氫氣發(fā)動機目前存在的技術問題，包括早燃、回火、動力性能劣化及氮氧化物排放等，并介紹了相關的解決方法。最后對氫氣發(fā)動機未來研究趨勢進行了總結，主要包括性能研究、排放研究及缸內噴射研究。

關鍵詞：氫氣發(fā)動機;進氣道噴射;缸內直噴

Abstract： The development background， clean and efficient advantages and current development status of automotive hydrogen engines are introduced in this paper.The paper focuses on the current technical problems of hydrogen engines for vehicles，Including pre-ignition， tempering， deterioration of power performance and nitrogen oxide emissions， etc and introduced related solutions.Finally， the future research trends of hydrogen engines are summarized， including performance research， emission research and in-cylinder injection research.

Key words： hydrogen engine;port-injection;direct-injection

1? 車用氫氣發(fā)動機發(fā)展情況

目前全球變暖問題愈演愈烈，各國都尋求降低碳排放的方法，中國計劃在2030年實現碳排放的零增長。在此背景下，我國汽車行業(yè)也制定了以新能源汽車為主的發(fā)展方向。但我國的新能源汽車以純電動汽車為主，純電動汽車目前仍需克服其續(xù)航、充電及電池衰減等一系列問題。除純電動汽車以外，國家也加大了對燃料電池行業(yè)的支撐，但其技術、成本等問題還亟待解決。因此，在未來很長一段時間內，汽車動力來源還是以內燃機及內燃機與電機結合的混合動力為主。但內燃機目前也在尋求新的突破。內燃機目前的低碳排放路線有兩條，一條是提高傳統(tǒng)內燃機的燃燒效率，另一條為尋找新的替代燃料，氫氣即為替代燃料中的一種。

氫氣燃燒理論上只生成水，除此以外，以氫氣作為燃料有以下的一些優(yōu)點：①氫氣的可燃極限極廣，不需使用分層燃燒技術即可實現稀燃。稀燃同時也允許氫內燃機使用質調節(jié)的負荷控制策略，采用此策略可顯著降低泵氣損失。②氫氣的燃燒速度快，遠高于其他氣體燃料。燃燒速度快使得燃燒的等容度上升，有利于提高燃燒效率。③氫氣很容易就能被點燃。但這也被認為是氫內燃機容易發(fā)生回火、早燃和爆燃的原因之一。④氫氣熱值高。氫氣的低熱值為120MJ/kg，大約是汽油的3倍。同等質量的氫氣與汽油燃燒，氫氣可釋放更多的熱量。在內燃機中，使用氫氣要比汽油熱效率高15～25%[1]。⑤氫氣的質擴散系數遠高于碳氫燃料。如此高的質擴散系數使得氫能夠在十分稀薄的情況下燃燒。但這也會使得火焰鋒面的不穩(wěn)定性增強，自湍化傾向增加。

氫氣獨特理化性質使其作為燃料時可直接用傳統(tǒng)汽油機進行改造。傳統(tǒng)汽油機只需對燃料供應與噴射系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)以及控制等方面做一些改動。寶馬2007年在一個12缸的汽油機上，對燃料供應系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)以及點火系統(tǒng)、熱管理、電控系統(tǒng)等進行了改造，設計出一款氫氣發(fā)動機[2]。該發(fā)動機最高功率可達到210kW。長安汽車研發(fā)的氫內燃機也在同年點火成功，該發(fā)動機為長安同北京理工大學共同開發(fā)。但因儲氫、加氫技術及制氫、運輸成本的制約，無法進行大規(guī)模產業(yè)化，各主機廠都停止對其繼續(xù)開發(fā)，轉而去研究氫燃料電池，只有部分高校及科研機構還繼續(xù)對其進行研究。2018年，日本產業(yè)技術綜合研究所與日本岡山大學、東京都市大學、早稻田大學組成的研發(fā)小組成功開發(fā)出了全球首款能實現高熱效率和低NOX排放的火花點火氫燃料發(fā)動機。同年的12月3日，北京理工大學在國家軍民融合公共服務平臺上發(fā)布了目前國內唯一的一套可以進行氫燃料內燃機系統(tǒng)開發(fā)的專用試驗臺架。

氫氣發(fā)動機雖短期內無大規(guī)模產業(yè)化可能，但還需繼續(xù)研究作為未來的技術儲備。本文針對當前氫氣發(fā)動機的研究現狀、關鍵問題及現行的解決方案進行綜述，并對未來研究應用趨勢進行分析。

2? 車用氫氣發(fā)動機研究現狀

氫氣發(fā)動機分為進氣道噴射氫氣發(fā)動機與缸內直噴氫氣發(fā)動機。進氣道噴射氫氣發(fā)動機噴氫系統(tǒng)結構簡單，易于改造，便于產業(yè)化，但此種結構易發(fā)生早燃、回火等異常燃燒現象[3]。早燃是混合氣在進氣門關閉之后、火花塞點火之前的非正常燃燒?；鼗鹗腔旌蠚庠谶M氣門關閉之前的燃燒現象。早燃是因為氫氣所需點火能量較低，火花塞跳火前混合氣即被缸內熱點點燃。缸內熱點包括燃燒室中的尖角、電極以及殘留的廢氣等。早燃可引起爆震。影響早燃的因素主要有壓縮比、轉速及混合氣溫度[4]。氫氣點火能量低、著火界限寬和火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤焓且鸹鼗鸬闹饕?。回火主要與進氣道混合氣濃度、配氣相位以及點火系統(tǒng)有關。針對早燃與回火，研究人員進行了大量研究，目前已初步解決這些問題，所用措施如下：

2.1 減少發(fā)動機系統(tǒng)熱點? 可針對缸內運動副、冷卻系統(tǒng)及點火系統(tǒng)等進行優(yōu)化設計，減少缸內熱點產生。對運動副進行優(yōu)化設計，如活塞、活塞環(huán)、缸套等優(yōu)化后可降低進入燃燒室的機油量，減少熱點及熱灰分產生。對冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計，增強冷卻系統(tǒng)對局部的冷卻能力，可加強對火花塞及氣門座的冷卻，使這些易形成熱點的部位溫度降低。對點火系統(tǒng)尤其是火花塞進行優(yōu)化設計，采用裙部短的冷型火花塞，使其散熱更快，不易成為熱點。除此以外，對發(fā)動機的壓縮比等進行合適設計，降低混合氣在壓縮終了的溫度，使其更不容易發(fā)生早燃。

2.2 降低發(fā)動機混合氣溫度? 降低發(fā)動機混合氣溫度可使用進氣道噴水或低溫氣體、廢氣EGR及調整配氣相位、液氫噴射等措施。噴水的原理極為簡單，水汽化會吸收熱量，目前很多汽油機都通過缸內噴水來降低溫度以避免爆震及氮氧化物的產生。噴射低溫氣體則是直接使混合氣降溫。廢氣EGR的加入使混合氣比熱容升高，使其吸收同等熱量的情況下溫度不會上升太多，這樣也可使混合氣在被點燃之前溫度相對較低。調整配氣相位，減小氣門重疊角，在發(fā)動機進氣時使缸內廢氣排出較多，避免燃燒后的廢氣對進氣進行加熱。液氫噴射對儲氫及供氫系統(tǒng)要求較高，其主要技術難點反而并不在發(fā)動機方面，故目前使用較少。

2.3 采用合適的噴氫策略? 對噴氫策略進行優(yōu)化，在進氣初期減少氫氣噴射量，使低濃度混合氣進入燃燒室，首先不易被廢氣及熱點點燃，其次低濃度混合氣中含有較多新鮮空氣，也可對缸內降溫[5]。在排氣門關閉后再開始噴射氫氣，進氣門關閉之前就停止噴氫，可避免混合氣受到排氣的加熱，且進氣道中殘存較少的氫氣，避免回火。但氫氣發(fā)動機噴氫策略優(yōu)化也帶來一個問題，優(yōu)化后的噴氫策略不僅使發(fā)動機無法完全的進氣與排氣，也減少了氫氣的噴射量。

進氣道噴射氫氣發(fā)動機，因氫氣常溫下為氣態(tài)，噴射時會占用進氣道空間，使進氣量減少，發(fā)動機充量系數減少。除此以外，為避免早燃、回火采用的噴氫策略等，都會造成進氣道噴射氫氣發(fā)動機功率與扭矩較低的問題，該問題目前可通過增壓技術來進行解決。增壓可提高進氣充量，達到提升功率與扭矩的效果，但增壓也存在一個問題，增壓后的氣體在經中冷冷卻后溫度還是比較高，相當增加了混合氣的溫度，對早燃與回火的控制也有不利影響，因此增壓氫氣發(fā)動機中冷系統(tǒng)需有良好的冷卻功能，其冷卻功率必須足夠大。

針對缸內直噴氫氣發(fā)動機，因其燃料直接噴入燃燒室，不像進氣道噴射方式，氫氣要占用進氣體積，故可提高發(fā)動機的充量系數。其次直噴方式也不會帶來回火的問題，早燃問題也可通過進氣道噴射氫發(fā)動機的研究成果進行規(guī)避。此外，還可直接將液氫噴入缸內，進行功率提升。對缸內直噴氫氣發(fā)動機的研究目前還比較少，主要集中在對噴氫特性方面。Xi Wang，Bai-gang Sun等人利用紋影法研究了外開噴油器的氫噴射特性[6]，Ho Lung Yip等人同樣使用紋影法研究了壓燃點火時氫氣射流特性以及影響其壓燃火焰結構的因素[7]，為今后的缸內直噴氫氣發(fā)動機的開發(fā)豐富了理論基礎。目前對直噴氫內燃機的研究主要還是依靠光學測試來進行氫氣射流、缸內燃燒等的相關研究，除紋影法外還有LIF、PLIF等方法。且研究一般也是在光學發(fā)動機及定容彈中進行。但目前對液氫噴射特性研究較少。

進氣道噴射氫氣發(fā)動機及缸內直噴氫氣發(fā)動機的共同問題為氮氧化物排放較高，雖然氫氣燃燒理論上只生成水，但實際情況氫氣是在空氣中燃燒，空氣中含有大量氮氣。氫氣燃燒速度快，燃燒溫度高，氮氣在高溫下會變?yōu)榈趸?。針對其氮氧化物排放，主要的控制措施為調整點火提前角、采用稀薄燃燒及EGR技術等。在不同轉速與負荷下需設定合適的點火提前角，防止氫氣燃燒終了的溫度過高，且點火提前角的設定與噴氫相位也密切相關。氫氣燃燒極限廣，本來就接近稀薄燃燒的范疇，因此稀薄燃燒對氫氣發(fā)動機降低氮氧化物的排放作用較小。EGR技術無論在何種燃料的發(fā)動機中都有明顯的降低排放的作用，氫氣發(fā)動機也不例外。

3? 車用氫氣發(fā)動機未來研究趨勢

氫氣發(fā)動機未來發(fā)展還是以提升發(fā)動機性能、降低氮氧化物排放、缸內氫氣噴射與燃燒特性研究為主。雖然目前制氫、儲氫技術發(fā)展較快，但想要在常溫下將氫氣以液態(tài)形式進行噴射還是有很大難度，故針對進氣道噴射氫氣發(fā)動機需繼續(xù)研究提升其性能及排放。進氣道噴射氫氣發(fā)動機制約其動力性的原因前文已提到，因此若想實現產業(yè)化應用，必須對性能進行進一步提升，如采用富氧燃燒[8]等。但根據目前研究進展，進氣道噴射氫氣發(fā)動機動力性提升路徑極其有限，因此在未來發(fā)展中研究人員會減少對其的研究熱度。至于缸內直噴氫氣發(fā)動機，需繼續(xù)對氫氣缸內噴射特性、燃燒發(fā)展情況等進行研究，為缸內直噴氫氣發(fā)動機的缸內氣體流動設計等提供依據。此外，考慮到液氫噴射的各種優(yōu)良特性，需開展對液氫噴射的實驗室研究，以便在供氫設備成熟時進行應用。缸內噴射氫氣發(fā)動機的研究是未來的主要趨勢。至于氮氧化物的排放，從目前的研究結果來看，EGR技術有著顯著的效果，未來針對氫氣發(fā)動機降低氮氧化物排放的研究還是會集中在EGR技術上，如采用不同的EGR率、不同溫度的EGR、不同壓力的EGR等。

但目前制約氫氣發(fā)動機研究的關鍵問題，就是提供相關零部件的配套產業(yè)極少。當前的氫氣發(fā)動機基本都是使用汽油機或柴油機的零部件進行改制，其特性往往無法與氫氣進行高度匹配。如供氫管路、噴嘴、進氣門、火花塞等，進行相關研究的企業(yè)極少。所以，在未來若是想大力發(fā)展氫氣發(fā)動機，必須首先從最基本的硬件方面著手，加強對氫氣發(fā)動機硬件的研究，開發(fā)出針對氫氣設計的零部件。但由于氫氣發(fā)動機的產業(yè)化前景不明朗，該問題也較難解決。

4? 結束語

氫氣作為一種替代燃料，擁有其他燃料無法比擬的特性，研究人員針對氫氣發(fā)動機也作出了大量的研究，解決了其一系列技術問題。但因其產業(yè)化前景問題，目前僅有少數機構在繼續(xù)進行研究，配套產業(yè)也嚴重不足，很大程度上影響了其發(fā)展。隨著制氫、儲氫、運氫、供氫技術的發(fā)展，該情況將發(fā)生改變，氫氣發(fā)動機相關的零部件研究產業(yè)將越來越多，在不遠的將來，氫氣發(fā)動機將有望實現產業(yè)化。

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