氢气发动机的研究现状与发展前景

第36卷 第1期2007年2月小型内燃机与摩托车

SMALLINTERNALCOMBUSTIONENGINEANDMOTORCYCLEVo.l36No.1

Feb.2007

氢气发动机的研究现状与发展前景

张永锋 骆清国 刘福水

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(1-装甲兵工程学院机械工程系 北京 100072 2-北京理工大学机械与车辆工程学院)摘 要:通过分析传统内燃机面临的危机和氢气发动机具有的优点,说明了发展氢气发动机的必然性。介绍了目前氢气发动机的国内外研究现状,总结了氢气发动机发展中面临的问题,并为氢气发动机的发展指明了前景。

关键词:氢能 氢气发动机 研究现状 发展前景

中图分类号:TK464 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2007)01-0070-04

ResearchStatusandDevelopmentProspectof

HydrogenEngine

ZhangYongfeng,LuoQingguo,LiuFushui

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1-DepartmentofMechanicalEngineering,AcademyofArmoredForceEngineering(Beijing100072)2-SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,BeijingInstituteofTechnology(Beijing100081)

Abstract:Thedevelopmentofhydrogenengineisinevitablethroughanalyzingthecrisisoftraditionalinternalcombustionenginesandtheadvantagesofhydrogenengine.Researchstatusofhydrogenengineinhomeanda-broadisintroducedandsomecomingquestionsofthedevelopmentofhydrogenenginearesummarized.Fina-lly,thedevelopmentprospectofhydrogenengineispointedoutclearly.

Keywords:Hydrogenenergy,Hydrogenengine,Researchstatus,Developmentprospect

1 氢气发动机研究的意义

由于能源危机和环境污染的日益加剧,目前世界各国比以往任何时候都清醒地意识到解决这两个重大问题的迫切性,现行的汽车动力和能源结构也将面临根本的变革,现在各国都在大力发展低污染、节能的/清洁燃料0汽车,以解决所面临的问题。1.1 传统内燃机面临的危机

1)石油资源危机

现代工业和人们生活所依赖的航天、航空、船舶、汽车和化工等无不使用石油。内燃机主要以汽油和柴油为燃料,这两种燃料都来自于石油。石油是不可再生能源,储量有限,据统计,全球石油还可供开采40~

50年,石油资源危机将日益严重。2003年我国已成为世界第二大石油进口国,石油资源需求很大,从能源发展战略来看,寻找一种新型能源代替石油已迫在眉睫。

2)环境污染与温室效应

大气中CO2增加是造成温室效应,导致全球变暖的重要原因。全球气候变暧会使海平面升高,引起沿海地方淹没;还会极大地影响降雨分布,改变地球的生态。由于大量的CO2排向大气层,直接造成/全球气候变暧0。从20世纪50年代以来全球CO2的排放量几乎成直线上升趋势。据统计,全世界由热力发动机燃烧产生的CO2约占了全部CO2排放量的25%。我国CO2的排放量居世界第二位,仅次于美国。另外,

(1978),男,,

第1期张永锋等:氢气发动机的研究现状与发展前景

对环境污染小。

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汽车尾气排放出来的大量NOx和颗粒物是城市空气污染的主要来源。城市大气受大量汽车尾气污染时,在一定条件下会发生/光化学烟雾污染0现象,对城市人群健康产生极大的危害。

3)各种法规的严格限制

由于受到各种越来越严格的排放、噪声等法规的限制,使得传统内燃机结构越来越复杂和成本越来越高。1.2 氢气发动机与燃料电池相比具有的优点

21世纪被普遍认为是氢经济时代,氢气发动机汽车和燃料电池汽车的研究均已得到各国科学家和工程师的广泛关注。作为汽车动力,燃料电池以其功率大,效率高和无污染等优点被认为是替代石油燃料发动机的理想解决方案之一,但其价格昂贵,使用不便,电池的寿命远短于发动机寿命,且电动车的最大连续行驶里程要受到配备电池数量的限制,在近期内很难达到实用化水平。与燃料电池驱动系统相比,用氢燃料直接驱动的发动机价格低、功率大、重量轻及对传统发动机结构做不大改动就可以直接燃烧氢气,且对原车传动系统的改变也小。因此,现代专业人员一直致力于将氢气直接作为发动机燃料的研究,一方面适合发动机能源、排放等方面的要求,另一方面又满足汽车连续行驶里程及能利用现有发动机的要求。1.3 氢燃料与其它发动机燃料相比具有的优点

氢燃料与其它发动机燃料相比具有如下优点:1)氢的资源丰富,并可采用多种方式制取,如可从天然气中提取,可由再生物质制氢,可电解水制氢等。

2)其理论循环最接近奥托循环。氢气发动机集柴油机的高热效率和汽油机的高转速特性于一身,是个非常理想的系统。研究表明,在相同的测试条件下,氢气发动机热效率比汽油机高15%~50%。

3)氢燃烧速度快。接近理论循环比成分的氢-空气混合气的燃烧速度比其它气体和汽油的燃烧速度高出2~8倍,因此,氢气发动机可以用于贫燃。

4)氢和空气的混合气具有特别广的可燃范围,在发动机整个负荷范围内都可正常工作,只需调节供氢量即可。

5)可燃性好。氢和空气的混合气燃点很高,不能压燃,必须采用外点火,由于氢-空气混合气的点火能量是其它可燃气体的1/3~1/6,其可燃性比较好。

6)氢在-253e下仍为气体,能保证氢发动机不会有任何起动问题,这对于交通拥挤时汽车的频繁起动非常有利。

,,x,

8)以氢为燃料的发动机还有诸如不会发生汽锁、冷壁熄火、汽化不足、混合不当等问题。

因此,氢作为汽车发动机代用燃料的优势不容置疑。

1.4 发展氢气发动机的必然性

氢能同时满足资源、环境和持续发展的要求。在国际氢能杂志上有文章指出:对比不同能源的综合效益,氢是1,天然气是0.6,石油是0.5,合成天然气也是0.5,由此综合经济成本和环境成本可以判定氢能的燃料经济性是最好的,所以在汽车发动机上得到越来越广泛的应用。此外,氢燃料用于汽车时性能优越,被认为是最具有前景的汽车发动机代用燃料。目前,氢燃料发动机既可以采用清洁可再生资源,又可以充分利用现有的庞大工业体系,是实现氢能源经济的最佳途径,发展氢气发动机已势在必行。

2 氢气发动机的研究现状

2.1 国内的研究现状

我国氢能的研究起步较晚,氢气发动机的研究开始于20世纪80年代初。包头冶金研究所、北京有色金属研究所、天津大学都先后进行过内燃机燃氢的实验研究。上海交通大学曾进行过柴油机加氢的双燃料内燃机实验研究,效果较好,现在还在进行燃氢发动机与汽油机的车用性能对比和分析,氢气发动机循环的热力学分析及其变化特征和涡轮增压氢气发动机工作过程的特征和变化等方面的研究。西安交通大学曾进行过/氢燃烧和动力循环的研究0和/氢燃烧流场的研究及氢火焰性实验方法性能评价0等课题的研究。浙江大学曾与日本武藏工业大学合作进行液氢发动机的试验研究,他们采用缸内直接喷射,并用模糊神经网络控制,研究认为氢气发动机的异常燃烧、动力增加及

NOx减少在很大程度上取决于正确的喷氢系统、喷射正时及点火正时。另外,浙江大学新材料所与内燃机所合作,成功地改装了一辆燃用氢、汽油混合燃料的中巴车。吉林工业大学内燃机研究所在对汽油机的掺氢燃烧的实验研究中发现这样可对发动机的性能改善及废气排放物的降低起到良好的作用。2.2 国外的研究现状

20世纪后期以来,美国、德国、日本和俄罗斯等国家对氢气燃料发动机的研究热潮逐渐兴起,持续至今。这一阶段的研究主要集中在燃烧机理的研究和对燃烧规律的认识,一般燃烧过程采用化油器或进气管喷射,

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