氫能源發動機的研究現狀及發展趨勢

楊英哲

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450011）

氫能源發動機的研究現狀及發展趨勢

楊英哲

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450011）

為推動科技的進步以及減少汽車的尾氣排放，降低能源的消耗，實現社會經濟的可持續發展，國內外大批相關工作人員致力于研究氫能源發動機（以下簡稱氫發動機）并且不斷解決氫發動機在應用中出現的實際問題，本文著重介紹氫發動機的研究現狀以及未來的發展趨勢。

氫能源；發動機；研究現狀；發展趨勢

進入21世紀，汽車工業得到了迅猛地發展，然而目前汽油機和柴油機依然是車用發動機的主要機種。汽油和柴油都是不可再生資源，為了緩解石油資源匱乏所帶來的一系列負面影響以及減輕大氣污染和汽車尾氣排放，需要尋找發動機的代用燃料，而氫能源是目前最理想的清潔燃料。氫能源是眾多替代能源中的一種可再生能源，熱值高，并且燃燒后大部分生成物是水蒸氣，是一種理想的綠色燃料。作為代用燃料的氫能源可以解決兩大難題：一是石油燃料儲量有限，二是使用石油燃料帶來的環境污染。

1 氫燃料作為代用燃料的理想性

首先這是由氫燃料的高效、清潔燃燒特性決定的。氫是不含碳的燃料，燃燒后生成H2O，不會生成CO，HC，CO2及硫化物。其次雖然在自然界中氫的含量比較少，但是氫的分布很廣，含氫的化合物在自然界中也很多，其中最常見的一種方式就是電解水就可以得到氫氣，因而它是一種很有發展前景的新型替代能源。

氫作為發動機代用燃料主要有以下特點：氫與空氣的理論混合氣標態熱值為3.186MJ/m3,大約低于汽油的18%，但氫的單位質量低熱值約是汽油低熱值的2.7倍；氫氣比甲烷的自燃溫度更高，能承受更大的壓縮比，使得氫發動機的熱效率得到提高，較高的自燃溫度使得氫發動機易于點燃而不易于壓燃；著火界限比較寬，氫發動機能比較容易地實現稀薄燃燒，提高了燃油利用率，在當前節能減排的大環境下更具有競爭優勢；氫氣的點火能量很低，因此氫發動機具有良好的啟動性，能有效解決發動機冷車狀態下不易啟動的問題；燃燒速率很大，火焰傳播速度是汽油的7倍，幾乎相當于等容燃燒，熱效率得以很大提高，從而降低了循環變動，對湍流強度，進氣渦流和燃燒室形狀的敏感度；擴散系數比較大，大概是汽油的9倍，與汽油相比，更容易與空氣形成比較均勻的混合氣；氫氣燃燒產生的排放物不產生一氧化碳及碳氫化物，主要生成物是水，產生一定量的NOx。

2 氫發動機的研究歷程

2.1 氫發動機在國外的研究概況

19世紀中期，國外的氫發動機率先起步。世界上第一臺氫發動機誕生于德國慕尼黑。研制的契機是二戰期間，德國的汽油嚴重短缺。第一次全面研究氫發動機的科學工作者，當屬英國學者波斯托爾（Burstoll）和里卡多（Ricardo），兩人耗費20年時間詳細研究了氫發動機的燃燒和工作過程，對后人的幫助很大。魯多夫艾倫（Rudolph Erren）首次將氫氣通過小型噴嘴直接噴入缸體內部，進行缸內混合。

20世紀最后幾十年，隨著金融危機油價不斷上漲，日本、美國和德國等國家對氫燃料發動機進行了大量的研究攻關，日本武藏工業大學與尼桑公司于1990年合作研制成功的“武藏汽車”液氫汽車在世界氫能會議上展出，展示了液氫汽車研制取得的最新成果。2001年，BMW公司舉辦“清潔能源世界巡展”，寶馬公司向世界展示了它的氫燃料汽車，引起世界的廣泛關注。從此，氫能進入了一個規劃、研究、開發與應用的新時期。2007年，歐盟委員會發起并推廣了發動機燃氫技術，設立了一個名為HyICE的氫發動機項目，該項目由10個歐洲伙伴共同完成，實現了對氫發動機的優化控制，并成功研發出一款氫發動機，和傳統的燃油發動機相比，該發動機無論是性能還是成本都具有很大的優勢，其升功率達到100千瓦，這也是研究人員首次充分利用氫的特性所研制的氫發動機。

2.2 氫發動機在國內的研究概況

我國在發動機燃氫技術的研究方面比較薄弱，不過發展很快。浙江大學、華北水利水電大學對原有的傳統發動機進行改造，加裝供氫和燃氫噴射系統，并對發動機采用了模糊神經網絡控制，經過反復試驗，有效降低了氫發動機出現異常燃燒的現象。試驗結果表明采用正確的噴氫策略、選擇恰當的噴射提前角以及點火提前角都能在一定程度上減少氫燃料發動機的異常燃燒現象以及降低NO的排放，并能有效地提高發動機的動力輸出。2006年8月，由北京飛馳綠能公司、北京工業大學、北京益麥斯科技公司聯合成功研制了一輛用汽油和氫氣作為混合燃料的伊蘭特轎車。2007年6月，我國完全自主研制的第一臺氫發動機在長安集團成功的點火，標志著我國氫發動機技術已經取得實質性的進展。經過這些年不斷的探索，國內在發動機燃氫技術方面取得了一定的收獲，對我國氫發動機的研發奠定了良好的基礎，但無論是研究的廣度或深度，跟國外同行還存在巨大的差距。

3 氫發動機的發展趨勢

國內外進行氫發動機的相關研究目前都僅限于氫-汽油，氫-柴油混合燃料發動機的初步研究。純氫發動機的研究很少。這一階段的研究主要集中在燃燒機理的研究和對燃燒規律的認識，一般燃燒過程采用化油器或進氣管噴射的預混式外部混合氣形成方式，發動機異常燃燒和提高功率及降低NOx的矛盾始終困擾著研究的進展。上世紀90年代末期，特別是進入21世紀以來，隨著計算機技術和控制技術的不斷發展，傳統燃料發動機的電控技術逐步實用化，具有優化控制特征的燃料直接噴入燃燒室內的內部混合氣形成方式的研究逐步受到重視，為解決發動機異常燃燒和提高功率及降低NOx矛盾提供了新的思路和方法。但系統地研究純氫燃料車用發動機的燃燒控制模型、優化控制規律和電控技術尚有待于深入進行。

面對氫發動機發展所面臨的問題，氫發動機的進一步研究將圍繞以下幾個方面進行：

3.1 對氫發動機的燃燒過程和燃燒機理及工作過程數值模擬進行進一步的深入研究，從理論上揭示不同運轉參數、結構參數下氫發動機的燃燒規律及它們對發動機性能的影響規律，和異常燃燒機理及NOx產生的機理。不斷發展氫發動機的早燃、回火、爆燃等異常燃燒的控制技術及NOx的抑制技術，發展解決提高功率、改善燃燒效率和抑制異常燃燒、降低排放之間矛盾的技術。

3.2 采取缸內高壓直噴技術，探討高壓噴射系統，進氣系統和燃燒室之間的優化匹配，實現氫和空氣的高效混合。針對氫燃料的特性，對一些特殊部件采用特殊材料，不斷改進燃料噴射系統。

3.3 發展氫發動機先進的優化控制技術，不斷提高氫發動機的功率和熱效率，降低NOx的排放。在實際應用中應綜合考慮多項指標中的主次，采用優化控制技術對發動機的運轉參數和結構參數，如噴氫正時、噴氫量、點火正時、壓縮比等實施優化控制，在不發生異常燃燒的情況下使一種或幾種性能達到優化，使發動機在各工況下工作在最佳狀態，達到高效、低NOx排放和各方面均優越的性能。這個領域的研究將是未來的熱點研究內容之一。

3.4 加大對先進電控系統的研究，實現氫發動機工作過程的優化。電控技術與分層燃燒、稀薄混合氣燃燒、快速燃燒等技術相結合可以優化控制氫發動機的點火正時、噴氫正時和噴氫量，以消除異常燃燒，有效降低NOx排放，提高氫發動機的功率并改善其燃燒效率。

除了上述方法和技術可以解決氫發動機發展所面臨的問題以外，還可以采用增壓、中冷、EGR等技術來解決異常燃燒與提高氫發動機功率的矛盾。對氫發動機異常燃燒機理的研究和對燃燒規律的認識，將從根本上解決氫發動機提高功率和異常燃燒、NOx排放的矛盾。而氫發動機的優化控制技術是解決提高功率、改善燃燒效率與降低NOx，并能保證發動機正常燃燒之間矛盾的最有效手段，是今后研究的熱點之一。

4 結語

氫能源在發動機的應用對于節約能源、保護環境具有重要意義，同時又是面向未來的一項開創性工作。氫能是在常規能源出現危機和環境污染日益嚴重的情況下被人們所關注的。氫能源以其潔凈性和資源的永久再生性等獨特優勢使得氫燃料汽車的開發與研究正在受到世界各國的青睞。

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O659

A

1003-5168(2014)03-0093-02

楊英哲（1989—），男，漢族，河南省孟津縣人，工學碩士。