氫燃料發(fā)動機燃燒與排放控制研究進展

劉峰良

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

關鍵詞：氫燃料;發(fā)動機;混合氣形成;異常燃燒;排放;控制

1 前言

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

2 氫燃料發(fā)動機混合氣的形成及燃燒

2.1氫燃料發(fā)動機混合氣的形成

氫燃料發(fā)動機主要有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氣道噴射氫燃料。內(nèi)部混合氣形成方式是指在進氣閥關閉后將氫燃料直接噴入缸內(nèi)。

2.2氫混合氣點火

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)動機適合采用火花點火方式，若通過增加進氣控制早燃，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火方式。

2.3氫燃料發(fā)動機的異常燃燒和抑制技術(shù)

氫燃料發(fā)動機的異常燃燒有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氣管回火。這3種異常燃燒有時可以相互轉(zhuǎn)化和促進，比如早燃的不斷提前最終可以導致回火的發(fā)生;過高的壓力升高率容易產(chǎn)生缸內(nèi)熾熱點促使早燃和回火發(fā)生。

2.3.1異常燃燒機理

由于外部混合氣形成方式的氫燃料發(fā)動機的燃燒屬于預混燃燒，在著火前形成大量預混合氣，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)動機偶爾在混合氣較?。ǖ拓摵桑r也會發(fā)生回火，但是加濃混合氣后發(fā)動機又可恢復穩(wěn)定運轉(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)的熾熱點引起，所以必須保證氣缸的嚴格清潔，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)上述異常燃燒機理可知：任何能減少火焰?zhèn)鞑ニ俣?，增加點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)動機排放及其抑制技術(shù)

3.1氫燃料發(fā)動機的排放

氫燃料發(fā)動機在排放性能上具有傳統(tǒng)燃料發(fā)動機無可比擬的優(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)動機排放的因素

3.2.1負荷對排放的影響

在氫燃料發(fā)動機中NOX的排放隨負荷的增加而增加，這是由于NOX的生成條件是高溫富氧。當發(fā)動機的負荷增加時，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)動機的燃氣供應方式包括采用混合器先將燃氣與空氣進行混合、單點噴射、多點噴射等方式。采用多點噴射的氫燃料發(fā)動機NOX排放量低于配電控混合器發(fā)動機。主要原因是：采用閉環(huán)控制和順序多點噴射系統(tǒng)實現(xiàn)了對發(fā)動機各缸空燃比的精確控制，增加了發(fā)動機穩(wěn)定運行的稀燃極限，其混合氣濃度較電控混合器低，從而降低了發(fā)動機的最高燃燒溫度，使得多點順序噴射的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)動機排放的影響也是當今廣受關注的課題。增壓以后，進氣管內(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點火提前角的影響

點火提前角對氫燃料發(fā)動機NOX排放量的影響比較大。增加點火提前角，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前燃燒，最高燃燒壓力值出現(xiàn)在靠近上止點、氣缸容積比較小的位置。最高燃燒壓力高導致最高燃燒溫度高，此時已燃氣體滯留在高溫下的時間也較長，這2個條件都會促進NOX的生成。反之，減小點火提前角，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，應設法縮短N2和O2反應時間，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的參數(shù)是點火提前角和混合氣的濃度。當氫空氣混合氣濃度接近理論混合比時，氫燃料發(fā)動機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溫度，而且廢氣能取代空氣中的氧氣，使發(fā)動機缸內(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)動機對控制排放和異常燃燒有一定作用。

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

參考文獻

[1] 楚書華， 杜天申. 氫發(fā)動機性能的改進. 天津： 內(nèi)燃機學報， 1997（1）.

[2] 徐正好， 楊宗棟. 氫燃料發(fā)動機的應用. 上海：能源研究與信息， 2002， 18（4）.

[3] 姜立平. 氫燃料汽車的技術(shù)與性能. 南京： 輕型汽車技術(shù)， 2002（9）.

[4] 楊振中. 點火提前角對氫發(fā)動機性能的影響及智能控制技術(shù). 北京： 太陽能學報， 2003（ 6） .

[5] 馬捷， 周玉成. 渦輪增壓氫發(fā)動機的分析和改進.合肥： 合肥工業(yè)大學學報， 2001（ 10） .

[6] 朱禛康. 電子控制技術(shù)在車輛工程中的應用探析[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2017，（20）：42.

[7] 李祥. 關于電子控制技術(shù)在車輛工程中的應用分析[J]. 建筑工程技術(shù)與設計，2017，（29）：123-123.

[8] 周龍保. 內(nèi)燃機學.北京： 機械工業(yè)出版社，1999.

[9] 龔允怡. 內(nèi)燃機燃燒基礎. 北京： 機械工業(yè)出版社， 1988.