可實現零排放的氫燃料發動機德

M.CECH M.KNAPE T.WILFERT C.REISER

摘要

從技術層面而言，發動機的高效率與廢氣排放之間往往存在著相互矛盾的情況。德國WTZ公司開發了1款新型發動機，通過將空氣中的氮氣替換成不參與反應的惰性氣體，以避免氮氧化物（NOx）的產生。

關鍵詞

零排放;氫燃料;惰性氣體;氮氧化物

0 前言

近年來，隨著可再生能源的發展，1990年德國國內的可再生能源發電量已達到18.9 TW·h，2018年的這一指標已達225.7 TW·h，且在總電能消耗量中的比例已提高到了37.8%[1]，但由此面臨的問題是通過可再生能源產生的發電量并不穩定。目前，德國國內約有2/3的電能來自于風能和太陽能，剩下約1/3的電能來自于生物質能和水能。雖然這幾種能源可在一定程度上進行相互補償，但是風能和太陽能的穩定性較弱，無法在任何時候都滿足需求。研究人員進行了估算，到2050年，約有80.0 TW·h的過剩電能將被用于蓄能[2]。為了轉換能源形式，相關研究人員認為德國政府需要充分利用蓄能技術。以抽水蓄能發電站為例，其已提供了1種高效的蓄能形式，但該方案由于受到地理條件的約束，其能源轉換過程受到較大限制。相反，采用電能制取氣體燃料（Power-to-Gas）的技術則不受地理位置的限制。通過電解水制取氫燃料，然后可將其儲存在天然氣管網或儲氫罐中，也可將其轉換成其他能源形式。為了充分使用氫燃料，再將其轉換成電能，燃料電池或內燃機特別適合于獨立式熱電聯產發電站（BHKW），但是2種系統均有其各自的缺點。與內燃機相比，燃料電池具有更高的生產成本，更短的使用壽命，并對氫燃料的純度有著較高要求，而且需要一定面積的生產用地。同時，燃用氫燃料的內燃機的效率通常比燃料電池更低，并會排放有損于居民健康的氮氧化物（NOx）。研究人員可通過開發1種不存在上述缺陷的內燃機，充分繼承這2種裝置的優勢，其關鍵技術是充分利用在電解水過程中被當成廢棄物的氧氣。如果研究人員將這些氧氣儲存起來，就可將其運用到氫燃料的燃燒過程中，并使整機具有更高的燃燒效率。根據上文中介紹的研究計劃，德國WTZ公司的目標是充分了解1種全新燃燒過程的基本原理，同時使該燃燒過程不會產生廢氣排放，并具有較高的有效效率。

1 LocalHy合作項目

隨著LocalHy合作項目的開展，研究人員能借助于可再生能源來進行電解水，并采用不同的方法來充分利用氫燃料和氧氣。該項目是德國政府創新規劃發展進程的一部分。該創新規劃發展進程是在氫能網絡（HYPOS）倡議指導下，由德國聯邦教育與研究部（BMBF）進行制定的，并且有20家企業參與了合作。WTZ公司的任務是開發出1款新型的零排放發動機，并制成示范樣機。零排放發動機與壓力電解過程和儲氣罐的組合具有較高的技術潛力（圖1）。

2 采用新循環的零排放發動機的工作原理

新款零排放發動機的設計方案是將進氣管路和排氣管路接入循環中，如圖2所示。這種方法所需要的部件可實現自行循環。發動機通過增壓系統吸入氧氣，而氫燃料是直接噴入氣缸的。除此以外，研究人員在排氣門后設置了1個廢氣熱交換器。研究人員將氬氣這類惰性氣體作為載體，使其在零排放發動機內進行循環，而其換氣過程與四行程發動機相似（圖2（a））。在換氣過程中，發動機通過活塞的往復運動來吸入混合氣，以此維持循環的持續運行，吸入的氧氣與噴入缸內的氫燃料混合，在燃燒室中燃燒時就會產生水蒸氣，在其下游的廢氣熱交換器中，水蒸氣溫度會被冷卻至100 ℃以下，從而凝結成水。液化的水蒸氣與惰性氣體分離后從循環中排出。存在于循環中的惰性氣體及剩余氧氣會在混合設備中重新與增壓吸入的氧氣混合，并在后續的進氣行程中重新進入燃燒室。

在采用了缸內直噴方案后，氫燃料發動機的進氣過程及燃燒過程與柴油機相似，由于混合氣為非均質狀態，因此會產生NOx排放[4-5]，而新款的零排放發動機由于不采用氮氣參與循環，因此不會形成NOx。此外，研究人員通過選擇1種具有較高等熵指數的單原子惰性氣體作為載體，能夠進一步提高整機熱效率。

圖3示出了不同惰性氣體在參與混合循環后，其熱效率與壓縮比的關系。在圖3中，氮氣這類惰性氣體可用于代表由常規發動機吸入的空氣。與采用氮氣的常規循環相比，采用氬氣的混合循環的理論效率最多要高出約15%。

3 在單缸試驗機上開展的預試驗研究

試驗在1臺缸徑為128 mm且壓縮比為15.5的單缸試驗機上進行，燃燒過程采用了類似于柴油機的電熱塞。其中，為了使氫燃料自行著火，研究人員需要將電熱塞作為點火源[6]。

4 50%工況轉換點的變化

為了通過調節氫燃料噴射始點來對50%工況轉換點（α50%）進行調整，研究人員采用了2種測量方案。其中，第1款發動機以常規的空氣作為工質（不采用氧氣），第2款發動機則采用氬氣運行。在混合設備中，約有21%（體積百分比）的氧氣與氬氣進行了混合。在發動機對50%工況轉換點進行調整的過程期間，發動機轉速、氣缸前溫度和輸入的能量等參數均保持不變，平均指示壓力pmi為0.55 MPa。對濕度的測量表明，在廢氣冷卻設備后部及氣缸前部的位置，會出現部分飽和且濕度較高的氬氣，試驗結果示于圖4。

當發動機采用空氣運行時，50%燃燒重心位置會處于6.0～8.0 °CA范圍內，而采用氬氣運行時，最佳燃燒重點位置則會前移到4.5～6.0 °CA。發動機采用氬氣運行時的指示效率會比采用空氣運行時高出約6.5%。在上述2種情況下的最高燃燒壓力pmax均會隨著燃燒重點位置的前移而逐步提高。

圖4 50%工況轉換點的變化

與常規發動機相比，新款發動機在采用氬氣運行時，因其等熵指數較大，最高燃燒壓力要高出約1.2 MPa。新款發動機在采用氬氣運行時，雖然最高燃燒壓力較高，但是其最大壓力升高梯度卻仍低于常規發動機。圖5示出了2種發動機在相同運行模式下，指示效率與最高燃燒壓力的關系曲線。常規發動機即使進一步提升最高燃燒壓力，效率也無法與新款零排放發動機相比。

圖5 50%工況轉換點隨最高燃燒壓力的變化

為了說明發動機在該循環下運行時具有更好的燃燒穩定性，圖6示出了其各自在250個循環下的氣缸壓力曲線。除了壓縮壓力有所提升之外，新款零排放發動機的運行過程具有明顯更好的穩定性。常規發動機運行壓力曲線的高低差異表明了混合過程的不均勻性[7]和充量分層現象，而這種效應在零排放發動機運行過程中并不會出現。

圖6 在經歷了250個工作循環的條件下，2款發動機氣缸壓力曲線的比較

5 整機和BHKW

LocalHy研究項目的基本目標是對各種發動機系統進行比較。其中，根據相關原理，研究人員將零排放發動機作為試驗樣機，氫噴射器由1個專門制作的高壓共軌系統來進行供氣，氧氣的混合過程與單缸試驗機類似?？勺杂删幊痰陌l動機電控單元模塊也含有對氧氣的供應調節功能，此外還有配裝了氫燃料和氧氣的輸送管道、針對氬氣的壓力調節系統、氣體報警裝置和BHKW中的配電系統等。

6 結論和展望

在利用高壓電解過程制取氫燃料和氧氣方面，WTZ公司已開發出了1款采用新循環的發動機，可充分實現零排放，其工作原理類似于柴油機的電熱塞燃燒過程，并可作為可再生能源來制取氫燃料。

與常規發動機相比，采用新循環的零排放發動機不會產生排放，而且運行效率提高了6.5%。新款發動機可通過增壓系統吸入氧氣，并通過高壓噴射系統噴射氫燃料，因此具有較高的自由度。由于不需要考慮廢氣渦輪增壓器的增壓壓力和廢氣排放等情況所產生的制約，研究人員目前已開展了針對其他燃燒過程的試驗研究。

參考文獻

[1]Umweltbundesamt， fachgebiet v 1.5： erneuerbare energien in Deutschland-daten zur entwicklung im jahr 2018[OL]. https：//www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/uba_hgp_eeinzahlen_2019_bf.pdf.

[2]STERNER M，STADLER I. Energiespeicher-bedarf， technologien， integration[C]. 2. Auflage.Berlin/Heidelberg，Springer， 2017.

[3]Forschungsprojekt LocalHy[OL]. https：//www.localhy.de/， aufgerufen： 3.

[4]ROTTENGRUBER H.Untersuchung der stickoxidbildung an einem wasserst off-dieselmotor[D]. München： Technische Universitt München， 1999.

[5]SPULLER C.Dieselbrennverfahren mit wasserstoff für pkw-anwendungen[D]. Graz： Technische Universitt Graz，2011.

[6]PRECHTL P，DORER F.Wasserstoff-dieselmotor mit direkteinspritzung， hoher leistungsdichte und geringer abgasemission， teil 2[J]. MTZ，1999，60（12）：830-837.

[7]JORACH R W.Brennverfahren für einen wasserstoff-omnibusmotor mit niedriger stickoxidemission[D]. Stuttgart： Universitt Stuttgart， 1996.

范明強 譯自 MTZ，2021，82（4）

伍賽特 編輯

（收稿時間：2021-04-20）