氬氣閉循環氫氣發動機的研發動向與展望

陳之立

關鍵詞：氬氣閉循環氫氣發動機；CO2零排放發動機；熱效率；燃料電池車

為了21世紀下半葉實現碳中和，汽車零排放的進程正在加速，多國政府制定政策禁止銷售包括混合動力的使用發動機的車輛。比如荷蘭和挪威在2025年，德國和瑞典在2030年，法國和英國在2040年，日本在2050年將禁售使用發動機的乘用車。內燃機如果想不被時代所淘汰，必須解決CO2排放問題，即實現CO2零排放。目前的可選項是不排出CO2的氫發動機，氨氣發動機，或運行時排出但綜合結果不排出CO2的e-fuel發動機。

除了CO2排放問題，各國政府急于淘汰發動機的另一個原因是發動機的熱效率低而造成的能源消耗問題。以汽油機為例，目前的最高有效熱效率大約為40%，這明顯低于電動車或燃料電池車的50%～60%。同時，發動機的熱效率低也會使消費者逐漸疏遠發動機車。以日本為例，從2010年起日本國內的新車銷售冠軍一直被混合動力車占據，已經連續12年。其原因就是混合動力車的油耗只有一般燃油車的一半，雖然車輛價格要高出大約20%，仍然得到廣大消費者的認可。可見消費者是多么重視汽車的經濟性，即使沒有CO2排放問題，發動機也會因熱效率低敗陣于電動車。

短期內使發動機的有效熱效率提高到電動車或燃料電池車的水平非常困難，何況還要同時實現CO2零排放，于是氬氣（Ar）閉循環氫氣發動機就應運而生了，或者說是重新走上歷史舞臺，因為其實這種發動機的概念從被提出到現在已經有70多年的歷史了，只是由于發動機的熱效率沒有如此的迫切要求提高而未曾進入人們的視野。由于Ar的比熱比高于空氣，以Ar為工質的發動機的熱效率可以有較大提升。以Atto循環為例，式（1）給出了其理論熱效率為：

圖1給出了Atto循環的壓縮比和理論熱效率關系的計算結果。可以看出，在壓縮比一定的條件下，壓縮比為10的汽油機，空氣循環和Ar循環的理論熱效率分別為60.2%和78.1%，即Ar循環可提高29.7%。如果按這個比例計算，當前的汽油機40%的最高有效熱效率將直接提升到51.9%。

圖2給出了Ar閉循環氫發動機的工作原理。將發動機的排氣管與進氣管相互連接形成封閉系統并在適當位置安裝冷凝器。事先將Ar封入封閉系統中，運行時向封閉系統中供給氧氣，Ar及氧氣作為工質。向氣缸內或進氣道內供給氫氣并與工質形成混合氣，壓縮點火或火花塞點火使混合氣燃燒做功。廢氣經過冷凝器的冷卻后溫度降至100℃以下，分離出廢氣中的水分并排出封閉系統外。分離水分后的Ar以及未燃燒完全的氫氣或未使用完的氧氣作為循環氣體，在補充新的氧氣后再次作為工質利用，如此反復。

Ar閉循環發動機一般只能使用氫氣作為燃料而不能使用含碳燃料或氨燃料。原因是含碳燃料或氨燃料的廢氣中的CO2或N2需要分離出去，而CO2或N2的分離設備目前尚未能夠滿足車載的尺寸和重量的小型化要求。另外，Ar閉循環發動機需要供應純氧，這似乎是閉循環發動機應用的最大障礙。作為解決方案，可以考慮安裝車載氮氧分離器制備氧氣或用氧氣罐攜帶氧氣。雖然目前氮氧分離器可制備純度99.9%以上的氧氣，但設備的尺寸和重量較大，而且需要將空氣壓縮至5MPa而消耗較多能量，因此只適合大型車輛。在乘用車上只能使用高壓氧氣罐攜帶純氧。此外還要考慮氧氣的生產及流通如何解決。氧氣的生產可以利用光伏發電電解水生產綠氫時附帶產生的氧氣，氧氣的流通可與氫氣的貯藏、運輸、銷售合并。所以可以認為，如果提早做出規劃，那么在加氫站普及的同時“加氧”問題也可以得到解決。

攜帶氧氣罐所產生的車輛內部空間的減少和車輛成本提高以及需要“加氧”產生的運行成本提高，在發動機能否繼續生存的問題面前應該算是小事。只要認識到除了走Ar閉循環發動機這條路以外發動機有可能在不遠的將來被淘汰，即使花費一點成本和努力也是值得的。以卡車的尿素水搭載為例，大約在1986年，有人提倡使用氨選擇接觸還原法（selectivecatalyticreduction，SCR）降低氮氧化物排放的時候，很多科研人員和企業的研發人員都認為這個技術不會普及，難道卡車除了加柴油還要“加尿素”嗎。但時至今日由于排放法規過于嚴格，其他技術都無法滿足NOx排放要求，只剩下SCR法一條路的時候，卡車和公交車以及工程機械的尿素水的搭載已成為常識。如果發動機被逼到將被淘汰的地步，“加氧”說不定也會成為常識。

1Ar閉循環氫發動機的發展史及研究動向

1948年11月2日，美國馬薩奇特斯州Weston鎮的F.M.Lewis向美國專利局申請了“內燃機的閉循環運行方法[1]”。這是世界上最早的Ar閉循環發動機的專利。圖3給出了該系統的示意圖。

內燃機燃燒中使用的氧氣由液化氧供給，利用液化氧的氣化熱冷卻發動機的廢氣，使廢氣中的CO2液化并除去。另外，如圖3所示，除了用于CO2液化的冷凝器以外，還配置預冷器，在向進氣管導入循環氣體之前，使循環氣體與廢氣進行熱交換，防止循環氣體的溫度過低。關于發動機在何種場合下需要使用液化氧，以及為什么必須將CO2去除，在專利中沒有給出相關信息。可能是針對應用于潛艇發動機并使用汽油或柴油為燃料。此外，該專利表述不使用純氧而應該使用商業液化氧。其理由是不僅商業液化氧比較便宜，而且其中含有0.3%的Ar，如果使其積蓄起來的話，濃度可達到20%，可以作為工質使用。由于Ar分子量較大，因此發動機的升功率較高。另外，由于Ar是單原子，比熱比較高，因此熱循環的熱學效率可得到提高，并在專利中給出了Brayton定壓循環的理論熱效率公式。該專利沒有給出有關是否進行了臺架試驗和發動機性能的信息。因此可以認為該專利只是在原理上敘述了閉循環發動機的工作原理及熱效率優勢。

1976年，J.C.Fletcher根據E.A.Lauman等在美國宇航局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）的職務發明，申請了“氫燃料發動機”專利[2]，并于1978年獲得專利。如圖4所示，該發明以降低發動機的氮氧化物和提高熱效率為目的，提出了利用Ar等惰性氣體作為工質的，燃料為氫氣的內燃機。該專利的內燃機為壓縮點火方式。發動機的廢氣實質上不含污染物質，只有水蒸氣和惰性氣體。廢氣通過冷卻將水分離出去只剩下惰性氣體，再向惰性氣體中添加氧氣，返回發動機進行循環利用。惰性氣體還具有在運行中從外部補償損失的功能。該專利的所謂惰性氣體涵蓋所有單原子惰性氣體He、Ne、Ar、Kr、Xe。Kr的熱傳導率最低，有利于冷卻損失的降低可作為首選，但Kr在空氣中僅存在萬分之一，因此空氣中的濃度為1%的Ar是最實用的。該專利指出壓縮比為16，單原子氣體的比熱比為1.6，理論熱效率可達到78%，而空氣的比熱比為1.4，理論效率約為63%。但是實際上這個壓縮比是無法應用在Ar發動機上的。該專利給出的理由是這么高的壓縮比會造成急劇燃燒和高溫，以至于損傷發動機，因此，不能在理論空燃比條件下運行。該專利還具有除去潤滑油的燃燒產生的CO2及未燃烴的機能，也可除去霧狀潤滑油。該專利還設想了為了提高燃燒效率而過剩供給氧氣，過剩的氧氣可循環利用；還提出了太陽光發電裝置以及水電解裝置的設想。晴天時太陽光發電裝置向用戶輸電，并利用多余的電力在水電解裝置中產生氫氣和氧氣并儲存在耐壓容器中，在多云的白天和夜間等必要時供應給發動機進行發電。而且發動機生成的水與惰性氣體分離后在水電解裝置中被循環利用。這實際上就是今天提倡的綠氫制造和利用以及晝夜電力供需缺口調整系統，很難想象這是46年前的人提出的方案。但是遺憾的是該專利只停留在設想階段，并沒有證據顯示該專利有臺架試驗的記錄。

1978-1980年，永井蔣等[3-4]（日立造船）報告了一系列閉循環柴油機的研究成果。這些研究的目的是研發一款可以在潛艇或海洋科學研究的水下或地下用的發動機。廢氣中的水蒸氣通過廢氣冷卻器除去，CO2通過化學吸收法除去。CO2氣體吸收液的吸收性能及吸收裝置的尺寸是最大的難點。雖然文獻中沒有明確說明吸收液的使用量，但是根據文獻[4]所示的吸收液的損失數據進行計算，可發現發動機輸出功率為28.5kW，吸收劑為單乙醇胺（MHA），吸收方法為洗氣法，廢氣的處理能力為129m3/h，CO2質量為22.6kg/h，吸收劑的平均恢復時間為5h時，需要383kg吸收液，可知需要相當大的吸收裝置。該研究報告還指出，由于該發動機可以在完全密閉的狀態下運行，因此除了氮氣以外，Ar、氦氣、CO2、水蒸氣也可以成為工質，并通過計算預測了將工質置換為Ar或氦氣時的發動機性能。由于Ar和氦氣的比熱比比氮氣高，壓縮上死點的壓力和溫度顯著上升，所以計算結果顯示，如果用空氣運行時的熱效率為1的話，Ar為1.15，氦氣為1.19。但遺憾的是文獻中沒有給出臺架實驗的結果。

同是1980年，Cornell大學Sibley分校，機械和航空航天工程學院的P.C.T.DeBoer等[5]對Ar閉循環氫發動機進行了臺架實驗。其主要目的是驗證這種發動機與傳統發動機相比，熱效率能否大幅提高，敲缸和過早點火等問題是否嚴重。氫氣、氧氣和Ar的預混合氣體被供給到美國材料與試驗協會（AmericanSocietyforTestingMaterials-CooperativeFuelResearch，ASTM-CFR）單缸發動機，Ar為一次性使用，不進行循環。該研究得到了與Ar閉循環發動機的運行條件，熱效率以及輸出功率的實驗數據。實驗結果顯示：如果Ar濃度高于75%，則指示熱效率有顯著改善。例如，在壓縮比為7的條件下，Ar濃度為90%，指示熱效率約為50.5%，空氣工質運行壓縮比8時指示熱效率為37%，即Ar運行提高了36.5%。該研究指出：由于爆震，不得不降低壓縮比，點火延遲也無法充分提前，因此無法得到最佳的熱效率。在壓縮比為10的條件下，雖然能夠運行，但由于發生了嚴重的爆震，不得不使點火延遲大幅滯后，輸出功率和熱效率因而降低，Ar運行的優點消失殆盡。該項研究給出在Ar濃度為60%時，不發生爆震的壓縮比為5.5～7.0，指示平均有效壓力達到最大值的0.65MPa。該研究的結論是，Ar閉循環發動機無法避免爆震，從根本上解決爆震問題的唯一方法是缸內氫氣直噴。在作者的文獻調查所得到的信息中，該研究是世界上首次的Ar閉循環氫發動機的臺架實驗。

1982年，M.Ikegami等[6]（京都大學工學部）報告了Ar閉循環氫氣壓縮點火發動機的研究結果。氫氣的壓縮點火非常困難，即使將壓縮比提高到29，也需要先導噴射和電熱塞等點火輔助方法。如果將工質改為Ar，由于Ar的比熱比高，比熱小，壓縮溫度高，那么壓縮比12.3就實現了穩定的氫氣的壓縮點火。壓縮比為16.0時，指示熱效率達到49%。但由于防漏型氫氣噴嘴的性能限制，壓縮比無法進一步提高。由于壓力上升率的限制，必須隨著負載的上升，延遲噴射時期。噴射時期延遲到上止點前（beforetopdeadcenter，BTDC）1.2°時，平均有效壓力（brakemeaneffectivepressure，BMEP）達到0.94MPa。當然，由于熱發生率重心延遲，因此犧牲了熱效率。無論如何，該研究顯示了Ar閉循環氫氣壓縮點火式發動機的可能性。另外，該研究是日本國內首次對Ar閉循環發動機進行實證研究。

1995-1997年，石田裕幸等[7]（三菱重工）報告了單原子氣體閉循環壓縮點火發動機的研究成果。該項研究是受新能源產業技術綜合開發機構（TheNewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization，NEDO）委托進行的。從研究報告的表述和引用的文獻推測，該研究沒有參考池上等人的研究，又一次提出了Ar閉循環氫氣壓縮點火發動機的方案。并于1997年申請了專利，1999年獲得專利[8]。其特點是把渦輪增壓器安裝在封閉管路上。另一個特征是將廢氣中的水蒸氣冷凝液化，排出系統外，同時把過剩供給的工質也排到系統外。該系統不需要供給或補充Ar，而是使供給氧氣中存在的Ar在發動機閉循環系統中不斷循環濃縮。如果氧氣中存在的氮濃度低于Ar濃度，則閉循環系統內的氮濃度低于Ar濃度，該項研究提出用廢氣渦輪回收工質的剩余能量，驅動透平發電機，以提高熱效率，同時，由于渦輪機的膨脹，工質的壓力和溫度降低，因此可以減小冷凝器的傳熱面積。遺憾的是，該研究沒有進行臺架試驗驗證。通過計算，該項研究指出與傳統發動機相比，指示熱效率可以提高20%。

2004年9月，三谷信一等（豐田汽車公司）申請了“工質循環氫發動機”的專利[9]，并于2006年3月獲得專利。該發動機的基本原理與以往的Ar閉循環發動機相同，燃料為氫氣，工質為Ar和氧氣，通過冷凝器將廢氣中的水分離排出。2006年2月申請了周邊專利[10]，2007年9月獲得專利。在該專利中，追加了CO2吸收分離除去的機能。當循環氣體中含有的潤滑油燃燒產生的CO2濃度達到規定濃度以上時即觸發CO2分離除去機能。此外，2008年4月申請了周邊專利[11]，2009年11月獲得專利。在該專利中，追加了除去未燃氫氣以及未使用氧氣的功能。因為如果循環Ar中氫氣或氧氣大量存在，則工質的比熱比降低，壓縮終點溫度及壓力降低，因此熱效率降低。此外，三谷信一等還申請了三項外圍專利。

在申請了上述一系列專利后，三谷信一等在2008—2013年發表了一系列研究報告，包括氫氣預混合火花點火式發動機的性能、缸內直噴式壓縮點火發動機的性能、用于分離Ar和水的冷凝器的容量以及Ar循環時潤滑油燃燒產生的CO2積蓄、指示熱效率等[12-14]。

首先，如圖5所示，三谷信一等在氫氣預混合火花點火發動機的性能的報告中[12]，給出了在Ar非循環利用時，把氫氣和氧氣混入Ar的實驗結果。

由于溫度上升導致過早點火和燃燒速度上升，因此，發生了劇烈的爆震。雖然通過嘗試進氣門的延遲關閉以降低實際壓縮比，推遲點火延遲角，降低氧氣濃度，以及避免氫氣濃度的理論混合比運行等對策，但從圖中可以看出，缸內壓力震動依然非常嚴重，不僅推遲點火延遲角對降低爆震幾乎沒有效果，反而由于推遲點火延遲角犧牲了熱效率，最大指示熱效率僅為29%。在把氫氣預混合變為氫氣缸內直噴，并把火花點火變為壓縮點火，實現了氫氣擴散燃燒后，解決了爆震問題。通過氫氣缸內直噴的壓縮比的優化，噴孔數的增加以及噴射率的增加，最高指示效率達到54.0%（如圖6所示）。

在后續報告文獻[13]中，介紹了分離水蒸氣的冷凝器的設計及性能實驗及冷凝器性能的驗證。另外，該研究中實現了Ar的循環利用，并且，給出了Ar循環運行時潤滑油燃燒產生的CO2積蓄以及完全封閉運行時Ar中CO2的濃度變化。但是由于噴嘴的噴射壓力的制約，該項實驗限定為火花點火發動機。

在后續報告文獻[14]中，介紹了壓縮點火燃燒的實驗，使指示熱效率達到50%。另外，為了降低冷卻損失，從型腔活塞變更為平頂活塞。如果噴流碰到壁面，就會增加熱通量，因此為了避免這種情況，將噴射方向變更為中央噴射，采用了噴霧貫通距離短的24噴孔噴嘴。通過這些改良，作為小型發動機，實現了至今為止未達到的極高的指示熱效率60.9%（如圖7所示）。

但是，如圖6和圖7所示，雖然達到了很高指示熱效率，但都是輕負載下的實驗結果。文獻[12]的平均指示壓力（IMPE）僅為0.12～0.31MPa，雖然在文獻[13-14]中沒有明確記載負載信息，但是對于500cm3的排量（2L的4缸發動機中一個氣缸的排量），氫氣噴射量僅為每循環2.3mg（如圖7所示），因此可以推測為輕負載。在高負載下，缸內壓力上升率相當高，產生急劇的燃燒和較高的冷卻損失，因此不得不降低壓縮比；但是如果降低壓縮比，理論熱效率就會降低，Ar帶來的優勢就會減弱，因此，只能降低負載進行實驗，也就是說爆震問題并沒有得到實際解決。因此，今后Ar閉循環發動機的研發課題是如何維持壓縮比的同時，控制燃燒速度，提高發動機負載。

2012年，京都大學MohdRadziAbuMansor等[15]與豐田合作，報告了Ar噴霧噴射的點火特性。主要結果是：關于噴霧前端速度，Ar環境下的氫噴霧到達氣缸壁的速度比氮氣氣氛下慢；關于點火的溫度依賴性，空氣表現出同樣的傾向，高溫時點火延遲較短，低溫下點火延遲較長；點火的壓力依賴性也與空氣相同，具有壓力和負依存性。

2010年，NickJ.Killingsworth等[16]使用單缸可變壓縮比發動機，比較了以氫氣為燃料的Ar循環和空氣循環。排量616cm3，發動機轉速900r/min，氫氣噴入進氣歧管，火花點火。雖然Ar不是循環再利用，但對該項研究的負載范圍和熱效率實驗沒有影響。當量比為0.24時，即在輕負載的條件下，對于空氣循環，在壓縮比6～17的范圍內可以正常運行，壓縮比為13時，最大指示熱效率達到35.9%。對于Ar循環，壓縮比為5.5～7.0的范圍內可以正常運行，可以說非常狹窄。壓縮比高于7時發生爆震。壓縮比為5.5，Ar濃度為86%時，最大指示熱效率達到44.8%。

2014年8月，李理光等[17]申請了專利“循環型氬發動機的控制法”，并于2015年1月獲得了專利。基本原理與以往的Ar閉循環發動機相同，但燃料設想為甲烷。為了解決Ar循環封閉系統沒有壓力控制功能以及排氣的壓力波影響進氣的問題，追加了排氣和進氣的隔離裝置和壓力穩定裝置。另外，還追加了Ar的供給量的調節裝置以及Ar補充罐。由于燃料設想為甲烷，所以廢氣中的CO2的捕獲和分離是一個重要課題，但是該專利沒有敘述CO2捕捉和分離的原理、設備和捕捉率等任何詳細信息。

2018年，LILiguang等[18]根據上述專利所述發明，使用GP-Power進行了性能模擬。比較空氣循環和Ar循環，燃料為天然氣，火花點火，壓縮比為5.5～12.0。在空氣循環的壓縮比12中，相對于最大指示熱效率38%，Ar循環的壓縮比為8.5，達到最大指示熱效率51%；另一方面，還發現Ar循環的缸內壓力的最大值達到18MPa，約為空氣循環的3倍。在如此高的缸內壓力下，可能會發生爆震和摩擦增大、零件損傷等，因此成為Ar循環今后的課題。

自2018年以來，本文作者開始了Ar閉循環氫氣發動機的研究。到目前為止主要在閉循環管路配置[19]、啟動和燃料供應方式[20]、熱效率和損失[21]、工質中水分的影響[22]、Ar濃度的影響[23]、爆震[24]、閉循環管路中壓力的影響[25]和氫氣和氧氣的濃度的影響[26]等領域得到了一些實驗數據。這里介紹4個研究成果。

研究中使用的臺架實驗發動機，一臺為YAMAHA發電機上的79.8cm3四沖程汽油機，另一臺為YANMAR638cm3四沖程單缸柴油機改造成的Ar閉循環氫發動機。選擇YAMAHA發動機是為了得到一個系統簡單、抗爆震性能強的閉循環系統。YANMAR發動機的選擇是為了裝備可變氣門等先進實驗設備。由于Ar閉循環運行時，壓力和溫度都高于空氣運行，通過摸索實驗，將YAMAHA發動機的壓縮比從8.7降低到5.75，YANMAR發動機的壓縮比從17.0降低到8.7。

如圖8所示，東海大學的Ar閉循環氫氣發動機的實驗裝置包括工質循環管路（藍色）和測試系統（黑色）。在工質閉循環管路中，由于氣體成分分析儀連續采樣，會消耗掉一部分工質，所以需要連續補充Ar。另外，由于管路中沒有裝備CO2捕捉裝置，來自潤滑油燃燒產生的微量CO2會逐漸積蓄，所以需要以一定的流量置換閉循環管路內的工質。由于氣體成分分析儀的采樣流量約為4L/min，CO2置換Ar流量約為4L/min，所以向管路中連續補充流量為8L/min的Ar。為了排出置換的Ar，管路中設置了大氣開放的溢流口。

1）有效熱效率的提高。在YAMAHA發動機上進行了Ar閉循環氫氣運行、空氣汽油運行、空氣氫氣運行以確認Ar閉循環的熱效率優勢。首先在購買了這臺發動機之后尚未對發動機改造之前，測試了汽油運行的有效熱效率。壓縮比為8.7，點火時期為BTDCCA23°，轉速為3000r/min，結果是圖9中的灰色線。在對發動機進行改造之后，壓縮比為5.75時，點火時期為BTDCCA10.5°，從空氣氫氣運行（圖中橘黃色線）改為Ar氫氣運行（圖中藍色線），在有效功率425W時，有效熱效率上升了41.7%。但與原廠壓縮比（8.7）相比，熱效率的提高沒有那么多。這是因為Ar運行時的壓縮比降為5.75，造成了理論熱效率的降低。

另外，這臺發動機的汽油運行的額定有效功率是700W，本次實驗所得到的Ar閉循環氫氣運行的最大有效功率僅為汽油運行額定有效功率的66.4%，這是因為Ar閉循環氫氣運行容易產生爆震，即使將壓縮比降低，點火時期延遲也仍然沒有解決爆震問題。

2）利用當量比抑制爆震。在閉循環中，由于燃燒后沒有用完的氫氣或氧氣會不斷積蓄，所以工質中的氫氣或氧氣可以達到很高的濃度。作者利用這一特征，嘗試了通過改變氫氣或氧氣的濃度，也就是通過改變當量比抑制爆震。實驗范圍設定在當量比在0.09～7.96（氧氣濃度為60.9%～5.7%）的范圍內。壓縮比5.75，轉速3000r/min，點火時期14°。

圖10給出了各當量比下的工質成分。以當量比1為分界線，左邊為氧氣過剩，即氧氣濃度通過積蓄逐漸增大；右邊為氫氣過剩，即氫氣濃度通過積蓄逐漸增大。

在所有試驗結果中，以有無爆震、最大缸內壓力抑制效果為基準選定4條缸內壓力曲線，如圖11所示。這4條曲線的實驗條件列于表1中，其中發生爆震的條件只有②。結合圖11和表1可知，試驗條件②的當量比為1.23，有效功率為432W，Ar濃度為76.81%，最高缸內壓力為2.70MPa——在4個條件的實驗中最大，產生的爆震最多。條件③、條件④具有同等的最高缸內壓力，但Ar濃度有很大差異，④的最大缸內壓力的產生時期較早。由此可知，氫氣過剩和氧氣過剩在燃燒上存在差異，氫氣過剩的燃燒速度較快。在本實驗中，由于轉速固定，可以假定紊流強度是一定的。

從圖12[26]可知，氫氣層流燃燒速度在當量比1.6附近達到最大值，比熱比越高，比熱越小，Ar的濃度越高，燃燒速度就越快。

基于圖12，將圖11、表1的結果整理如下。在爆震最多的②中，Ar濃度相對于①僅減少約1.8個百分點，當量比最接近1.6。因此，比熱小所導致的溫度容易上升，當量比接近1.6所導致的燃燒速度快而引發快速燃燒，進而產生爆震。

從圖12可知，層流燃燒速度在條件③的當量比0.30時約為0.5m/s，條件④的當量比4.06時約為1.5m/s，④明顯較高.因此，在條件④中，在上止點附近發生燃燒，最高缸內壓力容易上升，條件④為了降低到與條件③同等的最高缸內壓力，所需的Ar的減少量較多，即④的Ar濃度較低。由此，從表1可知，③和④中氧氣過剩的③的有效功率較高。因此，從上述原因來看，③在保持Ar濃度高的狀態下能夠抑制爆震，并且熱效率的降低較少。可以說，在點火時期固定條件下，氧氣過剩是作為爆震抑制的有效方法。

3）利用工質中的水蒸氣控制爆震。如果增加Ar閉循環氫氣發動機的工質中的水蒸氣分壓，則由于工質的平均比熱的增加，燃燒溫度降低，就會減輕爆震（如圖13），相當于空氣發動機的廢氣再循環（exhaustgasrecirculation，EGR）。而Ar閉循環氫氣發動機中控制工質中水分的方法非常簡單，只需要控制冷凝器的溫度，得到不同的飽和蒸汽壓力。

實驗條件為壓縮比、氫氣供給量、點火時期一定，冷凝器出口Ar溫度分別設定為25、40、55、70℃，在這些溫度條件下，循環Ar中的水蒸氣分壓分別為3.0、7.9、15.2、30.1kPa。通過記錄100個工作循環的缸內壓力，并進行高速Fourier變換（fastfouriertransform，FFT），求出爆震強度。

實驗首先將循環Ar溫度保持在25℃，逐漸增加氫氣供給量，在根據噪音判斷發生了爆震時，得到了25℃時的爆震發生的氫氣供給量，并在其他溫度條件下保持這個氫氣供給量進行實驗。圖14給出了4種溫度條件（4種水蒸氣分壓）下連續100個工作循環的爆震強度。在本項實驗中，凡是爆震強度超過25kPa的工作循環就判斷是發生了爆震，并將發生爆震的工作循環數相對于100個工作循環的比例定義為爆震率，如圖14所示。循環Ar中水蒸氣分壓為3.0Pa時約有一半（49個）工作循環發生了爆震，而循環Ar中水蒸氣分壓為15.2kPa時減少到4個，30kPa時減少到1個。由此可見增加水蒸氣分壓會減輕爆震效果顯著。

4）閉循環管路對爆震的影響。火花點火發動機爆震的發生主要是由于負載增大引起的壓力上升，所以進氣壓力變動時就會影響壓縮壓力和燃燒壓力，從而影響爆震的發生。在閉循環條件下，由于排氣管連接著進氣管，排氣壓力可能會影響進氣壓力，引起進氣壓力的變動，進而影響爆震的發生。因此，在本研究中，通過在閉循環管路上安裝壓力傳感器，分析排氣管壓力與進氣管壓力的相關性，搞清閉循環管路對爆震的影響。

圖15給出了進氣壓力、排氣壓力以及缸內壓力的閉循環和開放循環的比較，從上到下依次為，缸內壓力、排氣壓力、進氣壓力。各圖中的紅色表示閉循環，藍色表示開放循環。另外，用豎紅線將排氣行程、進氣行程、壓縮行程區分出來。橫軸為曲軸轉角（CA），壓縮上死點定為上止點后（aftertopdeadcenter，ATDC）0℃。IVO372表示進氣門開啟時期為ATDCCA372°。EVO159表示排氣門開啟時期為ATDCCA159°。

在排氣行程的前半部分，可以觀察到閉循環和開放循環的缸內壓力均為上升趨勢（見①段），并在ATDC300°附近達到峰值而轉為下降趨勢（見②段），該上升和下降分別是由于排氣行程前半部分活塞的推進而產生的正壓和后半部分的排氣的慣性效果產生的負壓引起的。在ATDC200～300°，開放循環的缸內壓力比閉循環稍高（見③段），原因不明；在ATDC300°之后，閉循環的缸內壓力漸漸超過開放循環的缸內壓力（見④段），這是由于閉循環的廢氣都憋在排氣管中，而開放循環直接排出到大氣中。同理，這個區間內閉循環的排氣管壓力和進氣管壓力均比開放循環高（見⑤段）；閉循環的缸內壓力在進氣門開啟附近（IVO372）突然出現壓力上升（見⑥段），這是因為進氣門開啟時的進氣管壓力（110.91kPa）高于缸內壓力很多，進氣門一旦開啟就有高壓氣體涌入氣缸造成的。而在開放循環中缸內壓力觀察不到如此明顯的壓力上升（見⑦段），這是因為開放循環的進氣門開啟時，進氣管壓力（100.79kPa）比缸內壓力（93.22kPa）高得不是很多，沒有高壓氣體涌入氣缸。所以可以認為在進氣行程的前半程，閉循環的進氣量比開放循環多。

在進氣行程的后半程，即從ATDC450°開始，隨著活塞下降速度的降低，進氣的慣性效果顯現出來，閉循環和開放循環的缸內壓力出現反轉，開放循環高于閉循環（見⑧段）。這是因為閉循環和開放循環的進氣管壓力出現反轉（見⑨段）。進氣管壓力出現反轉的理由是，在閉循環的情況下，由于閉循環管路的體積不變，進氣管壓力與流入缸內的進氣量成比例地降低，而在開放循環的情況下，由于與大氣相連，因此進氣管壓力不會降低。所以可以認為在進氣行程的后半程，閉循環的進氣量比開放循環少。

從以上分析可知，閉循環的進氣量在進氣行程的前半程多而后半程少，而開放循環的進氣量則相反。所以可以認為總體上閉循環和開放循環的進氣量基本相同。因而，當進氣行程結束時閉循環和開放循環的缸內壓力基本不發生變化⑩。通過以上的分析可知，閉循環管路內的排氣壓力雖然影響閉循環管路內的進氣壓力，但不影響最終的進氣行程的缸內壓力，所以可以認為不對爆震產生影響。

2Ar閉循環氫氣發動機的優勢，課題及發展前景

Ar閉式循環氫氣發動機的優勢及劣勢可大致歸納如下：

1）由于Ar的比熱容比高于空氣，Ar閉循環發動機的理論熱效率高于空氣循環。在前言中已做介紹，這里不再贅述。

2）運行期間沒有CO2排放。Ar閉循環發動機只能使用氫氣。如果使用汽油、柴油、天然氣等含有碳元素的燃料，那么從廢氣中分離Ar就將變得十分困難。目前的技術還不能制造小型高效的CO2捕捉器。相反利用氫氣作為燃料不僅沒有CO2生成，只需將廢氣冷卻到100℃以下就能分離出Ar，而且利用氫能也符合未來社會走向清潔能源的發展趨勢。

3）不產生NOx、未燃烴、CO、微粒子等，所以不需要后處理系統，可以節約大量貴金屬及稀有金屬，也可以減輕整車重量。

4）進氣成分、溫度、壓力、流量都可以自由控制。氧氣及氫氣的任何一方過剩時都可以和Ar一起從水分中分離出來循環利用。特別是氫氣，在傳統發動機中如果過剩將造成燃料損失，降低發動機經濟性。而閉循環發動機不僅不存在這個問題，甚至可以有意增加氫氣供給量以控制工質的成分達到控制燃燒的目的。同樣氧氣也可以任意調節濃度用以控制燃燒。水分也可以通過冷凝器的溫度任意調節，在發動機高負載運行時適當增加水蒸氣濃度可以緩解爆震的發生。增壓壓力（或減壓）可以自由設定，只需要調節封入閉循環系統的Ar壓力而無需渦輪增壓器，節約了增壓器的耗能。

5）可以方便地制造二沖程閉循環發動機。二沖程發動機有體積小、功率高等優勢，但是由于掃氣會帶走一部分燃料因而降低發動機的經濟性及造成污染環境，所以除了船用發動機，二沖程發動機已經銷聲匿跡。而閉循環發動機不存在掃氣的燃料損失問題，一旦Ar閉循環氫氣發動機得到普及，二沖程發動機可能會卷土重來。

6）Ar閉循環氫氣發動機可以完全實現無排氣，也不消耗環境中的氧氣，所以可以在密閉的空間運行，包括礦山機械、涵洞施工、地下交通網、燃油車輛禁止行駛地域、水下交通觀光產業、軍用等，應用前景非常廣闊。

7）Ar閉循環氫氣發動機的噪音較小，非常適合作為城市交通網的動力裝置。因為發動機的噪音源有很大一部分發生在排氣口的排氣管出口與大氣的界面上，而閉循環沒有大氣界面，排氣的沖擊波幾乎完全在閉循環管路內消耗掉，所以不需要消聲器，減輕了整車重量。

8）不需要空氣過濾器，可以在極端惡劣的，特別是粉塵污染嚴重的事故現場、火災現場、火山灰降落區域執行救援任務。同時由于不導入外界空氣并可以自我增壓，可以在高原、高海拔、高寒地域使用。循環的Ar自身可以保有廢氣中的熱能，有利于在高寒地區啟動發動機，不需要預熱塞，所以特別適合高寒地區使用。

9）需要攜帶氧氣。由于富氧技術還未成熟而且在短期內也沒有取得重大進展的可能性，設備龐大耗能驚人，所以只能靠攜帶氧氣解決供氧問題。具體構想已在前言中作了介紹，這里不再贅述。

10）需要一個大型冷凝器和散熱器，不僅要滿足傳統發動機的水冷系統的散熱，還要將發動機的廢氣全部冷卻到100℃以下，如果發動機的輸出功率為100kW，有效熱效率為55%，自然散熱為5%的話，那么散熱器的散熱功率至少要達到66.7kW，散熱器本身的尺寸及重量和散熱風扇的能耗都是要解決的問題。另外，散熱器的熱風也會給上述在密閉空間的使用帶來一定限制。

11）Ar的比熱比高，比熱低，所以壓縮溫度和壓力，燃燒溫度和壓力都要高于空氣發動機。這就需要在發動機的強度、結構和材料等方面采取相應措施，保證發動機的運行安全和耐久性。如何抑制由此造成的成本提高也是需要解決的課題。

上述1）-8）是Ar閉循環氫氣發動機的優勢，9）-11）是劣勢。

Ar閉式循環氫氣發動機的研發課題可大致列舉如下：

1）啟動和停止控制：由于發動機停車時閉循環管路中的氣體成分必然是停車時的工況下的氣體成分，所以不一定適于發動機啟動要求。所以停車前要將閉循環管路中的氣體成分置換成適合啟動工況。這就需要研發一套傳感器和控制系統。

2）燃燒、負載、爆震控制：如上所述，即使是豐田汽車公司的研究報告，也只給出了最高0.31MPa的平均指示壓力的實驗數據。這里面有2個因素，一個是高負載將影響到熱效率值的完美，不能達到前述的60.9%；另一個是高負載工況受爆震的限制很難實現。將來的研究方向應該是應用氫氣缸內直噴，最大限度地減緩爆震發生。結合點火提前角的調節，Ar濃度和氫氧濃度及水蒸氣濃度的調節，通過Ar壓力的調節產生增壓效果，在維持較高壓縮比的前提下達到空氣發動機的設計負載指標。這是一個亟待解決的研發課題。

3）回火和早期點火控制問題：空氣發動機應用氫氣為燃料時會發生回火和早期點火，其主要原因可以分為2種情況：一個是高負載時，由于壁面溫度升高，在進氣門開啟時首先進入氣缸的氫氣被高溫壁面點燃，然后燃燒逆流而上，一直發展到整個進氣道甚至整個進氣管；另一個是低負載時，由于燃燒速度緩慢，燃燒一直持續到排氣行程結束，進氣行程開始，于是首先進入到氣缸的氫氣被上一個循環的火焰點燃并逆流而上。Ar發動機的燃燒溫度高于空氣發動機，所以上述第1種原因的回火更加明顯，第2種原因的回火自然得到改善。但Ar發動機還有第3種原因產生回火，就是在氧氣循環積蓄時，會產生高濃度的氧氣，使壁面點火所需要的壁面溫度降低，壁面點火更容易發生。

4）氧氣和氫氣的循環積蓄控制：任何一個工作循環中的氧氣或氫氣的一方如有剩余就會進入后續的工作循環中，如果不及時調整供給量，將在數s時間內積蓄到50%以上的濃度。所以要建立一套氧氣、氫氣、Ar傳感器和流量控制系統，這套系統需要具有極短的反應時間，最好能夠進行單循環控制。

5）潤滑油的燃燒和乳化問題：潤滑油會少量附著在氣缸壁以及進氣門背面，在進氣行程中蒸發并進入氣缸。另外油底殼內的潤滑油飛沫也會通過竄氣進入進氣道，并在進氣行程中進入氣缸。這些潤滑油被燃燒并產生CO2。這些CO2如果不及時除去就會在閉循環管路中積蓄。另外為了減輕爆震，閉循環中的Ar中有意留下一些水分，也就是說Ar氫發動機比空氣氫發動機的進氣中含有更多的水分。這些水分的一部分會通過活塞開口間隙進去油底殼從而使潤滑油乳化。

6）上述研發課題是Ar閉循環發動機特有的，除此之外氫發動機的一般性課題也要得到解決。比如氫氣的燃燒速度較高引起的冷卻損失增大，氫氣對金屬的脆化作用，氫氣噴嘴的泄漏等問題。

基于上述Ar閉循環氫氣發動機的優劣及課題，作者嘗試分析一下其發展前景。Ar閉循環氫氣發動機的發展應該取決于氫能、燃料電池車、Ar閉循環氫氣發動機車三者的相互制約。Ar閉循環發動機的概念被提出至今已有74年了。由于CO2分離技術和氮氧分離技術的滯后，可以認為Ar閉循環發動機在今后相當長的時間內，其燃料必然是氫氣而不可能是含碳燃料或氨燃料。所以討論Ar閉循環氫氣發動機就要以討論今后氫能如何發展為前提。

以日本的氫能發展為例，雖然日本在發展氫能源布局較早但最近的進展并不順利。首先回顧一下日本的氫能源發展歷程。

1973年發生的第1次次石油危機促使日本決心發展氫能等新能源以應對長期能源供應和環境問題。1974年啟動了“日光計劃”項目[27]，這個項目以政府機關，國立研究所和高校為主體，預計持續到2000年，旨在發展太陽能，地熱，煤炭氣化液化，氫能4項技術。到1992年共投入了4400億日元，平均每年244億日元，而同一時期的科研費（相當于中國的自然科學基金）共7100億日元，平均每年394億日元，可見日本對新能源發展的投入力度之大。再加上1978年啟動的“月光計劃”項目的1400億日元，以及1993年啟動的“新日光計劃”項目的1.5兆日元的預算，使得日本在新能源方面有了堅實的技術儲備。有了這個底氣，日本政府在2002年制定了《能源政策基本法》[28]，在法律的框架下，通產省于2003年制定了“能源基本計劃”[29]，而且每3年更新1次，從2003年的第1版到目前的2021年的第6版。通過這個“能源基本計劃”，通產省有權在量化未來的能源供求關系的前提下，提出能源政策并制定量化目標。

具體到氫能產業上就是2013年成立了“氫能及燃料電池戰略協議會”并于2014年發布《氫能與燃料電池路線圖》[30]。這個路線圖給出了日本實現氫能社會的3個階段。

第1階段，極大地擴大固定式燃料電池和燃料電池汽車的使用，并占領氫氣和燃料電池的全球市場；第2階段，推動氫能發電和氫能供熱以擴大對氫氣的需求；第3階段，結合CO2回收與利用技術實現綠氫生產和供應體系。通過這張路線圖可以看出日本意欲引領全球氫能產業而當時日本也的確有引領全球的實力。

以燃料電池車專利數量為例，當時（2014年）日本約持有65000項，比美國（3000項），中國（15000項），德國（12000項）[31]加起來還多。由于2014年版的路線圖沒有設定具體的量化目標，所以2016年日本發布“改定版氫能與燃料電池路線圖”[32]，設定了諸如到2020年實現普及燃料電池車4萬輛，2025年20萬輛，2030年80萬輛等目標值。2017年發布了“氫能基本戰略”[33]，計劃2030年氫能產量達每年30萬t，發電裝機容量100萬kW，加氫站320座。2019年日本再次更新“氫能與燃料電池路線圖”[34]，將加氫站數量提高到900座。2021年為了達到碳中和目標又宣布計劃2030實現氫氣供應量每年300萬t[35]。可是實際情況卻是，2021年豐田第2代燃料電池車MIRAI售出2447輛，日本國內燃料電池車保有量8157輛，氫氣年產量5.8萬t，加氫站162座，燃料電池車的氫氣年消費量200t[35]。氫能無法快速形成生產規模的主要原因應該是消費不能形成規模所至，而限制消費的則是燃料電池車的價格過高（起價710萬日元），是普通乘用車的3倍，混合動力車的2倍。此外，加氫站少也是燃料電池車賣不動的另一個重要原因。而氫氣消費量小又使得加氫站無法形成商業擴大模式，無法投資新的加氫站建設，形成一個死循環。所以，Ar閉循環氫氣發動機的定位應該是扮演擴大氫氣消費量的角色而不是等待靠燃料電池車引領的氫能產業鏈的成熟。Ar閉循環氫氣發動機的技術門檻低，傳統發動機的大部分技術都能夠得以繼承，成本只比傳統車多了儲氣罐而且由于不需要排氣后處理系統而有望基本持平，經濟性卻一下子提高大約40%，可以說是有百利而無一害。所以Ar閉循環氫氣發動機應該比燃料電池車容易普及，是促進氫能產業進入擴大再生產的正循環模式的新動力。

在應用領域上，因為乘用車以短途為主，正在快速的被電動車替代，即使Ar閉循環氫氣發動機熱效率能夠與電動車匹敵，也會因為加氫站的成本和數量無法與充電樁競爭而失去優勢，所以應該避開乘用車，即避開電動車。可以考慮首先將Ar閉循環氫氣發動機應用于商用車領域，特別是干線物流的重載卡車和長途城際公交客車。現在這2種車型的動力仍然是柴油機，能耗高排放嚴重，亟待找到解決方案。如果用電動車代替，為保證續航需要搭載的電池將更大更重，充電時間也更長。如果用Ar閉循環氫氣發動機替代，因為這2種車型站點固定，不需要廣泛建設加氫站，只需要在固定干線兩端建加氫站，甚至可也就地建設光伏發電制氫，不僅降低了氫氣轉運成本還可以同時解決氧氣供應問題。如果Ar閉循環氫氣發動機在重載卡車得到應用，即使不計入長途城際公交客車，以日本經濟產業省的試算為例[36]，2019年日本國內的載重6t以上的重載卡車保有臺數為62.7萬臺，按每臺每年消耗氫氣6.88t計算，那么氫氣需求總量可達到431萬t。即使只有1/10的重載卡車應用Ar閉循環氫氣發動機，也遠遠超過了氫能基本戰略中的2030年氫能產量達每年30萬t的目標，足以成為促進氫能產業進入擴大再生產的正循環模式的強勢推動力。

3總結

發動機在碳中和潮流勢不可擋，新能源車日新月異的時代，背腹受敵，幾乎失去了反擊的力量。所幸發動機130多年歷史的技術積累，甚至可以說是文化沉淀，使發動機自身獲得了一線生機，那就是Ar閉循環氫發動機。本文比較系統的介紹了這種發動機的原理，特征和發展史以及研究動向，也盡可能地比較客觀地分析了其發展前景。希望對中國的讀者有一點參考價值，也希望有更多的同事們參與研究。