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氫內燃機和氫燃料 (系列講座11)
更新時間:2019-1-14 15:56:16        【打印此頁】  【關閉
氫氣的常規利用方式主要是兩種,一種是通過電化學方法,利用我們前兩講介紹的“燃料電池”將氫的化學能變為電能和熱能;另一種方式是通過熱化學方式,即燃燒氫,將化學能變成熱能或動能。例如,用鍋爐將氫能變成熱能,用“內燃機”將氫能變成動能。本講就是介紹氫內燃機。 “內燃機”是一種動力機械,它是通過燃料在汽缸內燃燒,將放出的熱能直接轉換為動力的熱力發動機。內燃機的形式很多,有往復活塞式內燃機、旋轉活塞式發動機、自由活塞式發動機、旋轉葉輪式燃氣輪機和噴氣式發動機等,但通常所說的內燃機是指活塞式內燃機。 活塞式內燃機將燃料和空氣混合,在氣缸內燃燒,釋放出的熱能使氣缸內產生高溫、高壓的燃氣,燃氣膨脹推動活塞做功,再通過曲柄連桿機構或其它機構將機械功輸出,驅動從動機械工作。 活塞式內燃機自19世紀60年代問世以來,經過不斷改進和發展,已成為比較完善的機械。它熱效率高、功率和轉速范圍寬、配套方便、機動性好,所以獲得了廣泛的應用。全超界各種類型的汽車、拖拉機、農業機械、工程機械、小型移動電站和戰車等都以內燃機為動力。海上商船、內河船舶和常規艦艇,以及某些小型飛機也都由內燃機來推進。世界上內燃機的保有量在動力機械中居首位,它在人類活動中占有非常重要的地位。 一 內燃機的燃料發展 活塞式內燃機起源于用火藥爆炸獲取動力,但因難以控制而未獲成功。1794年,英國人斯特里特提出從燃料的燃燒中獲取動力,并第一次提出了燃料與空氣混合的概念。早在1820年,Rev.W.Cecil就發表文章,談到用氫氣產生運動力的機械,還給出了詳盡的機械設計圖,這比第一臺實用的用煤氣做燃料的內燃機的出現整整早了40年。 由于氫具有特殊性質,而與現代液體化石燃料內燃機燃料不同,用氫作內燃機的燃料,會帶來諸如早燃、回火、爆燃等異常燃燒的現象,使發動機正常工作過程遭到破壞。 1“早燃”是指火花塞點火以前,氫氣混合氣已被一些熱點點燃,開始燃燒。熱點可能是燃燒室中的尖角、火花塞的過熱電極、排氣門、機油高溫分解的碳粒、雜質的過熱沉積物等。在濃混合氣發生早燃時,火焰傳播速度極快,壓力急劇升高,使發動機的正常工作遭到破壞。 2所謂“回火”,就是在進氣過程中,進氣門尚未關閉,氣缸內混合氣未經火花塞點燃而被熱點引燃,火焰傳播到進氣管內的一種不正常現象。在以濃混合氣工作時,進氣管內回火會造成強烈的噪聲,也容易損壞發動機。 3“爆燃”則是內于氫的滯燃期短,火焰傳播速度相當快,導致燃氣壓力急劇增高,燃燒過早結束,飛輪因克服不了壓縮功,會造成突然停車。 所幸經過科技人員的多年研究,已經采取一些措施,解決了上述問題。目前,氫內燃枧的研究已經達到很高的水平。例如,福特公司的氫內燃機的壓縮比為(14~15):1,空燃比接近柴油機的水平,熱效率比現在的汽油機高15%左右,并有望提高到25%;由于的氫內燃機采用了稀薄燃燒技術,有效地降低了發動機的最高燃燒溫度,從面使NO 的排放量達到極低的程度。下面是福特公司Ford 2.3LDOHC,I4型氫內燃機的一些參數:重124公斤;最大功率為6lkw(3000轉/分);尺寸(長×寬×高) 為0.53×0.66×0.76米。

2004年5月25~28日,在北京舉辦的第二屆國際氫能論壇上,寶馬公司展出了可以使用汽油和氫氣的汽車發動機實物(圖1),引起人們極大的興趣。寶馬公司雙燃料液氫發動機為6升,12缸,最大輸出191kW(5100轉/分)。

 

 

 

圖1 BMW在北京氫能論壇2004上展出的12缸氫內燃機 2007年7月,德國寶馬公司在上海氫能展覽會上展出的BMW7氫-汽油雙燃料轎車,就是采用了這種氫內燃機。

氫內燃機和汽油內燃機相比,有很多優點:排放物污染少,系統效率高,發動機的壽命也長,具體比較參閱表1。

 

 

表1 氫內燃機的主要技術經濟指標 二 內燃機的純氫燃料

可燃氣體與汽油的性能有很大區別,一般說來,氫的性能優于碳氫燃料,詳見表2。氫的熱值約為汽油的3倍,比汽油具有更寬的著火界限?;旌媳仍詮靠掌凳艽蟮姆段詒潿本晌榷ㄈ忌?,因此發動機可燃用稀混合氣。氫的熱效率高,點火能量低,最小點火能量僅為汽油最小點火能量的十余分之一(0.02MJ),而且氫的火焰傳播速度比碳氫燃料快得多,低溫下容易啟動。將汽油車改裝為氫汽車并不困難,氫汽車的排放物主要是H O(水蒸氣)、N 、O 和少量的NO 。在常用情況下,低負荷時NO 的排放量很少,僅在全負荷時,接近或少許超過汽油機的NO 排放量,但也可采取措施予以降低。

 

 

表2 可燃氣體與汽油的性能對比

三 內燃機的氫-油混合燃料 在汽油-氫混合燃料發動機中,氫在燃燒時起促進作用。由于氫的點火能量低,稀混合氣易于燃燒,發動機可燃用稀混合氣;由于氫的活化能低,火焰傳播速度快,擴散系數大,混合氣的滯燃期縮短,火焰傳播速度加快,實際循環比汽油機更接近于等容循環,燃燒時間更短;由于氫是雙原子分子,而且可燃用稀混合氣,因此雙原子含量相對增加。所有這些,都使發動機的熱效率得以提高。試驗結果表明,汽油機中加入5%的氫后,可節省汽油約30%以上,故具有節油的優點。由于在燃燒中促進了CO完全燃燒為CO ,發動機的CO ,排放量減少至原汽油機的1/4以下,HC排放量降低至原汽油機的3/4以下;燃用稀混合氣時,也能減少NO ,排放量。汽油-氫混合燃料汽車在實際應用時,在常用的中、低負荷工況下,加氫率應高些,以便在很大程度上克服汽油機中、低負荷時,油耗率高和有害排放量高的缺點;在高負荷時,應少加氫,以免功率下降,保持其動力性。 不過,使用這種燃料,需要在汽油車上再加裝一套氫氣供應系統,雖然這在技術上可以實現,但在經濟上未必合算,因此使用的方便性也大打折扣。 四 內燃機的氫和天然氣混合燃料 將氫按一定比例添加到天然氣中混合,混合后的燃氣用作汽車的燃料有很大的好處。氫氣和天然氣可以很容易地以任何比例混合,國內外的試驗都表明,5~7%質量的氫氣和天然氣混合燃料,具有最低的NO 排放。 天然氣作為汽車燃料,雖然可以降低CO 、SO 、Pb以及直經≤2.5 m細顆粒物(PM2.5)等污染物的排放量,但是,由于甲烷熱值較高,達到36000kJ/m ,在高溫高壓下燃燒,燃燒溫度可以達到2300℃,容易產生NO 氣體。因此,在實際使用過程中,和汽油、柴油車相比,天然氣汽車并沒有降低NO 氣體的排放。

將氫氣摻混到天然氣中用作燃料,可以有效降低燃料的燃燒溫度,從而減少排放氣中NO 的含量。美國國家可再生能源實驗室的研究結果指出,天然氣中加入5~7%的氫氣(質量百分比),即15~20%(體積百分比),NO 的排放量將減少50%。圖2給出了美國DENVER示范項目的結果,可見與天然氣相比,5%質量的氫氣和天然氣混合燃料的碳氫化合物(THC)、CO和NO 的排放量分別降低約30%、50%和50%。氫氣和天然氣混合燃料對CO 的減排也有效果(圖3)。

 

圖2 美國DENVER5%(質量)氫氣-天然氣示范項目的結果

 

圖3 不同燃料CO 排放量比較

美國陽光車道(Sunline)運輸公司已經在大型客車上成功地使用了氫和天然氣混合燃料,氫/天然氣混合燃料汽車與純天然氣汽車相比幾乎沒有差別,目前我國已有數十萬輛天然氣汽車在運行,現有的運行經驗和基礎設施都有利于這種燃料的推廣。筆者早在2005年2月出版的《科技導報》中就著文《氫能及其近期應用前景》,指出氫/天然氣混合燃料內燃機汽車將是連接現在汽車和零排放氫燃料電池汽車之間的一個實用和可行的橋梁,現在也更加相信這點。

 

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