氢气内燃机：NOx排放最小的替代方案

氢气内燃机研发在最近30年，始于爱伦（Erren）^[1]和欧密欣（Oehmichen）^[2]的工作、宝马的研究纲要^[3]和其他一些汽车生产厂家的不断努力^[4，5]，取得了很大进展。氢气内燃机用于汽车具有最大的潜力，主要研究氢气点燃式发动机^[6，7]，也研究氢气二冲程发动机^[8]和氢气汪克尔（Wankel）发动机^[5]。氢气内燃机是在相应的汽油机的基础机上制成的^[4，5，9]。氢气与空气的混合气可以在内燃机的外部形成，也可以在内部形成（图4.3-45）。增压可以大幅度提高内部或外部混合气形成的内燃机比功率密度。

作为实例的宝马12缸、氢气与空气外部混合的氢气发动机^{[9，15，17]}具有下列的典型特征：

1）开发氢气燃烧系统。

2）电子系统与点火系匹配。

图4.3-45 各种氢气发动机方案的混合气 热值与汽油机多点喷射（MPI）比较

3）开发氢气发动机的控制，包括电控单元和氢气发动机工作策略。

4）将氢气共轨和氢气进气阀组合在进气系中。

5）改进气门座圈和优化活塞环组。

燃烧室的几何形状和点火系兼顾汽油燃烧和氢气燃烧。宝马发动机按双发动机方案设计，既可以像批量生产的直喷汽油机方式工作，也可按氢气与空气外部混合的点燃式发动机方式工作。双发动机方案工作可以为用于预先提供有价值的氢气汽车尝试，只是在这期间还没有覆盖广大地区的加氢站网点。

1.外部混合气形成的氢气燃烧系统

氢气和空气的混合气形成发生在进气行程。在外部混合气形成时当过量空气系数λ=1时发动机达到最大功率密度。

氢气和空气混合气的氢气特性、宽的点火边界、低的点火能量以及高的燃烧速度增加了非受控燃烧（回火、提早点火）的危险，这是研发氢气发动机在λ=1工作时的重大挑战。主要研发目标放在发动机受热件的热稳定性和专门的氢气燃烧系统上。为避免有害物的排放，除得到最大的功率密度外，还要设置一些重要的边界条件（限制条件）。对于燃烧氢气的发动机，NO_x是唯一的有害物排放。由燃烧润滑油产生的少量未处理的原始排放物CO和HC可用稀混合气或过量空气系数λ=1工作时在三效催化转化器中将它们降至接近于零。

形成的NO_x与燃烧温度有关^[12]。均质稀氢气—空气混合气（过量空气系数λ>>1）在低温燃烧具有很高的热效率和最低的NO_x排放，在λ=4时还能燃烧，因此氢气发动机的工作范围很宽，可以不用节流装置实现负荷的质调节（图4.3-46）。

在负荷增加时（λ＜2.0），未处理的原始排放物明显增加，并在1.1＜λ＜1.2时达到最大值。在λ=1时原始排放值处于一个高水平。与发动机在λ＞1工作时相比，在λ=1时未处理的原始排放物可以通过常规的三效催化转化器降低到很低水平^{[9，10，11]}。

根据氢气混合气的宽的点火边界以及NO_x形成边界，需要对自由吸入氢气的外部氢气与空气混合的发动机确定工作策略。为此，在整个宽的λ范围，发动机用稀混合气、质调节工作。其效果是发动机的NO_x排放可忽略不计，而热效率很高。在2.0＜λ＜2.2范围发动机控制直接转换到λ=1工作和量调节，以达到最大功率密度。这样就排除发动机在1.0＜λ＜2.0范围工作。发动机采用这样的工作策略可保证在整个的特性场中保证特别低的NO_x排放和达到所有法规所要求的NO_x排放限值^[16]。

图4.3-46 NO_x排放随过量空气系数λ的变化和氢气发动机工作策略

在外部混合气形成中，依靠增压可显著提高混合气热值。当增压到0.85bar时发动机平均有效压力可大于18bar。氢气发动机压缩比最高可达到约ε=11。在全负荷化学当量混合气工作时，利用提早点火就可限制压缩比^[10]。

2.内部混合气形成的氢气燃烧系统

内部混合气形成提供了通过燃料喷射率和改变点火定时^[16]控制燃烧和提高功率的另一种可能性。内部混合气形成的氢气发动机平均指示压力约可达到15bar^[10，11]。(www.xing528.com)

氢气直喷发动机的关键部件是喷嘴。由于在压缩过程喷入氢气，喷射压力视喷射定时需要50～300bar。喷嘴要有高的流动速率和精确喷入氢气，并能承受燃烧室中的高的热负荷。

由于氢气与空气的有效气体交换（混合），在内部混合气形成的压缩期间测定的气缸内气体压力要明显高于外部混合气形成的自由吸气的汽油机和氢气发动机的气缸内的气体压力。

在内部混合气形成时的发动机工作策略与外部混合气形成的发动机工作策略相似。增压可提高发动机比功率密度，氢气直喷还可进一步提高比功率密度。

3.提高效率的潜力

氢气发动机在部分负荷时燃烧很稳定。由于氢气和空气混合气的点火边界宽，在稀混合气工作时燃料未燃的燃烧损失很小。在按化学当量混合气工作的燃烧速度要比汽油机的化学当量混合气工作的燃烧速度快得多，所以燃料燃烧延迟时间要短得多。由于氢气的快速燃烧，在气缸中近似等容加热过程，使发动机在全负荷工作时有高的热效率。另外，高的燃烧速率使气缸内燃气压力增长率陡峭，产生高的机械载荷和热负荷、高的燃烧终了压力和温度。

点燃式发动机热力学理论效率是基于等容加热（燃烧）过程的热效率η_th=1-1/ε^k=1，式中ε为压缩比，k为等熵指数或热容比。高压缩比ε和高等熵指数k就有高的热效率，k≈1.4的氢气发动机热效率比k≈1.35的汽油机和柴油机热效率当然也高。在较高的压缩比ε下，理论热效率随ε的增加而增加（k一定）。发动机在实际工作时，由于摩擦功的增加理论热效率的增加没有那么多，要抵消一部分。

图4.3-47是氢气发动机在典型的部分负荷、2000r/min时的指示热效率与当前技术的汽油机和柴油机指示热效率的比较。

图4.3-47 在典型的部分负荷、2000r/min时氢气发动机指示 热效率与当前技术的汽油机、柴油机指示热效率比较

氢气发动机的高的理论热力学效率是因为稀混合气燃烧；柴油机的高的理论热力学效率则是高压缩比这一主要因素。

尽管氢气发动机的理论热力学效率要比柴油机的理论热力学效率低一点，但氢气发动机的指示热效率还是比柴油机的指示热效率高。其原因是燃烧速度快，较少的偏离理想等容加热（燃烧）的工作过程，使热效率损失少；由于没有节流装置，充量更换损失少。高压缩比柴油机的优点加上稀混合气、无节流的燃烧的优点使它的指示热效率高于点燃式发动机的指示热效率。氢气发动机指示热效率要比点燃式发动机（汽油机）的指示热效率约高8%，总的燃料消耗可改善25%。

4.用作汽车动力装置的氢气发动机

氢气发动机的重量、体积功率密度以及转矩密度处于汽油机与柴油机相应的指标之间。

在件数相当时，氢气发动机的研发和生产成本也处于汽油机和柴油机成本之间。在中、低负荷时氢气发动机的效率潜力甚至超过目前柴油机的效率。工程转换是基于当今的内燃机批量生产水平。采用氢气发动机的动力装置方案能获得的利益首先是因为研究工作取得的进展（如降低摩擦损失、能量管理、电子化的传动系）。

动力学、功能扩展、安装位置、动力装置组装和在汽车上的各接口等实际上保持不变。汽车的一些部件和尺寸的确定（如变速器、HAG、支撑、制动器）由原先配备汽油机或柴油机的汽车承担。

氢气发动机可以经济地体现氢气的所有优点，如没有CO₂排放、能源的多样性、持久利用再生能源、采用适当的氢气发动机工作策略可以将有害气排放降至接近于零。

在未来，只要采用氢气为燃料能够实现对汽车动力装置的要求，氢气点燃式发动机就会适时采用。

参考文献