氫燃料發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動機理想代用燃料這一主題，全面論述氫燃料發動機混合氣的形成規律和點火技術;剖析氫發動機的異常燃燒機理和NOX的排放機理;分析影響氫燃料發動機排放的主要因素;總結異常燃燒和NOX排放的控制技術。

關鍵詞：氫燃料;發動機;混合氣形成;異常燃燒;排放;控制

1 前言

在環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。氫燃料用于車用發動機時除了具有燃燒速度快，著火界限寬廣，質量放熱率高等獨特優勢外，還具有較強的適應性和結構繼承性，這些均使得對氫燃料發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，抑制氫發動機的異常燃燒，以及如何對氫燃料發動機的排放進行控制將是我們目前研究的方向。

2 氫燃料發動機混合氣的形成及燃燒

2.1氫燃料發動機混合氣的形成

氫燃料發動機主要有2種混合氣形成方式：外部混合和內部混合。外部混合氣形成方式是指在進氣道噴射氫燃料。內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。

2.2氫混合氣點火

氫混合氣根據噴射壓力的不同，著火方式也不同。低壓噴射氫燃料發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氫燃料發動機的異常燃燒和抑制技術

氫燃料發動機的異常燃燒有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化和促進，比如早燃的不斷提前最終可以導致回火的發生;過高的壓力升高率容易產生缸內熾熱點促使早燃和回火發生。

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，出現壓力波動和爆震現象。氫燃料發動機偶爾在混合氣較?。ǖ拓摵桑r也會發生回火，但是加濃混合氣后發動機又可恢復穩定運轉。

2.3.2異常燃燒的抑制技術

由于早燃可能是由于氣缸壁內的熾熱點引起，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。

根據上述異常燃燒機理可知：任何能減少火焰傳播速度，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（EGR）和混合氣內噴水的方法都可以抑制回火的產生。

3 氫燃料發動機排放及其抑制技術

3.1氫燃料發動機的排放

氫燃料發動機在排放性能上具有傳統燃料發動機無可比擬的優勢。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，而竄入到燃燒室內的少量潤滑油燃燒后產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物。

3.2影響氫燃料發動機排放的因素

3.2.1負荷對排放的影響

在氫燃料發動機中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動機NOX排放量低于配電控混合器發動機。主要原因是：采用閉環控制和順序多點噴射系統實現了對發動機各缸空燃比的精確控制，增加了發動機穩定運行的稀燃極限，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，進氣管內空氣壓力、溫度、過量空氣系數和燃燒速度都發生變化，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過量空氣系數的影響

過量空氣系數對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

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。

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，使發動機缸內的氧濃度下降，所以EGR可以降低NOX的排放量。

4 小結

本文全面論述了氫燃料發動機的研究現狀和發展趨勢。主要結論如下：

（1）氫燃料潔凈、污染小，燃燒放熱量高，很有希望成為車用發動機的理想代用燃料。

（2）缸內高壓直噴和低溫直噴是氫燃料發動機的發展方向，稀燃、速燃技術和廢氣再循環技術用于氫燃料發動機對控制排放和異常燃燒有一定作用。

目前氫燃料發動機異常燃燒的問題，主要是因為現在所用的氫燃料發動機都是由傳統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動機，那么現在所遇到的大部分問題將能得到根本性的解決。

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