氢能在燃烧发动机上利用的研究综述

氢能在燃烧发动机上利用的研究综述

黄佐华 王金华 黄印玉 张勇 刘亮欣 刘兵 蒋德明

西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室

摘要：氢气是未来燃烧发动机最有前途的燃料，氢能在燃烧发动机上的规模利用将取决于氢能的规模化制备。燃氢发动机升功率下降，燃烧控制比较困难，目前燃料成本仍然较高，距离规模化使用还有一定的距离。天然气掺氢燃烧发动机将是氢能在燃烧发动机上应用最有前途和最具可行性的方式。天然气掺氢发动机虽开展了一些研究工作，但距离发动机推广使用还有很多研究工作要做，特别是天然气-氢气-空气混合气燃烧基础研究方面和发动机燃烧与控制的基础性研究方面。

主题词：氢能；燃烧发动机；利用

Utilization of Hydrogen in Combustion Engine-A Review

Huang Zuo-hua, Wang Jin-hua, Huang Yin-yu, Zhang Yong,

Liu Liang-xin, Liu Bing, Jiang De-ming

State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China

Abstract: Hydrogen is regarded as the most promising fuel for combustion engine while the large scale application of such engine will depend on the large scale production of hydrogen. Pure hydrogen engine will bring power loss of engine and has difficulty in engine controlling besides high cost of the fuel, and those make it still to have a long time before being widely utilized. Addition of hydrogen into natural gas is the most promising and feasible approach for hydrogen utilization in combustion engine, although some preliminary work had been done in natural gas/hydrogen combustion engine, there still has more work needed to be conducted especially in the aspects of fundamental study such as combustion characteristics of natural gas-hydrogen-air mixture as well as the combustion and controlling of the engine.

Keywords: Hydrogen; Combustion engine; Utilization

前言

化石燃料的短缺已成为世界各国面临的主要问题，化石燃料的储藏量有限，预计到本世纪中叶地球上的化石燃料将被消耗完，届时石油替代燃料如天然气、氢气和生物质燃料等将成为燃烧发动机的主要燃料。今后地球上的能源增长将主要依靠清洁能源和可再生能源。据联合国预测，到2050年全球60%的电力和40%的能源消费将由可再生能源提供。化石燃料的燃烧会产生有害排放物，如NOx, CO, HC, Smoke, PM 以及温室气体CO 2，燃烧发动机解决这一问题的一个有效途径是采用清洁燃料。氢能是一种清洁燃料，可以利用生物质热解制氢和太阳能光解水制氢，随着规模化制氢技术的成熟和大规模氢气的制备，氢能在发动机上的黄佐华，男，，教授，主要研究方向是内燃机燃烧和清洁燃料发动机1963-

使用势在必行，它不仅能够补充石油类燃料短缺问题甚至填补石油耗尽后发动机燃料出现的空白，也为大幅度降低发动机排气污染提供了途径。因此，燃氢发动机和掺氢燃烧发动机的研究与开发对于氢能的利用和降低机动车排气污染具有十分重要的意义。

表1 给出了氢气、甲烷和汽油的燃料特性，表2列出了他们的燃烧特性参数。氢气与碳氢类燃料相比有很高的扩散速率，这对改善混合气质量和均匀性有利，氢气壁面淬熄距离很小，从而使火焰能传播到壁面更近处和燃烧室狭缝间隙内，燃烧更完全，碳氢排放低。

表1 氢气、甲烷和汽油的燃料特性

燃料特性 氢气 甲烷 汽油

1 atm, 300K 下的密度 (kg/m 3)

0.082 0.717 7.16 理论空燃比 (% by volume)

29.53 9.48 1.65 理论燃空质量比

0.029 0.058 0.069 燃烧后摩尔变更系数

0.85 1 1.058 质量燃料高热值 (MJ/kg)

141.7 52.68 48.29 质量燃料低热值 (MJ/kg)

119.7 46.72 44.79 体积燃料高热值 (MJ/m 3)

12.1 37.71 233.29 体积燃料低热值 (MJ/m 3)

10.22 33.95 216.38 1kg 理论空燃比混合气燃烧热 (MJ)

3.37 2.56 2.79 300K 下的动力粘度 (mm 2/s)

110 17.2 1.18 300K 下导热率 (mW/m K) 182 34 11.2 空气中燃料扩散系数 (cm 3/s) 0.61 0.189 0.05 燃料辛烷值 130 93 碳氢比 0 0.25 0.44 表2 氢气、甲烷和汽油的燃烧特性参数 燃烧特性 氢气 甲烷 汽油 着火极限 (% by volume) 4-75 5.3-15 1.6-6 最小点火能量 (mJ) 0.02 0.28 0.25 层流火焰速率 (m/s) 1.9 0.38 0.37-0.43绝热火焰温度 (K) 2318 2190 2470 自燃温度 (K) 858 813 500-750 淬熄距离 (mm) 0.64 2.03 2 氢气作为燃烧发动机燃料具有以下特点： （1） 与其他燃料相比，氢气在宽广的温度和压力范围内都具有很高的火焰传播速率，即使在稀混合气条件下仍具有很高的火焰传播速率，燃烧时间缩短。 （2） 稀燃能力比其他燃料强，发动机能在稀混合气下稳定工作。 （3） 稀混合气燃烧和快速放热速率使燃氢发动机具有很好的热效率。 （4） 燃氢发动机具有很好的排放特性，燃烧后无一氧化碳，二氧化碳，硫化物，碳烟和颗粒物排放，只产生氮氧化物和水，稀混合气燃烧时氮氧化物也可降低到比其他燃料低得多的水平。 （5） 快燃能保证发动机高速下的性能，具有好的低温环境下工作性能和冷起动