氢能源的突破——第一台氢内燃机点火成功

近日,我国自主研制的第一台高效低排放氢内燃机在重庆长安汽车集团成功点火。高效低排放氢内燃机是国家"863"计划惟一立项的氢燃料重点项目,它的成功点火标志着我国氢内燃机研究技术获得了突破性的进展,为氢内燃机的产业化奠定了基础。     

氢内燃机及整车性能试验研究

为探索氢燃料应用于内燃机及车辆的各项性能,在一款2.0 L汽油机的基础上,重新设计发动机各系统及部件,研制出氢内燃机和样车,并进行了台架和整车试验.试验结果显示:氢内燃机功率和扭矩比同排量汽油机均下降40%左右,但最高指示热效率和有效热效率分别可达到40.4%和35.0%,NOx排放主要受混合气当量燃空比的影响.氢内燃机及整车各系统工作正常,动力性能也满足开发要求.氢内燃机汽车CO和HC排放显著降低,NOx排放仅为0.057 g/km,比国Ⅳ标准低了28.75%,具有良好的排放性能.     

大功率氢内燃机增压匹配与参数优化

氢内燃机是氢能源利用的有效方式之一,自然吸气的进气道顺序喷射式氢内燃机的功率密度比传统内燃机低,增压中冷技术是提高氢内燃机动力性能的重要手段. 基于一款9.73 L增压CNG发动机,针对采用氢燃料后的增压匹配难点建立了增压氢内燃机仿真模型,在此基础上完成了氢内燃机增压匹配并对压缩比和进气门开启角度进行了优化. 最终的性能预测结果表明:氢内燃机最大扭矩890 N·m,比增压前提升了1倍,增压后有效热效率提升7%~15%,主要排放物NO_x比排放呈降低趋势;参数满足公交车辆对大功率氢内燃机的要求.      

院校新闻

北理工成功开发出氢燃料内燃机样机日前,北京理工大学攻克了综合电子控制、运行安全技术、氮氧排放控制等难关,成功开发出了具有超低排放的氢燃料内燃机样机,为我国氢能应用技术开辟了一个新的领域。氢能源经济是解决能源危机和环境污染问题的重要途径之一,氢燃料内燃机是实现氢能源经济的有效措施之一。机械与车辆工程学院热能与动力工程系刘福水教授领导的项目组对样机的开发成功为我国氢能应用技术开辟了一个新的领域,也标志着北京理工大学在该领域的研究居于国内领先水平。上海理工研制出农药残留现场检测技术日前,上海理工大学成功研究…     

基于耦合动力学的直线氢内燃机工作特性研究

根据活塞动力学方程和热力学方程,建立了直线氢内燃机零维数值计算模型,获得了直线氢内燃机活塞运动学特点.通过耦合零维动力学模型和燃烧室动网格模型,建立了直线氢内燃机燃烧过程CFD模型,对比传统氢内燃机和直线汽油发动机,分析了直线氢内燃机工作过程性能状况.仿真计算结果表明:与传统氢内燃机相比,直线氢内燃机燃烧持续期较长,最高燃烧压力和平均温度均较小,这有利于控制NO排放,但燃烧等容放热量较少,后燃较严重,指示效率较低;相对于直线汽油机,直线氢内燃机燃烧过程火焰传播速度快,燃烧持续期较短,指示效率较高.     

柴油引燃直线氢内燃机稀薄燃烧特性研究

直线氢内燃机特殊的自由活塞运动导致了较低的燃烧反应速率和放热等容程度。为减少燃烧时间损失,提高能量利用效率,在一台直线氢内燃机中尝试应用了引燃稀薄燃烧技术。首先通过原理试验验证了引燃稀薄燃烧技术的可行性,然后采用一种耦合活塞运动的迭代计算方法对柴油引燃直线氢燃料内燃机燃烧性能和运行特点进行了模拟研究。结果表明:采用引燃燃烧技术,有助于提高直线氢内燃机的燃烧速度,减小放热时间损失,增加指示效率。相对于传统点燃燃烧,引燃技术能够提高直线氢内燃机活塞往复运动频率和压缩比,增加直线氢内燃机输出功率,但是引燃燃烧会轻微加重直线氢内燃机的NOx污染物排放。     

纯氢内燃机氮氧化物排放机内净化的仿真研究

纯氢内燃机工作时不会产生一氧化碳、碳氢化合物等有害排放物，但会面临高氮氧化物排放的问题，而机内净化和机外净化是控制氮氧化物排放的两种常用手段。机外净化主要通过成熟的选择性催化还原（SCR）技术降低氮氧化物排放，但机内净化技术目前还很少被关注。为此，采用Chemkin Pro软件中的闭口均质反应器模型来模拟纯氢内燃机氮氧化物排放的机内净化。结果显示，废气再循环（EGR）技术可以降低氮氧化物排放，当EGR率为20%时，氮氧化物排放降低了45.3%，但仅使用EGR来降低氮氧化物排放的效果还不够明显，氮氧化物排放依然很高。与单独应用EGR技术相比，EGR技术与稀薄燃烧技术相结合能够更好地实现氮氧化物排放控制，如过量空气系数为1.4、EGR率为20%时，氮氧化物排放量降低了96.31%，实现了纯氢发动机的超低排放。与EGR技术以及EGR?稀薄燃烧技术相比，内部选择性非催化还原技术的氮氧化物排放控制效果更佳，仅10%的氨气比例就能使纯氢发动机氮氧化物排放降低96.32%，15%的氨气比例可以实现纯氢发动机氮氧化物零排放，且并不需要EGR或稀薄燃烧技术的参与；然而，精确控制发动机缸内氨气比例是十分必要的，否则会产生残氨排放污染环境。     

氢燃料内燃机NOx排放特性及机理

为深入研究氢燃料内燃机NO_x的生成机理,基于CONVERGE软件建立了三维网格耦合详细化学反应机理的氢燃料内燃机CFD仿真模型,进行了氢燃料内燃机在不同负荷下的燃烧及排放特性研究。模型的仿真结果和试验数据较为吻合。结果表明,氢气浓度增大有利于提高氢燃料内燃机的效率;NO的大量生成出现在不断升温的快速燃烧期,快速燃烧结束后NO总量不断减少,其缸内平均温度低于2 200K时NO总量趋于稳定;热NO,NNH和N_2O是NO生成最主要的路径,其中热NO路径产生的NO排放最多,其贡献率随着负荷增大而增大。NNH和N_2O路径在较低浓度时有接近25%的贡献率,而在燃空当量比为1.0时,这2种路径对NO生成的贡献率之和为负值。采用化学反应动力学方法得到了3种路径在不同负荷下对NO生成的贡献率,初步揭示了氢燃料内燃机NO_x生成的机理,为后续研究提供了理论参考。     

传统缸内壁面传热模型在氢内燃机中的适用性

针对传统内燃机缸内传热模型在氢内燃机传热预测计算中的适用性问题,研究了LaunderSpalding模型、Huh模型、Poinsot模型、Han-Reitz模型和Rakopoulos模型在氢内燃机的压缩和膨胀冲程中的应用,为此编制程序将上述模型嵌入到开源计算流体动力学(CFD)工具包OpenFOAM的求解器中,并对一个氢内燃机缸内反应流动的算例进行了传热的预测计算和实验验证。研究表明:相对其他模型,Rakopoulos模型对氢内燃机传热热流的预测最为准确,优于AVL-Fire软件中推荐的Han-Reitz模型,可作为AVL-Fire软件二次开发进行氢内燃机的相关模拟计算;除Rakopoulos模型之外的模型适用性较差的原因是,不能准确描述氢内燃机缸内边界层中的工质物性及湍流黏性的分布规律,通过改进氢内燃机缸内边界层中的密度、黏度、湍流普朗特数分布有望提高氢内燃机传热模型的适用性;准确预测壁面热流峰值时刻需要对燃烧模型的火焰传播过程计算进行详细校核。     

天然气掺氢火花点火发动机性能与排放研究

在一台燃用CNG／H2混合燃料的火花点火发动机上，开发了一个电子控制单元（ECU）来控制发动机点火提前角和混合气浓度，并研究了不同掺氢比（氢气的体积分数分别为0%、10％、20％和26％）对发动机性能和排放的影响．研究结果表明：天然气掺氢后发动机功率和有效热效率有所降低；在相同过量空气系数下，随着掺氢比的增加，发动机的最佳点火提前角推迟，HC、CO2排放得到降低，NOx排放有所增加．掺氢后可以提高发动机的稀燃极限，在稀燃下可以得到较低的HC、CO、CO2和NOx排放。     

氢内燃机：迈向绿色氢能时代

氢燃料内燃机是以氢气为燃料,经过燃烧过程转化成机械能的新型内燃机。它既保留了传统内燃机的基本结构与主要系统,又发挥了氢燃料清洁、可再生的特点。在氢燃料内燃机工作过程中,各种含碳污染物排放几乎可以忽略不计,很好的解决了能源危机和环境污染问题。凭借其     

HCNG发动机性能分析

介绍了HCNG(氢气-天然气混合燃料)的性能试验结果分析.采用缸外预混合天然气/氢气,研究发动机转速、进气管绝对压力、掺氢体积比、点火提前角对发动机性能的影响.结果表明适量掺氢可增大发动机最大有效功率;增大掺氢比可降低HC排放平均值;增大进气管绝对压力会增大HC排放平均值;CO排放受点火提前角、进气管绝对压力和燃料成分的影响;增大点火提前角和进气管绝对压力使各个掺氢比的NOx 排放有增大的趋势.     

改善内燃机的燃烧以降低油耗和减少有害物排放的技术措施

“环保”和“节能”是世界永恒的主题。在汽车保有量日益增多、能源危机来临的今天，降低汽车油耗和减少排放成为内燃机制造领域一大热点。本文中讨论了内燃机燃烧的有害排放物及其危害、影响因素，减少有害排放和节油的方法，并从改进和调整点火系统、进气系统、燃烧系统、供油系统及采用电控技术等方面对汽油机、柴油机的机内净化、降低油耗的技术措施作了全面的论述。     

不同供氢方式对X型转子发动机性能影响的仿真研究

为了进一步提升新型动力装置X型转子发动机的性能，采用掺氢燃烧的方式改善发动机的燃烧过程。利用数值仿真建立并验证了XMv3型转子机的掺氢CFD模型，选择了进气道掺氢和燃烧室直喷掺氢两种供氢方式进行对比，探究了掺氢对缸内流动、燃烧和排放过程的影响，揭示了掺氢比例以及不同供氢方式对缸内湍动能和涡度、自由基团、缸温和缸压以及CO和NO_x排放的影响规律。结果表明：在进气过程中，缸内形成了伴随着两个涡团的主流场，将气体带向燃烧室的两侧，充分混合空气与燃料，有利于燃烧过程；掺氢后，燃烧区域向燃烧室两侧狭缝扩展，改善了燃烧性能，且直喷掺氢的效果要明显优于气道掺氢的；同时，由于采取高当量比的燃烧策略和掺氢提高了缸内温度，分别使得CO和NO_x的排放量明显增加；相比未掺氢的情况，掺氢能量分数为5%时，气道掺氢和直喷掺氢的缸压峰值分别提高了16.71%和43.15%。本研究可为X型转子发动机供氢方式的设计提供参考依据。     

喷射时刻和掺氢比对直喷发动机燃烧特性的影响

在缸内直喷火花点火发动机上对天然气掺混氢气的体积分数为0％～18％的混合燃料不同喷射时刻下发动机的燃烧和排放特性进行了试验研究．研究结果表明：对于给定的喷射持续期和点火时刻，喷射时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响，喷射太迟燃烧持续期长，放热速率慢，喷射过早会导致充量系数下降；对于给定转速，发动机存在一个最佳的喷射时刻，此时缸内最高压力升高率和最高燃气平均温度高，燃烧持续期短，燃烧过程定容度高，发动机热效率高，HC排放低；在同一喷射时刻下，当氢气的体积分数小于10％时，HC排放略有上升，当氢气的体积分数达到18％时，发动机HC排放与纯天然气排放水平相当；掺氢对NOx、CO和CO2排放影响不大．     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的性能与排放

对缸内直喷火花点火发动机燃用天然气氢气混合燃料时的性能与排放进行了试验研究．研究结果表明：在喷射脉宽一定的条件下，当天然气掺氢比例小时，平均有效压力和热效率有所下降，当掺氢比例达到一定值（即氢的体积分数为5％～10％）后，平均有效压力和热效率增加，此现象在稀混合气条件下更加明显，表明天然气掺氢对稀混合气燃烧过程的改善有显著作用；发动机HC和CO2的排放浓度随天然气中掺氢比例的增加而下降，原因是掺氢增加了混合燃料中氢碳的量的比值和混合气过量空气系数；在稀混合气条件下，发动机的NQ的排放浓度随掺氢比的增加而有所降低，CO的排放浓度基本上不随掺氢量的改变而改变。     

天然气掺氢火花点火式发动机排放性能研究

在一台天然气掺氢的火花点火发动机上,研究了掺氢比和过量空气系数对发动机排放性能的影响.结果表明,在掺氢比一定时,过量空气系数对 HC、CO、Nox 和 CO2排放有较大的影响.在相同过量空气系数下,随着掺氢比的增加,HC 排放量有所降低,特别是稀燃下的 HC 排放量大幅降低.Nox排放量随掺氢比的增加而增加,而 CO2排放量随掺氢比的增加而减少.掺氢后,发动机的稀燃极限有所提高,稀燃条件下发动机的HC、CO、CO2 和 Nox的排放量比较低.     

掺氢对燃气轮机燃烧室燃烧和排放性能的影响研究

为了研究以天然气为燃料的干式低排放（DLE）贫预混（LP）燃烧室改用氢燃料时的性能变化和掺氢极限,满足低碳排放燃机安全可靠运行的要求,以某F级发电用重型燃气轮机燃烧室为研究对象,数值研究了天然气/氢气混合燃料不同掺氢比（H₂体积分数0～100%共6种工况）对燃烧室燃烧和排放性能的影响,分析了燃烧室可能出现的问题。研究表明,燃用天然气的LP燃烧室在改用氢燃料时,存在着回火的巨大风险,在掺氢比达40%时回火导致的燃烧器喷口高温区域明显,在更高的掺氢比下存在烧毁的可能,且高氢条件下回火发生且向上游传播,为机组运行带来巨大的安全问题。中心以扩散方式工作的值班燃烧器不存在回火风险。产物中CO和CO₂的含量随掺氢比的增加而降低,H₂O含量增加;NO_x的排放量随氢含量的增加呈现增加的趋势,但增幅并不显著。     

氢燃料微预混火焰燃烧不稳定性实验研究

该文针对一种自主设计的氢燃料微预混燃烧器，开展了常压下掺氢甲烷燃料微预混火焰燃烧不稳定性实验研究。从纯甲烷到纯氢气，研究了不同氢含量下NO_x排放、动态压力、火焰结构等燃烧特性，结果表明：该预混燃烧器具有较优异的低排放燃烧性能，可适应较宽氢含量燃料并实现稳定燃烧，其中纯氢燃料在绝热火焰温度1 850 K时NO_x不高于5μmol/mol(干基，15%O₂摩尔浓度);在氢含量为10%和20%时，氢燃料微预混火焰出现振荡燃烧现象，且激发更高阶的谐波；在更高氢含量下微混火焰出现高频脉动，但幅值较低。利用本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)方法对振荡工况进行分析，提取其模态的时间系数和空间分布特征，发现一阶模态都表现为与整体脉动主频相同的体积振荡，二阶模态都表现为轴向脉动，脉动频率是主频的2倍。随着氢含量进一步升高，轴向模态渐渐转变为火焰间相互作用。     

高压氢气射流火焰的数值模拟

高压氢气泄漏并发生点火是氢火灾事故的核心场景,也是氢安全研究的基本内容。该文对高压氢气泄漏后立即点火、延迟点火以及有防护墙存在时的延时点火3种场景进行了数值模拟仿真,分析了点火时间、防护墙对温度和超压的影响。结果表明:氢气泄漏后在喷口处立即点燃会形成射流火焰,该过程不会产生明显的超压;泄漏一段时间后再进行点火,将由点火中心产生压力波并向外传播,并随着与点火中心距离的增大,最大超压降低,燃烧稳定后形成的射流火焰与立即点火时基本一致;防护墙有效削弱了压力波及火焰向墙后方的传播,墙后方的超压及温度明显降低。因此,合理设置防护墙可以缩小危险范围,缩短安全距离。