氢内燃机的改进终极版修改课件

新型内燃机设计新型内燃机设计第四组第四组组长：张津硕组长：张津硕2011011548 2011011548 组员：由乐组员：由乐2011011517 2011011517 金晓燕金晓燕2011011525 2011011525 宁铭彦宁铭彦20110115082011011508报告大纲报告大纲1.1.概论和现行内燃机瓶颈概论和现行内燃机瓶颈；2.2.新型内燃机分析新型内燃机分析；3.3.选取合理方案将氢热质能量输出最大化并减少副产选取合理方案将氢热质能量输出最大化并减少副产物对于大气的污染物对于大气的污染；4.4.方案最终评估方案最终评估；5.5.提出小组观点以及设计过程结语提出小组观点以及设计过程结语。氢燃料的利用前景氢燃料的利用前景 随着现代经济的高速发展以及世界人口的迅猛增长，人类对能源的需求越来越大虽然煤、石油等化石燃料在当前的能源结构中仍占很大比例，但是，一方面，化石燃料的使用带来了严重的环境污染，严重威胁了人类的健康和生存；另一方面，由于化石燃料是一种有限、不可再生的资源，日益增长的能源需求带来了严重的能源危机。因此，开发和利用清洁、高效的可再生能源是当前全球急待解决的任务。而氢能作为2l世纪的绿色能源，由于具备电能和热能所没有的可储存性，使它成为最好的可再生能源的载体，也得到世界各国的关注。近年来，氢能的研究和开发工作已经形成一个不小的高潮，氢能经济新时代正向我们走 来。氢能经济可以理解为以氢能等清洁能源为主的清洁经济，是充分利用氢的优越性质，以人类需求和市场为目标，所进行的氢能研发、生产、储存、运输、经营、管理等经济活动的总称。发展氢能经济可以部分摆脱人类对化石能源的依赖，实现人类社会的可持续发展现行内燃机的瓶颈现行内燃机的瓶颈现行的内燃机大多是奥拓循环，即定容加热循环。所有的内燃机大概都有这么两个缺点：1.从大气中吸入空气作为氧气的来源，所以不可避免的会带进氮气，从而产生氮的含氧化合物，造成对环境的污染。2.都有压缩过程，内燃机的效率与压缩比有直接关系，但增大压缩比又会产生大量能量消耗。造成效益的不可观。内燃机发展前景内燃机发展前景一、电子控制技术二、内燃机材料改良三、低能耗，低污染的新型内燃机四、燃机制造技术由于世界石油危机和发动机尾气对环境的污染日益严重，未来内燃机技术的研究极有可能转向设计高效节能型内燃机及开发利用洁净的代用燃料。因此我们组的研究是以汽油机和柴油机为基础进行改造或重新设计，开发以天然气、液化石油气和氢气等为燃料的新型气体内燃机氢燃料的优越性氢燃料的优越性(1)氢气的单位质量低热值高约是汽油低热值的3倍。(2)可燃混合气浓度范围很大氢内燃机易于实现稀薄燃烧,同时可以降低最高燃烧温度,大幅度地减少NOx 的排放量。(3)自燃温度较高氢的自燃温度较天然气和汽油都要高,利于提高压缩比,提高氢燃料内燃机的热效率。(4)点火能量很低尽管氢燃料的自燃点比天然气、汽油等燃料都要高,但它所需要的点火能量却很低,最小可以低到0.02mJ。因此,氢燃料内燃机工作时几乎从不失火,并具有良好的启动性。(5)燃烧速度快氢的燃烧反应按链式反应机理进行,火焰传播速度快(2191m/s),在发动机中燃烧时抗爆性比汽油好,可以采用较高的压缩比,因此热效率比燃烧纯汽油时高。(6)氢气在空气中的扩散系数很大氢气的扩散系数是汽油的12倍,因此氢气比汽油更容易和空气混合形成均匀的混合气。但是,高的扩散系数对防止泄露不利。由于氢气的分子极小,渗透性很强。(7)氢气密度很低常温常压下,氢气的密度只有天然气的1/8。对于车用燃料来讲,当车辆的续驶里程一定时,氢气所需的储气罐就要比其它燃料的大得多。(8)有害排放物少氢气燃烧的主要产物是水,不产生CO及HC,但产生一定量的NOx概述概述内燃机自身虽然十分成熟内燃机自身虽然十分成熟,但是不可否认有很多缺点：但是不可否认有很多缺点：所以就有进一步改进的可能。改进的方向主要有两方所以就有进一步改进的可能。改进的方向主要有两方面面:扩大燃料来源和工作过程优化扩大燃料来源和工作过程优化(主要是节能和废气主要是节能和废气净化净化)。除了石油之外。除了石油之外,内燃机还可以使用其他多种内燃机还可以使用其他多种碳氢化合物碳氢化合物,例如液化石油气例如液化石油气,压缩天然气压缩天然气,醇类醇类,氢气等。其中天然气和氢气的数量很大氢气等。其中天然气和氢气的数量很大,远景光明远景光明。新型氢燃料内燃机结构图示新型氢燃料内燃机结构图示图13种类型的氢燃料内燃机与汽油机的比较新型氢燃料内燃机介绍（缸外预混合式）新型氢燃料内燃机介绍（缸外预混合式）缸外喷射式结构简单,与传统的气体燃料(如天然气)内燃机结构相似,因而大大减小了在研发生产上的难度。目前,国际上推出的大部分氢燃料内燃机都属于这种形式。由于氢气的密度极低,缸外喷射的氢气必然要占据很大的气缸空间(图1所示),导致可吸入空气量减少,最终形成的氢与空气的理论混合气热值降低,单位工作容积发出的功率下降。在理论混合比状态下,氢气占用约1/3的气缸容积,而相同工况下,汽油只占用1.7%的气缸容积。这导致缸外喷射式氢燃料内燃机比汽油机的功率降低15%左右。另外,由于氢气燃烧范围很广,回火、非正常点火等问题很难控制,给内燃机的设计和燃烧控制增加了难度。缸外预混合式氢气发动机提高功率的措施主要有缸外预混合式氢气发动机提高功率的措施主要有:提高压缩比以提高发动机的热效率提高压缩比以提高发动机的热效率;采用液态氢气喷射方式采用液态氢气喷射方式,以降低进气温度以降低进气温度,提高充量密度提高充量密度,如图如图1(c)1(c)所所示示,与气态喷射相比与气态喷射相比,氢燃料及空气充量都有明显增加氢燃料及空气充量都有明显增加,可以部分地恢复功可以部分地恢复功率率;缸内直接喷射气态氢方式缸内直接喷射气态氢方式,即在压缩冲程前期喷射即在压缩冲程前期喷射,最大限度地提高充最大限度地提高充气效率气效率,提高氢气发动机功率提高氢气发动机功率;采用增压系统采用增压系统,如如BMW 735 iBMW 735 i轿车配备的轿车配备的315L 6315L 6缸火花点火式氢气发动缸火花点火式氢气发动机采用机械式增压系统以提高发动机的功率。机采用机械式增压系统以提高发动机的功率。新型氢燃料内燃机介绍（缸内喷射性）新型氢燃料内燃机介绍（缸内喷射性）缸内直接喷射氢气发动机,由于氢气不再占据气缸容积,且氢气的热值比汽油大,所以,同样排量下缸内直喷氢燃料内燃机的功率比汽油机增加20%以上。换气过程中新鲜空气对燃烧室的冷却作用又大大减少了不正常表面点火的发生,使得内燃机运转平稳可靠。然而,缸内喷射式氢燃料内燃机的喷射压力较高,且喷嘴直接置于高温高压的气缸内,使得喷射系统复杂、部件可靠性问题突出。另外,由于混合过程很短,增大了混合和点火组织的难度。氢燃料的异常燃烧氢燃料的异常燃烧燃烧初期燃烧初期压力升高率压力升高率过高过高爆震、燃烧过程中的早燃爆震、燃烧过程中的早燃进气管回火进气管回火 混合气体浓度上升混合气体浓度上升 反应放热增加反应放热增加 最高压力值降低最高压力值降低 压力升高率增大压力升高率增大 发生早燃发生早燃 回火回火压力升高率压力升高率 压力升高率压力升高率异常燃烧的主要影响因素异常燃烧的主要影响因素（燃烧压力信号（燃烧压力信号 小波变换）小波变换）（压力升高率越高越易发生早燃）（压力升高率越高越易发生早燃）影响压力升高率的因素影响压力升高率的因素点火提前角转速过量空气系数压缩比（=1215）抑制异常燃烧的解决方法抑制异常燃烧的解决方法预混合进气预混合进气/平行进气平行进气废气再循环（安装废气再循环（安装EGREGR控制阀门）控制阀门）液氢供氢系统液氢供氢系统采用缸内喷射方式供氢（冷氢高压喷射）采用缸内喷射方式供氢（冷氢高压喷射）降低燃烧体系温度降低燃烧体系温度减少氮氧化合物的排放减少氮氧化合物的排放1、采用稀薄混合气快速燃烧技术、采用稀薄混合气快速燃烧技术（缸内喷射的内部混合气形成方式的氢发动机可以控制回火现象,也有助于增加进气充量,从而增加了氢发动机的功率,或有助于形成稀薄混合气燃烧,从而减少NOx排放量。）2、优化供氮方式与喷氢正时、点火正时等参数、优化供氮方式与喷氢正时、点火正时等参数（采取使缸内喷射的内部混合气形成方式与少量混合气预混的外部混合气形成方式有机地结合,即使得少量氢和空气在进气管预混后送人气缸,其余大部分氢气在压缩未期高压喷入气缸,可以改善发动机的着火性能。推迟点火正时,使燃烧最高温度降低,是降低NO、排放量的有效措施。但点火正时应和喷射正时匹配,否则将导致发动机的异常燃烧。）3、用废气再循环或进气管喷水的方案、用废气再循环或进气管喷水的方案（使发动机结构复杂,也使发动机其他性能下降，进气管喷水类似于废气再循环,当喷水率较大时,才有明显作用。）废气再循环废气再循环排气再循环（排气再循环（EGREGR）提高氢燃料内燃机功率密度，不提高氢燃料内燃机功率密度，不增加增加NO2排放排放优点：优点：EGR增大了缸内气体的比热容，减慢了燃烧速度，从而降低了燃烧温度减少了NOx排放,采用EGR后的氢内燃机可以燃用较高浓度的混合气，从而提高了扭矩和功率的输出。缺陷：缺陷：氢内燃机的EGR气体经中冷后会有大量水蒸汽冷凝，使得系统的腐蚀和润滑油稀释的现象更加严重，此外中冷EGR还需中冷器等一些设备使得系统的复杂度和成本大大上升EGREGR的改进优势的改进优势(1)氢内燃机使用EGR后，如果混合气浓度低于理论空燃比则输出扭矩随EGR率变化不大，但当浓度超过理论空燃比后输出扭矩随空燃比增加而线性减少。(2)对于小负荷工况，热EGR提高了进气充量温度，使得燃烧温度上升，N0 x排放反而随EGR率的上升而上升。(3)在大负荷工况，随EGR率的增大，混合气当量燃空比达到1前N0 x排放略有下降，达到1后N0 x排放显著下降，未燃烧的氢气在三元催化器中起到了还原剂的作用，使得催化器以后的NOx排放量大幅度下降。(4)小负荷稀燃工况下热EGR对燃烧和排放没有任何好处，因此不应使用热EGR。大负荷工况下，通过调节EGR率使得混合气处于略大于化学计量比的浓度，配合三元催化器的作用能够获得很低的N0 x排放。富氮组分进气富氮组分进气富氮组分进气（富氮组分进气（NEA)NEA)技术：技术：抑制燃烧进程，实现低温燃烧，降低燃烧速度和爆发压力，有利减少NOx排放。同时，膜空气分离技术，使得该方法更适于应用。设想：设想：将氢燃料电池中的空气组分，用富氮组分代替。NEANEA的改进优势的改进优势(1)变组分富氮进气控制NO，排放具有明显作用，但对动力性、经济性和其他排放有不利影响。较低的富氮程度下，对NO，排放降低的作用比较显著，而不利影响保持在较低的水平，因此低富氮程度对于改善发动机NO。排放性能更具发展空间和应用潜力。(2)变进气组分富氮控制技术存在富氮程度界限，超出该富氮界限，不但NO，改善程度降低，而且燃烧发生显著恶化。鉴于富氮作用对发动机性能和排放的影响作用，富氮程度与发动机工况必须协同控制和优化。(3)对于变组分富氮的燃烧滞后伺题，需要针对点火、进气正时、喷油等多过程进行协同调节，改善影响，达到缓解矛盾和拓展应用空间的目的。方案评估（创新点）方案评估（创新点）剖析了氢发动机中的异常燃烧现象和N Ox产生的机理;总结了抑制异常燃烧和N Ox排放量的技术措施。方案评估（创新点）方案评估（创新点）处理异常燃烧处理异常燃烧1.1.预混合进气预混合进气/平行进气平行进气 （控制回火）（控制回火）2.2.废气再循环（安装废气再循环（安装EGREGR控制阀门）（通过降低进气温度和整个循环控制阀门）（通过降低进气温度和整个循环温度抑制回火）温度抑制回火）3.3.液氢供氢系统（消除早燃和回火）液氢供氢系统（消除早燃和回火）4.4.采用缸内喷射方式供氢（冷氢高压喷射）采用缸内喷射方式供氢（冷氢高压喷射）（消除回火，控制早燃。）消除回火，控制早燃。）评估结果评估结果通过小组讨论和查阅资料，以及少量的数值模拟计算，我们小组最终选通过小组讨论和查阅资料，以及少量的数值模拟计算，我们小组最终选择采用缸内喷射方式供氢。因为在压缩行程前期择采用缸内喷射方式供氢。因为在压缩行程前期,将低压氢气直接喷人气将低压氢气直接喷人气缸缸,可以消除回火现象可以消除回火现象,并可有效地控制早燃。若在压缩行程后期并可有效地控制早燃。若在压缩行程后期,将高压将高压氢气氢气(5MPa(5MPa一一8MPa)8MPa)直接喷人气缸直接喷人气缸,可以完全消除回火、早燃的发生。冷可以完全消除回火、早燃的发生。冷氢喷射特别是高压喷氢可以大大提高压缩比氢喷射特别是高压喷氢可以大大提高压缩比,从而还可以改善热效率和提从而还可以改善热效率和提高输出功率。在一台两冲程汽油机上高输出功率。在一台两冲程汽油机上,采用将采用将1MPa1MPa的低温的低温(最低温度为最低温度为t=-t=-30)30)氢气直接喷人气缸氢气直接喷人气缸,点火时间按最佳扭矩调节点火时间按最佳扭矩调节,不仅在压缩比高达不仅在压缩比高达8 8时能正常工作时能正常工作,而且发动机性能改善而且发动机性能改善,有效热效率比原汽油机提高有效热效率比原汽油机提高23%,23%,有有效功率提高效功率提高27%;27%;比压缩比为比压缩比为6.96.9时有效热效率提高时有效热效率提高4%4%。方案评估（创新点）方案评估（创新点）抑制氮氧化合物的控制措施1.1.采用稀薄混合气快速燃烧技术（有助于形成稀薄混合气燃烧采用稀薄混合气快速燃烧技术（有助于形成稀薄混合气燃烧,从而减少从而减少N N OxOx排放量。）排放量。）2.2.优化供氮方式与喷氮正时、点火正时等参数（推迟点火正时对优化供氮方式与喷氮正时、点火正时等参数（推迟点火正时对NO,NO,排放量排放量的降低有显著作用。）的降低有显著作用。）3.3.应用废气再循环或进气管喷水的方案（采取废气再循环应用废气再循环或进气管喷水的方案（采取废气再循环,由于降低了压缩由于降低了压缩行程的终点温度行程的终点温度,所以可以降低所以可以降低N OxN Ox的排放量）的排放量）评估结果评估结果通过小组讨论和查阅资料，虽然通过小组讨论和查阅资料，虽然EGREGR技术理论上对减少氮氧化物作用明显，技术理论上对减少氮氧化物作用明显，但它是以牺牲发动机的输出功率为代价但它是以牺牲发动机的输出功率为代价,且发动机结构复杂且发动机结构复杂,实现起来有实现起来有较大困难。所以我们采取使缸内喷射的内部混合气形成方式与少量混合较大困难。所以我们采取使缸内喷射的内部混合气形成方式与少量混合气预混的外部混合气形成方式有机地结合气预混的外部混合气形成方式有机地结合,即使得少量氢和空气在进气管即使得少量氢和空气在进气管预混后送人气缸预混后送人气缸,其余大部分氢气在压缩未期高压喷入气缸其余大部分氢气在压缩未期高压喷入气缸,并推迟点火并推迟点火正时，但由于点火正时应和喷射正时匹配正时，但由于点火正时应和喷射正时匹配,否则将导致发动机的异常燃烧。否则将导致发动机的异常燃烧。所以，二者应相互兼顾。所以，二者应相互兼顾。观点与看法观点与看法1.氢燃料燃烧产物只有水和氮氧化物,不会产生颗粒、积碳等,从而大大减少了发动机的磨损,减轻了润滑油被污染的程度,可以认为是发动机最清洁的燃料.燃氢汽车不污染环境,是一种环境友好的绿色交通工具.2.氢能源动力系统汽车及其相关工业产品的研究开发和推广应用可以推动产业结构调整、促进汽车支柱产业建设和带动相关产业的发展,产生巨大的经济效益和社会效益,成为国民经济新的经济增长点;可以平衡我国的油气资源,建立新的能源结构;大量减少汽车排放污染物,改善大气环境质量,确保实现我国社会经济可持续发展战略目标.3.国家可以加强这方面的重视力度和投资力度，从而提高中国汽车在国际市场的竞争力。结束语结束语随着中国城市化进程加快,不少大、中型城市的大气污染,正在由单纯的煤烟型污染向煤烟型与机动车排气污染混合型的方向变化,且有继续加剧的趋势.中国汽车对大气的污染贡献率超过50%.此外,随着京都议定书的实施,我国需要大幅度降低二氧化碳的排放量.氢在发动机中燃烧后的主要产物是水,虽有少量的N Ox 排放,但可以通过有效组织燃烧过程予以降低.所以氢燃料内燃机是解决目前排放问题的有效途径,具有广阔的发展前景，势必是将来的一大发展方向，所以研究氢内燃机大有必要！参考文献参考文献1 杨振中.氢燃料发动机燃烧与优化控制D.杭州:浙 江大学,2001.2 李径定,古滨庄一.氢能作为内燃机燃料的研究J .农业工程学报,1996(2):86.3 楚书华,杜天申,郭林松.氢发动机性能的改进J .内 燃机学报,1997(1):76-81.4 周启德,李厚生.汽车用掺氢汽油发动机的试验研究 J .内燃机学报,1996(1):64.5 张纪鹏,高青,郝利君.汽油加氢改善发动机性能的试验研 究J .燃烧科学与技术,1998(4):385.谢谢