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
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，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。
 
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）稀混合气燃料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性能
（6）缸内辐射热量少，对流传热量多，稀混合气时此现象更为明显。
（7）燃烧循环变动少，即使在稀混合气下工作也具有低的燃烧循环变动率，对
降低发动机排放和提高性能有利。
（8）氢气由于火焰传播速度快，因此具有很高的有效辛烷值（effective octane number）。
（9）添加少量氢气可以明显改变其他燃料（特别是气体燃料）的燃烧特性和排放。
（10）点火提前角推迟后仍能保持很好的热效率，燃烧可在上止点附近结束，从而确保了发动机输出功率。
（11）稀混合气时允许提高发动机压缩比提高热效率和功率。
（12）燃烧速率快的氢气使发动机性能对燃烧室形状、湍流强度和进气涡流不敏感。
（13）允许使用更大的废气再循环。
燃氢发动机使用上缺点：
（1）20MPa 下的压缩氢气能量只相当于同等体积下汽油燃料的5%，因此燃氢发动机的行驶里程受到限制。
（2）燃氢发动机由于混合气热值下降和采用稀燃方式，发动机功率输出受到限制。
（3）着火所需能量低，点火前的混合气控制比较困难，进气管容易发生回火现象。
（4）燃烧压力高，易于发生爆燃，等价的燃料辛烷值低于汽油和甲烷。
（5）理论空燃比下，燃烧产生较高的压力和温度，氮氧化物排放高。燃烧噪声高，发动机振动大。
（6）增压困 阅读全文>>