绿氢内燃机及其在边无海岛地区的供电系统应用前瞻

氢内燃机实现依托内燃机完成零碳排放,其采用可再生能源制取的绿氢并结合储氢系统可以实现长期稳定能量输出。基于目前氢内燃机的关键技术和工作特性,该文创新提出将其应用于边远无人海岛地区(简称边无海岛)供电系统实现零碳发电。该系统通过氢内燃机替代柴油内燃机发电,制氢及储氢系统替代原有柴油和部分储能电池,达到充分利用边无海岛的可再生能源,实现海岛零碳可自身持续供能,摆脱外界输入能源依赖。该系统具备推广和应用前景,为未来边无海岛零碳自持供电系统建设提供参考。

氢燃气轮机热电联产在氯碱工艺中的应用

基于氢燃料燃机热电联产的技术发展现状及氯碱行业氢能利用现状,阐述了氢燃料燃机热电联产在氯碱工艺中应用的技术优势及经济性优势,氢燃料燃机热电联产的应用作为无碳、清洁、高效的能源利用方式,为氯碱工艺提供了利润增长点,助推氯碱企业低碳、可持续绿色发展。

TCG2032燃机运行常见问题及处理方法

道依茨TCG2032燃机的控制和保护系统较完善,在遇到来气浓度或压力波动较大时,就会出现缸温波动较大或者的保护跳机情况;同时,由于环境温度或设备自身温度及自身控制等的影响,常出现燃机无法启动、节气阀卡涩、混合器步进数过大过小等影响燃机正常运行的问题,本文根据日常运行情况,就燃机常见问题和处理方法进行阐述。

基于专利分析的发电领域氢发动机技术发展趋势研究

本研究利用IncoPat专利搜索与分析工具收集了关于氢气在分散型发电中被用作环保能源的科技革新数据,并对这些专利进行了深入的研究。我们确定了国内外的氢气产业链及其相关的技术架构的相关专利,然后从全球范围内的氢气产业链和氢内燃机技术的专利信息入手,着眼于关键的技术发展和未来趋势,进一步明确了国际上和国内的氢燃料电池专利战略方向,同时根据电力系统的用户需要,提出了独立控制的专利策略规划以及后期的知识产权管理的措施和保护意见。

氢燃烧特性对氢内燃机性能的影响

氢能开发是“双碳”战略中的重要一环,目前氢能主要是通过氢燃料电池把化学能转变成电能的形式得以应用。与此不同,氢内燃机则是将氢能直接转变成机械能,应用在交通、机器运转、发电等众多领域,对氢能发展具有重要的推动作用。氢内燃机与传统内燃机的最大区别是用氢气取代传统的化石燃料,因此,氢气的燃烧特性对内燃机的性能具有很大影响,对内燃机的结构也提出新的要求。至今从氢燃烧特性的角度去理解氢内燃机的研究不多,为此,文章尝试从氢气燃烧特性的角度出发理解氢内燃机的性能,并重点对氢内燃机的热效率、输出功率、NOx排放、异常燃烧等性能进行分析和讨论。结果显示,氢内燃机比传统内燃机和氢燃料电池在节能减排、输出功率、成本等方面具有更加优异的综合性能,是氢能-电能转换的另一种有效的方法。氢内燃机的发展也能促进氢能的大规模应用,其性能受到氢气燃烧特性的影响,氢燃烧特性的控制对氢内燃机性能的提高非常重要。

喷射策略对直喷氢气发动机燃烧与排放的影响

为了提高缸内直喷氢气发动机的热效率,利用三维软件CONVERGE建立氢气发动机单缸仿真模型,分析了不同喷射策略对缸内混合气形成、燃烧与排放的影响。结果表明:随着喷射压力的增大,喷射持续时间缩短,喷氢持续期内湍动能增大,有利于提高混合气均匀性,但喷氢结束后缸内湍动能迅速衰减,对混合气的混合影响作用变小。喷射压力为4 MPa时,缸内形成的分层混合气促进了燃烧进行,使CA50更接近压缩上止点,热效率增大,但升高的燃烧温度使得NO_(x)排放增加。随着喷射正时延迟,混合时间缩短,均匀性呈现下降趋势,利用活塞顶部凹坑可提高混合气均匀性,上止点前100°CA时热效率提高,延迟至上止点前80°CA,均匀性过低,缸壁聚集大量浓混合气使传热损失增加,热效率降低。

高效增压直喷氢内燃机近零NO_(x)排放试验优化

基于一台2.0 L涡轮增压直喷氢内燃机,试验了稀薄燃烧下直喷氢内燃机的近零排放(NO_(x)排放小于20×10-6)工作特性,在中高转速(2000~3500 r/min)下,近零排放时平均有效压力均达到1MPa以上,相比于自然吸气状态,动力性提升了2.6倍.进一步针对不同喷氢相位和喷氢压力进行了全工况研究,结果表明:当喷氢结束角为80°CA BTDC时,在近零排放边界下,可以同时达到最大的平均有效压力和最高有效热效率.优化后的近零排放氢内燃机最高转矩达到204 N·m(2500 r/min),最大功率提升至72 kW(3500 r/min),最高有效热效率达到41.5%(2000 r/min);可在全转速工况下实现乘用车常用工况范围的近零排放.提出的优化方法可以指导高效近零排放氢内燃机控制策略的开发.

氢燃料内燃机技术研发进展

氢内燃机兼有传统内燃机和燃料电池的优点,应用场景广阔,是推动传统内燃机各种应用领域升级转型、助力碳达峰碳中和的重要载体。北京理工大学氢内燃机课题组自2006年起建立了中国第一个氢内燃机研究开发平台,并开始氢内燃机相关技术的研究开发,相继突破了进气增压匹配、异常燃烧控制、NO_(x)排放控制等技术瓶颈,提出氢内燃机性能改进的技术方案,如图1~4所示。

氢燃料内燃机混合特性研究

对一款摩托车发动机进行氢燃料仿真分析研究,基于CONVERGE软件平台对氢内燃机缸内混合气形成和混合过程运动规律进行分析,用燃空当量比标准偏差来评价氢‐空气混合状况,并以当量比标准偏差为目标优化进气道氢燃料喷射内燃机特定当量比下的氢气喷射正时,探索氢燃料在摩托车发动机上应用的可行性。

氢气发动机异常燃烧特性及早燃优化试验

基于一台1.5 L缸内直喷氢气发动机,通过试验研究分析了氢气发动机异常燃烧特性,探讨了燃烧边界条件对氢气发动机燃烧过程的影响及早燃优化。研究表明:氢气发动机在中小负荷工况也容易发生早燃,试验捕捉到的早燃发生时刻非常早,在压缩早期就发生,没有明显的早燃声音,不易被发现。靠近上止点喷射时,缸内喷射背压增加,喷射流量减小,喷射提前容易出现早燃,推迟喷射可以避免早燃,优化喷射策略后,有效热效率达43.5%。

氢内燃机尾气水含量估算

氢内燃机尾气中水含量较高,对尾气排放取样测量有影响。建立了氢内燃机尾气中水体积百分比(ηH_(2),Oexh)估算式。过量空气系数(λ)在[1,2.5]区间时,氢内燃机尾气中ηH_(2),Oexh随λ增大而减小。λ在[0.5,1)区间时,随λ增大而增大。在λ=1时,ηH_(2),Oexh的极大值约为36.0%。进气温度和湿度分别在25±5℃和50±20%R.H.范围内时,相同λ条件下,氢内燃机尾气中ηH_(2),Oexh变化幅度较小。为避免水的冷凝,氢内燃机尾气采样及传输管路温度应高于75℃。

氢-汽油双燃料发动机性能试验研究

介绍一种氢-汽油双燃料发动机,这种双燃料发动机装有余热制氢装置,可用甲醇制取氢并燃用氢与汽油混合燃料。作者对余热制氢装置及氢-汽油双燃料发动机的各项性能进行试验研究。试验结果表明,装有余热制氢装置的氢-汽油双燃料发动机功率和扭矩有所提高,外特性和负荷特性燃油消耗率下降5.3％～7.5％;怠速排放中CO和HC均有所减少。

进气道喷射式氢发动机回火研究

氢发动机由于氢气空气混合气的点火能量低,经常发生回火和其它不正常燃烧现象,影响了氢发动机的性能。为了研究进气道喷射式氢发动机在不同负荷工况下的回火发生情况,对一台4缸2.0L的氢发动机进行了试验研究。结果表明:当氢发动机工作在小负荷工况时,氢气空气混合气的燃烧速度缓慢,致使剩余大量氢气未燃,引发回火;当氢发动机工作在大负荷工况时,由于缸内高温残余废气或者缸内未完全冷却的热点引燃氢气空气混合气,引发回火。

不同形式的进气道对氢内燃机混合气形成的影响

针对氢内燃机易发生早燃和回火的问题，采用三维数值模拟的方法研究了弯管进气道和切向进气道对氢内燃机进气和压缩过程中流场、温度场和混合气分布等的影响，重点分析了两种进气道对早燃和回火的抑制作用。研究结果表明：两种进气道的氢内燃机对进气总质量的影响相同，在1100r／min时进气总质量均在540℃A时达到峰值；两者均发生回流现象，弯管气道在366～371℃A时回流逐渐增强而后减弱，到391℃A时缸内的气体回流完全消失，压缩过程中形成湍流强度较大的滚流；但排气门附近的湍流度很低，局部温度很高，特别是离进气门最远的排气门边缘的狭隙中流速小，高浓度氢气／空气混合燃料停留时间长，易发生早燃。切向进气道在360℃A时形成了回流旋涡，且回流的管长较长；在压缩过程中形成斜轴涡流，在两气门中间位置的湍流强度较大，并持续到点火开始时刻；切向气道所形成的斜轴涡流在燃烧室排气门附近壁面高温区和火花塞处的流动速度很大，强化火花塞内和壁面狭隙的扫气和冷却效果，减小了排气门附近的局部高温区，减少高浓度氢空气混合气在高温区的停留时间，有利于避免早燃。

氢内燃机的改装设计与控制研究

介绍了一款基于奇瑞480发动机改造而成的纯氢内燃机。该机采用氢气进气歧管多点顺序喷射,各缸顺序无分电器点火方式,同时改装了曲轴箱通风阀,加装了电子节气门、电控EGR阀等部件。采用江奎科技发动机电控单元快速开发平台UECU,开发出氢内燃机电控单元。对氢内燃机的控制策略进行了研究,实现了底层软件、应用层软件以及故障诊断软件的模块化;采用K线通讯模式,开发出了氢内燃机的监控与调试软件,对氢内燃机进行性能的标定试验,成功实现了氢内燃机的起动和转速PID控制,同时优化控制参数改善回火与抑制早燃现象。

进气道燃料喷射氢内燃机回火机理与控制研究

建立了包含进气道和气缸的氢内燃机三维仿真模型,研究了进气道燃料喷射氢内燃机不同转速和负荷条件下的回火机理。提出了通过优化喷氢相位,使低浓度混合气在进气门打开时首先进入气缸,降低缸内废气和热点温度,从而抑制回火的方法。仿真分析了不同转速和负荷条件下喷氢相位对进气门处混合气浓度和温度的影响,得到了最优的喷氢相位。经试验验证,优化的喷氢相位使氢内燃机能够在全工况内达到或超过混合气化学当量燃空比无回火工作。

氢发动机性能的改进

本文论述了氢发动机的最新研究成果，着重描述了氢的储存和混合气形成及点火等技术问题，并提出了相应的措施。试验表明，采用氢的高压喷射、火花点火，并调整最佳点火正时。

汽油/氢发动机燃烧特性试验与仿真

进行了当量比=1的汽油机和当量比分别为0.8、0.6、0.4的纯氢发动机台架试验。通过对测得的汽油机和氢发动机燃烧缸压数据进行标定,建立了较为准确的AVL Boost汽油机和氢发动机燃烧仿真模型,并进行了仿真。结果表明,氢燃料的特性使得缸内混合气的燃烧速度显著加快,燃烧持续期大幅缩短,导致缸压上升,有效热效率得到提高。当量比为0.4的稀薄工况时纯氢发动机仍可正常运行,发动机燃用氢气可改善发动机性能。

燃料电池发动机电堆散热的控制

在对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行热分析的基础上,搭建起36k W的燃料电池发动机散热系统的测试平台。借助测试平台,对燃料电池散热系统作了极端工况测试分析。分析表明,该散热系统能满足系统的散热要求。此外通过对不同组合散热风扇的散热能力进行了测试,积累了大量的基础数据和控制经验。最后以电堆出水温度误差、温度误差变化量和燃料电池功率为输入量,散热风扇的运行组数为输出量,制定出一套三维模糊控制规则。结果表明,该模糊控制规则能够保证燃料电池工作在最佳温度区间,温控误差符合设计要求。

履带车辆动力传动系统性能综合评价

在全面考虑履带车辆动力传动系统各个性能评价指标的基础上,运用加权综合评价法对履带车辆动力传动系统性能进行了综合评价。这种评价方法是一种有效的、广泛应用的方法。从所举实例看,该方法对评价和比较各种履带车辆动力传动系统性能的优劣有着直观的可比性,得出的结论正确、可信。