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。

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.

大容量兆瓦级发电氢内燃机关键技术介绍

为了提升大容量兆瓦级发电氢内燃机的动力性能,防止早燃、回火和爆震等非正常燃烧现象的发生,从氢气喷射技术、燃烧策略和空燃比控制策略、废气再循环技术、涡轮增压技术、氢气喷嘴技术和尾气后处理技术等方面,对氢内燃机的关键技术进行详细的分析。结果表明:大容量兆瓦级发电氢内燃机目前广泛应用的进气道喷射技术存在内燃机动力性差的弊端,采用缸内直喷技术可以有效提升动力性能,降低回火风险;采用稀薄燃烧可以降低爆震的风险;采用成熟的氨(NH_(3))-选择性催化还原(SCR)尾气后处理技术可以降低氮氧化物(NO_(x))的排放。

双碳背景下全球氢内燃机发展现状及应用前景

氢气具有多种优秀特质,被视为未来重要的能量载体,不仅可以替代化石能源,还可作为长期储能介质。作为重要的氢能应用设备,氢内燃机(HICE)不仅继承燃油内燃机的优点,还有助于解决CO_(2)及污染物排放问题,值得产业化与规模化推广。碳达峰碳中和(简称双碳)背景下,有必要加大HICE研发力度。本文结合HICE的优势,论述全球主要氢内燃机企业的产品研发进展,分析HICE技术发展现状,指出HICE大规模应用面临的挑战,为其持续发展指明方向。

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℃。

氢内燃机NO_x排放特性的试验研究

以一台2.0 L氢内燃机为测试对象,对其排放及燃烧特性进行了试验研究,探讨了NOx随当量比Φ、点火提前角的变化关系。试验结果表明:在Φ=0.88时,NOx生成量达到最大;在Φ<0.88时,NOx的生成量随Φ的增加而增加;在0.88<Φ<1.2时,NOx生成量随Φ的增加急剧减少;当混合气比较稀薄时,点火提前角对NOx的贡献率相对较小。研究结果可用于氢内燃机稀薄燃烧技术的开发,可有效降低氢内燃机NOx排放。

氢内燃机循环变动特性

为探索氢内燃机的循环变动特性,基于一台2.0L进气道喷射式氢内燃机,开展了氢内燃机循环变动特性及影响因素的试验研究.试验结果表明:平均指示压力的循环变动系数是评价氢内燃机循环变动特性的理想特征参数;怠速转速越高,氢内燃机的循环变动越小;随混合气浓度提高,氢内燃机循环变动显著减小,点火提前角对循环变动的影响变弱,同时循环变动系数最小时对应的点火提前角逐渐趋近压缩上止点;节气门开度在0～20%范围时,随节气门开度增大循环变动显著减小;在怠速工况下,进气过程中喷氢会导致氢内燃机循环变动增加.

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.

热EGR氢内燃机的动力性和排放

基于进气道燃料喷射(port fuel injection,PFI)氢内燃机试验系统,研究了带热废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)系统氢内燃机的燃烧和排放特性。试验结果表明:采用热EGR能增大氢内燃机的滞燃期和燃烧持续期,显著降低缸内最高压力和温度;EGR率增大时平均有效指示压力和循环变动的变化并不显著,对整机的功率输出和平顺工作几乎没有影响,中高负荷时需要采用很大的EGR率才能大幅度降低NOx排放,在高负荷时控制排放所需的EGR率不大,高负荷时过大的EGR率可能造成燃料经济性和动力性的大幅度下降。

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。

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9.73L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890N·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NOx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.

PFI氢内燃机的氢-空气混合特性

以1台4缸进气道燃料喷射内燃机为基础,建立了包含进气管道和气缸的氢内燃机进气系统三维仿真模型。提出用混合气不均匀性系数来评价氢-空气混合状况,仿真研究了氢内燃机边界条件下的进气气流运动规律和混合过程,发现氢-空气混合状况主要取决于气流的搬运作用和扩散面积。探讨了氢气喷射相位和喷射压力对氢-空气混合速度和混合均匀性的影响,并以不均匀性系数为指标优化了PFI氢内燃机不同转速和当量比下的喷射相位与喷射压力。

氢内燃机汽车与传统内燃机汽车的经济性比较研究

为研究氢内燃机汽车推广应用潜在的经济价值，对氢气的生产成本、氢内燃机汽车的改装成本、运行成本进行了调查研究，探讨了轿车和公交车改装氢内燃机后潜在的碳交易收益。研究结果表明，当前技术条件下，氢气使用成本为2～2．5元，m3与汽油轿车相比，氢内燃机轿车可节省35％左右的燃料费用：与城市单层中型柴油公交车相比，氢内燃机公交车可节省20％左右的燃料费用。在不考虑政府补贴的前提下，氢内燃机轿车运行3年的碳排放收益与运营成本节约能够抵消改装成本，氢内燃机公交车运行10年可抵消改装成本。与CNG汽车相比，氢内燃机汽车能够持续、稳定地获得可观的碳交易收益。因此，氢内燃机轿车及公交车的推广具有良好的经济效益和长远的环境效益。

氢内燃机的发展现状和动向

针对氢(H2)内燃机的迅速发展,对其进行了综合研究和论述。总结H2内燃机的国内外发展现状,研究H2内燃机的先进技术,重点提出了H2内燃机的研究难点和重点并对解决方案进行研究,对发展方向做出论述和预测。

氢内燃机怠速性能试验研究

为研究氢内燃机的怠速特性,在一台6缸氢内燃机上研究了过量空气系数λ与点火提前角θi对发动机主要性能参数的影响.结果表明:随着λ的增大,最大指示热效率ηi所对应的θi逐步增加,ηi随之增加,NOx排放随之减小;同一λ条件下,NOx排放随着θi增大而增加;氢内燃机怠速时可采用λ>2.5的稀混合气,且应适当增大Qi;最大缸压随着λ增加而降低、随着θi增大而上升;不同λ值条件下最大压力升高率的规律基本相似,只是在λ=2.5、θi<10°CA时,最大压力升高率基本保持不变。

氢内燃机循环变动特性的评价方法

为探索适用于氢内燃机的循环变动特性评价方法,在一台2.0,L进气道喷射式(PFI)氢内燃机试验平台上,开展不同工况条件下的氢内燃机性能试验,探讨不同转速、节气门开度、点火提前角和当量燃空比条件下,缸内最高燃烧压力pmax及其对应的曲轴转角θpmax、最大压力升高率dpmax及其对应的曲轴转角θdpmax与平均指示压力(IMEP)之间的相关性.结果表明:COVIMEP是评价PFI氢内燃机循环变动特性的最佳特征参数;高速、大负荷工况下,pmax和IMEP具有较强的相关性,pmax能够在一定程度上反映氢内燃机的循环变动特性;θpmax、dpmax和θdpmax与IMEP在较大工况范围内没有相关性,因此这些参数的循环变动系数不适合作为评价氢内燃机循环变动特性的特征参数.

氢内燃机的热力学性能分析

以实际气体代替标态空气作为奥托循环的工质,得到改进的理论循环。以此为模型讨论氢(H2)内燃机的特殊性,计算发动机主要指标随进气温度(Ta)、压缩比(cε)、过量空气系数(a)等参数而变化的数值,绘制了热力学特性曲线。讨论了不同混合方式的影响。

氢内燃机异常燃烧的研究

进气管喷射式氢内燃机目前被广泛应用,但其易发生早燃、敲缸和回火等异常燃烧现象,严重影响其正常工作。通过全面分析国内外关于早燃、敲缸、回火等异常燃烧的研究成果,找出异常燃烧的产生原因和影响因素,归纳总结出异常燃烧的控制方法,将会对进气管喷射式氢内燃机的正常工作起到重要的指导作用。