氢燃料发动机燃烧与排放控制研究进展

　　摘 要：围绕氢燃料作为车用发动机理想代用燃料这一主题，全面论述氢燃料发动机混合气的形成规律和点火技术;剖析氢发动机的异常燃烧机理和NOX的排放机理;分析影响氢燃料发动机排放的主要因素;总结异常燃烧和NOX排放的控制技术。

　　关键词：氢燃料;发动机;混合气形成;异常燃烧;排放;控制

　　1 前言

　　在环境污染日益严重和石油能源日益短缺的新世纪，洁净能源越来越受到关注。氢燃料用于车用发动机时除了具有燃烧速度快，着火界限宽广，质量放热率高等独特优势外，还具有较强的适应性和结构继承性，这些均使得对氢燃料发动机的研究方兴未艾。因此，如何合理组织混合气的形成与燃烧，抑制氢发动机的异常燃烧，以及如何对氢燃料发动机的排放进行控制将是我们目前研究的方向。

　　2 氢燃料发动机混合气的形成及燃烧

　　2.1氢燃料发动机混合气的形成

　　氢燃料发动机主要有2种混合气形成方式：外部混合和内部混合。外部混合气形成方式是指在进气道喷射氢燃料。内部混合气形成方式是指在进气阀关闭后将氢燃料直接喷入缸内。

　　2.2氢混合气点火

　　氢混合气根据喷射压力的不同，着火方式也不同。低压喷射氢燃料发动机适合采用火花点火方式，若通过增加进气控制早燃，则可获得较大的输出功率。因为氢空气混合气只需较小点火能量便能着火，而且混合气着火界限也较宽广，故相对汽油空气混合气而言，氢空气混合气更适合于采用火花塞点火方式。

　　2.3氢燃料发动机的异常燃烧和抑制技术

　　氢燃料发动机的异常燃烧有3种情况：燃烧初期的燃烧压力升高率太高和爆震、燃烧过程的早燃和进气管回火。这3种异常燃烧有时可以相互转化和促进，比如早燃的不断提前最终可以导致回火的发生;过高的压力升高率容易产生缸内炽热点促使早燃和回火发生。

　　2.3.1异常燃烧机理

　　由于外部混合气形成方式的氢燃料发动机的燃烧属于预混燃烧，在着火前形成大量预混合气，从而在燃烧初期大量的混合气同时燃烧，燃烧速度很快，再加之燃烧室本身容积很小，出现压力波动和爆震现象。氢燃料发动机偶尔在混合气较稀(低负荷)时也会发生回火，但是加浓混合气后发动机又可恢复稳定运转。

　　2.3.2异常燃烧的抑制技术

　　由于早燃可能是由于气缸壁内的炽热点引起，所以必须保证气缸的严格清洁，并且采用相对较冷的火花塞和更狭小的火花塞间隙。

　　根据上述异常燃烧机理可知：任何能减少火焰传播速度，增加点火所需的能量和淬熄距离的方法都可以减少回火。为此，采用稀燃、废气再循环(EGR)和混合气内喷水的方法都可以抑制回火的产生。

　　3 氢燃料发动机排放及其抑制技术

　　3.1氢燃料发动机的排放

　　氢燃料发动机在排放性能上具有传统燃料发动机无可比拟的优势。由于燃料中没有C，所以燃料本身燃烧时也就没有了CO、HC、碳烟等的排放，而窜入到燃烧室内的少量润滑油燃烧后产生的微量有害排放物可以忽略。它唯一的有害排放物是NOX，主要是空气中的N2在燃烧室的高温条件下氧化而生成的氮的氧化产物。

　　3.2影响氢燃料发动机排放的因素

　　3.2.1负荷对排放的影响

　　在氢燃料发动机中NOX的排放随负荷的增加而增加，这是由于NOX的生成条件是高温富氧。当发动机的负荷增加时，其最高燃烧温度升高，从而有利于NOX的生成。

　　3.2.2喷氢方式的影响

　　气体燃料发动机的燃气供应方式包括采用混合器先将燃气与空气进行混合、单点喷射、多点喷射等方式。采用多点喷射的氢燃料发动机NOX排放量低于配电控混合器发动机。主要原因是：采用闭环控制和顺序多点喷射系统实现了对发动机各缸空燃比的精确控制，增加了发动机稳定运行的稀燃极限，其混合气浓度较电控混合器低，从而降低了发动机的最高燃烧温度，使得多点顺序喷射的NOX排放量低于电控混合器的排放量。

　　3.2.3增压和非增压的影响

　　增压对氢燃料发动机排放的影响也是当今广受关注的课题。增压以后，进气管内空气压力、温度、过量空气系数和燃烧速度都发生变化，它们对NOX排放量的影响情况比较复杂。增压压力增加，NOX的相对浓度增加。随着充气温度的增加，NOX排放量增加，同时功率有所下降。

　　3.2.4过量空气系数的影响

　　过量空气系数对NOX的生成有两方面的影响，一方面氧气的增加促使NOX生成;另一方面过量空气吸收一部分燃烧热量使气缸温度下降，但是由于平均过量空气系数增加，不足以表示喷氢束中局部混合气中氧浓度的增加，实际上随过量空气系数α增加，NOX的生成量有所下降。

　　3.2.5点火提前角的影响

　　点火提前角对氢燃料发动机NOX排放量的影响比较大。增加点火提前角，引起燃烧过程提前，最高燃烧压力值增加。这是因为大部分燃料在上止点前燃烧，最高燃烧压力值出现在靠近上止点、气缸容积比较小的位置。最高燃烧压力高导致最高燃烧温度高，此時已燃气体滞留在高温下的时间也较长，这2个条件都会促进NOX的生成。反之，减小点火提前角，可降低缸内最高燃烧压力值，这是因为较大部分的燃料在上止点以后燃烧所致。

　　3.3NOX排放的抑制技术

　　NOX生成的三要素为高温、富氧和在高温富氧滞留时间的长短。因此降低燃烧温度是减少NOX排放量的主要策略，对于浓混合气，因为燃烧温度较高，应设法缩短N2和O2反应时间，以减少NOX的排放量。

　　通过上文可知与这三个要素最密切相关的参数是点火提前角和混合气的浓度。当氢空气混合气浓度接近理论混合比时，氢燃料发动机的最高燃烧温度比汽油高大约200℃.因此，降低NOX的一个措施就是采用稀燃燃烧技术。

　　此外，采取EGR不仅降低了压缩行程的终点温度，而且废气能取代空气中的氧气，使发动机缸内的氧浓度下降，所以EGR可以降低NOX的排放量。

　　4 小结

　　本文全面论述了氢燃料发动机的研究现状和发展趋势。主要结论如下：

　　(1)氢燃料洁净、污染小，燃烧放热量高，很有希望成为车用发动机的理想代用燃料。

　　(2)缸内高压直喷和低温直喷是氢燃料发动机的发展方向，稀燃、速燃技术和废气再循环技术用于氢燃料发动机对控制排放和异常燃烧有一定作用。

　　目前氢燃料发动机异常燃烧的问题，主要是因为现在所用的氢燃料发动机都是由传统的汽油机或柴油机改装而来的。如果能针对氢燃料的特性设计专用的氢燃料发动机，那么现在所遇到的大部分问题将能得到根本性的解决。

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