第10章-氢发动机.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,LOGO,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,氢能及新型能源动力系统,动力工程多相流国家重点实验室,第,10,章 氢发动机,1,1,氢内燃机发展历程,2,纯氢内燃机,3,氢混合燃料,4,氢发动机的理论循环,5,氢发动机的工作过程,本章内容,2,第十章 氢发动机,1.,各类发动机简介,3,第十章 氢发动机,各类发动机简介,广义上的内燃机包括,往复活塞式内燃机,、,旋转活塞式发动机,和,自由活塞式发动机,，也包括,旋转叶轮式的燃气轮机,、,喷气式发动机,等,通常所说的内燃机是指活塞式内燃机,以往复活塞式最为普遍。,内燃机与外燃机（斯特林发动机）区别,外燃机使用氢气作为工质加热膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换,.,4,第十章 氢发动机,各类发动机简介,由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。,外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：,天然气、沼气、石油气、氢气、煤气,等，也可燃烧,柴油、液化石油气,等液体燃料，还,可以燃烧木材，以及利用太阳能,等。只要热腔达到,700,，设备即可做功运行，环境温度越低，外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。,斯特林发动机问题,:,散热器大、密封困难，膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的,2-3,倍等。,5,第十章 氢发动机,2.,内燃机分类和基本概念,6,第十章 氢发动机,内燃机分类和基本概念,内燃机的品种繁多、其主要分类方法有：,(1),按所用燃料：,柴油机、汽油机、煤气机、天然气机、双燃料机,(,柴油和天然气两用内燃机,),、氢内燃机等。,(2),按燃料在汽缸内着火性质,：有压燃式内燃机和点燃式内燃机。压燃式内燃机是利用汽缸内的空气被高度压缩后所产生的高温，使燃料自行骸烧着火，如柴油机、双燃料机等。点燃式内燃机采用电火花点燃可燃混合气，如汽油机、煤气机等。,(3),按一个工作循环过程,:,四冲程内燃机和二冲程内燃机。,7,(4),按活塞运动方式：,往复活塞式内燃机和旋转活塞式内燃机。,(5),按汽缸冷却方式：,水冷式内燃机和风冷式内燃机。,(6),按汽缸数目和排列方式：,有单缸内燃机,(,卧式,),和多缸内燃机（直列式、,v,型、,w,型、,H,型等,),。,(7),按活塞平均速度或额定转速：,有低速机,(,300r/min),，中转速（,300,1000r/min,）、高速机,(,1000 r/min),。,(8),按进气方式：,增压式内燃机和自然吸气式内燃机。,第十章 氢发动机,内燃机分类和基本概念,8,第十章 氢发动机,内燃机分类和基本概念,图,10-1,内燃机基本结构简图,9,第十章 氢发动机,内燃机分类和基本概念,2,往复活塞式内燃机的基本术语,往复活塞式内燃机是靠燃料燃烧后产生的热能转变为机械能而进行工作的,，基本结构简图如图,10-1,所示。,（,1,）上止点,活塞移动能达到的最上端位置称为上止点，此时活塞与曲轴的旋转中心距离最远。,（,2,）下止点,活塞移动能达到的最下端位置称为下止点，此时活塞与曲轴旋转中心的距离最近。,10,第十章 氢发动机,内燃机分类和基本概念,（,3,）活塞行程,活塞上止点与下止点之间的距离称为活塞行程。曲轴每转过半周,(180,o,),，活塞便移动一个行程，曲轴每转过一周,(360,o,),，活塞便完成两个行程。因此，活塞行程的长度等于曲轴旋转半径的两倍。,（,4,）燃烧室容积,活塞在汽缸内位于上止点位置时，在活塞顶面以上的空间称为燃烧室容积或压缩容积。,（,5,）汽缸工作容积,活塞从上止点到下止点所扫过的汽缸容积，又称冲程容积或活塞排量。,11,（,6,）汽缸总容积,活塞位于下止点时，汽缸内的空间称为汽缸总容积，它等于燃烧室容积与汽缸工作容积之和。,（,7,）压缩比（,）,汽缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。压缩比表示活塞从下止点移动到上止点时，气体在汽缸内被压缩的程度。压缩比越大，压力和温度将升得越高。现代柴油机的压缩比般为,15,22,，汽油机的压缩比一般为,6,9,。,（,8,）余气系数（,）,可燃混气中空气量（或氧气量）与理论空气量（或氧气量）之比。,第十章 氢发动机,内燃机分类和基本概念,12,第十章 氢发动机,内燃机分类和基本概念,（,9,）气缸充气系数（,v,）,发动机气缸换气过程中，气缸实际充气量与在标准大气状态下充满气缸工作容积的充气量之比。,（,10,）点火提前角,(,点燃式发动机,),从点火时刻起到活塞到达压缩上止点，这段时间内曲轴转过的角度称为点火提前角。最佳点火提前角,:,气体膨胀趋势最大段处于活塞做功下降行程,这样效率最高，振动最小，温升最低。,(11,）喷油延迟角（压燃式发动机）,柴油入气缸时要与缸内氧气混合同时吸收热量,.,达到燃点时才可以燃烧,.,从喷油开始到开始燃烧这段时间,.,在曲轴转角上叫做喷油延迟角大约,20,度。,13,日本本田,3.5L,发动机实物及图截面图,14,水平对置四缸发动机,15,直列四缸发动机,16,V,型六缸发动机,17,18,往复活塞式内燃机技术上基于,Otto,循环,19,（,1,）直接喷射式燃烧室,:,也称为直喷发动机，燃烧室设在活塞顶上，是一个统一的空间。喷油器将零状高压柴油直接喷入活塞上部。,直喷式燃烧室图,20,分开式燃烧室,（,2,）分开式燃烧室：,分开式燃烧室被明显隔成两部分，其一部分由活塞顶面及气缸盖底面组成；另一部分在气缸盖或气缸体中，两者以一条或数条通道相联接,21,凸轮轴是属于发动机的配气机构,其功能结构如上图,22,第十章 氢发动机,3.,氢内燃机,/,氢发动机的发展历程,23,第十章 氢发动机,氢内燃机,/,氢发动机的发展历程,1820,年，,Rev.W.Cecil,发表文章，谈到用氢气产生动力的机械，还给出详尽的机械设计图,要使燃油耗进一步降低至,3L/100km,，排放达到接近于零排放的要求，技术上困难，经济代价也昂贵。美国、德国、日本等世界著名汽车生产集团都把目光转向了以氢作为燃料的氢能汽车动力装置。,在氢和氧反应释放能量的过程中，不会产生,HC,、,CO,，也没有,CO,2,及固体颗粒。视反应的方法不同，,NO,x,极低甚至为零。要满足,21,世纪的要求，氢能汽车几乎成为惟一的选择。,24,第十章 氢发动机,氢内燃机,/,氢发动机的发展历程,氢内燃机,(Hydrogen Internal Combustion Engine,，,HICE),继承了传统内燃机,(ICE)100,多年来发展过程所积累的全部理论和经验，没有特别不可逾越的技术障碍,德国的,BMW,公司、,Daimler Crysler,公司、日本的三菱公司、美国的别林公司，在,70-80,年代开始对,HICE,进行系统研究,HICE,初期使用液氢作为燃料，后来的实验使用车上直接重整,(,如汽油等,),碳氢燃料来获得所需的氢燃料。现在一般采用高压气氢作为燃料,福特公司氢内燃机外形图及其主要性能见图,10-2,25,第十章 氢发动机,氢内燃机,/,氢发动机的发展历程,图,10-2,福特公司氢内燃机外形图,26,4.9 liter HEC six cylinder hydrogen internal combustion engine with a compression factor of 13.5:1,27,Hydrogen Internal Combustion Engine,28,第十章 氢发动机,4.,氢燃料内燃机的特点,29,第十章 氢发动机,氢燃料内燃机的特点,（,1,）氢气作为内燃机燃料的优点,燃氢发动机兼具柴油机的高效率和汽油机的高转速特性，燃氢发动机的理论循环最接近,otto,循环，相同的测试条件下氢发动机的效率高出汽油机,15,20,。,氢的燃烧速度快，有非常广泛的燃烧范围,(4,75,),，这样氢气可以来用稀燃的燃烧方式，在更宽的空燃比范围内工作而不会引发提前点火或者敲缸等现象，因此在负荷变化的时候只需要调节供氢量就可以满足汽车实际行驶时的各种负荷要求。,30,基于,Otto,循环的引擎其理论热效率取决于其压缩比及燃料的比热,:,这里,V,1,/V,2,=the compression ratio,=ratio of specific heats,th,=theoretical thermodynamic efficiency,燃料的压缩比取决于其抗爆震的性能。富氢混合气的抗爆震性能优于汽油，因此可以达到更高的压缩比。,比热取决于分子结构，分子结构越简单，其比热越大。氢,=1.4,；汽油,=1.1,31,第十章 氢发动机,氢燃料内燃机的特点,氢的可燃性好，氢空气混合物的点火能量只是其他可燃气体的,1/3,1/6,，同时氢在,-253,以上的条件下都以气态的形式存在，这样氢内燃机就不存在冷启动的障碍，也不会发生气锁、冷壁熄火、气化不足及混合不当的现象。氢内燃机与传统汽油内燃机的主要技术经济指标见表,10-1.,（,2,）氢气作为内燃机燃料的主要问题,氢的特殊性质，使氢作为内燃机燃料时，会带来新的问题如早燃、回火、爆燃等异常燃烧现象，使发动机正常工作遭到破坏。,32,早燃（,pre-ignition,）,指火花塞点火以前，混合气已被一些热点点燃，开始燃烧。热点可能是燃烧室的尖角、火花塞的过程电极、排气门、机油高温分解的碳粒、杂质的过程沉积物等。在浓混合气发生早燃时，火焰传播速度极快，压力急剧升高，使发动机正常工作遭到破坏。,33,第十章 氢发动机,氢燃料内燃机的特点,回火（,backflash,）,在进气过程中，进气门尚未关闭，汽缸内混合气未经火花塞点燃而被热点引燃，火焰传播到进气管内的一种不正常现象。在以浓混合气工作时，进气管回火造成强烈的噪声，也容易损坏发动机。,进气过程中的回火,当以稀混合气运转时，燃烧速度较慢，燃烧过程从排气形成持续到进气形成，当进气门开启时燃烧尚未完毕，此时会点燃可燃混合气，引起回火。回火量比前者小的多，但也造成发动机工作不稳定。,34,爆燃,由于氢的滞燃期短，火焰传播速度相当高，导致燃气压力急剧增高，燃烧过程过早结束，飞轮因克服不了压缩功，会造成突然停车。,35,第十章 氢发动机,氢燃料内燃机的特点,研究表明，采取措施减缓混合气着火的化学准备过程及火焰燃烧速度，降低燃烧温度，并尽可能减少热点形成的趋势，即可防止早燃、回火等的发生。一般采取一下措施：,尾气再循环,向汽缸中氢,空气混合气喷水,提高压缩比,36,第十章 氢发动机,氢燃料内燃机的特点,目前，氢燃料汽车研究过程中表现出来的其它问题还有：,氢密度小、能量密度高，要求有更大的汽缸空间，相对减少氧气的量，从而可能使得汽车的动力性能受到影响。,氢内燃机的燃烧产物是水蒸气，凝结水有可能沿着汽缸壁漏入润滑油中，引起机油乳化丧失润滑能力、锈蚀汽缸，需要采用抗乳化润滑油或合成机油。,37,火花塞受潮后可能不点火，因此点火系统也应具有不被短路的能力和抗干扰的高屏蔽能力,氢内燃机气缸中仍有部分润滑油，仍有部分污染物的排放，不是真正意义上的零排放汽车,实测结果表明发动机燃用纯氢还存在功率下降的问题。,38,各种燃料占用燃烧室及所含能量,相同计量比情况下,氢占用,30%,的燃烧室空间,而 汽油仅占用,1-2%,39,第十章 氢发动机,5.,氢内燃机飞机及氢燃料火箭,40,第十章 氢发动机,氢内燃机飞机及燃料火箭,因为氢气质量轻以及优秀的燃烧特性，氢是飞机的理想燃料。早在,1956,年，氢动力的涡轮喷气发动机便有报道。,1973,年美国宇航局,(NASA),开始研究超、亚音速液氢飞机的设计方案，洛克希德公司也对以氢为燃料的商业飞机进行了系统的设计和研究。,液氢飞机必须向超音速，远航程，超高空发展，才能更好地发挥液氢的优越性，以替代现在航速较低、飞行时间长、航空煤油消耗量多种大型客机。,41,第十章 氢发动机,氢内燃机飞机及氢燃料火箭,（,1,）氢内燃机飞机,人类活动产生的温室气体中，有,3.5,来自飞机废气。在高对流层，客机排出的氮氧化物却会加快破坏臭氧层。,大型客机由降落至另一次起飞期间，发动机空转所产生的废气，相当于一辆汽车行驶,6400km,；一架波音,747,飞机每次飞行消耗超过,200t,燃料，相当于,6600,辆小轿车的油耗。,42,第十章 氢发动机,氢内燃机飞机及氢燃料火箭,（,2,）氢燃料火箭,对现代航天飞机而言，减轻燃料自重、增加有效载荷变得更为重要。氢的能量密度很高，是普通汽油的,3,倍，这意味着燃料的自重可减轻,2/3,，这对航天飞机无疑是极为有利的。,我国自行开发了一系列运载火箭，用于航空航天的长征系列运载火箭都是三级火箭；第三子级使用液氧和液氢作为推进剂；氢发动机可以多次启动。长征三号系列运载火箭三子级推进系统见图,10-3,。,43,第十章 氢发动机,氢内燃机飞机及氢燃料火箭,图,10-3,长征三号系列运载火箭三子级推进系统,44,第十章 氢发动机,氢内燃机飞机及氢燃料火箭,表,10-2 YF75,发动机的主要性能,45,第十章 氢发动机,6.,氢混合燃料,46,第十章 氢发动机,氢混合燃料,1,氢,-,油混合燃料,氢油混合燃料对发动机的功率有很大影响。实验表明纯燃氢发动机缸外混合，功率仅能实现原机的,85,，而缸内混合，则可达,118,。,因氢碳比,(H/C),提高，则在足够空燃比,(A/F),下烟度必定降低。实际上现有研究已证明所测烟度最大值一般不超过,2.0BSU,一般都在,1.0-2.0 BSU,变动或小于,1.0BSU,。,燃油掺氢后，为了减少负功，喷油提前角延后，但氢的燃速远大于燃油，故有可能导致少量燃油被推迟至膨胀过程燃烧，从而使排气温度提高。但因氢的速燃有助于减少碳氢化合物的排出，从而使得热效率提高。,47,第十章 氢发动机,氢混合燃料,因喷油延迟且氢气早燃，故从放热角度，在出现最大放热峰值后的平均放热速率可能降低，从而导致缸内高温持续期缩短，使,NOx,的生成量因高温而增长的趋势受到抑制。,在等热值情况下，由于氢掺入后的空气只有部分留在副室中，使副室中的燃油在初期与较多的氧气接触，从而提高副室中的燃烧压力并因之使涡流强度增长。,48,第十章 氢发动机,氢混合燃料,HC,排放量降低至原汽油机的,3/4,以下。汽油,-,氢混合燃料汽车在实际应用时，在常用的中、低负荷工况下，加氢率应高些，以便较多地克服汽油机中、低负荷时油耗率高和有害排放量高的缺点；在高负荷时，少加氢，以免功率下降，保持其动力性。,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。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。汽油和掺氢混油对发动机的各种性能影响见表,10-3,、表,10-4,、表,10-5,和表,10-6,。,49,第十章 氢发动机,氢混合燃料,表,10-3,汽油和掺氢混油对发动机外特性的影晌,表,10-4,汽油和掺氢混油对发动机怠速排放对比,50,第十章 氢发动机,氢混合燃料,表,10-5,汽油和掺氢汽油对发动机负荷特性,最低燃油消耗率对比,/g/(kwh),表,10-6,汽油和掺氢汽油对发动机模拟汽车等速行驶,(,百公里,),排放试验对比,51,第十章 氢发动机,氢混合燃料,2,氢和天然气混合燃料,参考书,:,内燃机替代燃料燃烧学,作者,:,蒋德明，黄佐华主编,将氢按一定比例添加到管道天然气中混合,(Hythane),，混合后的燃气按原加气方式注入燃料罐直接使用。,美国已经在大型客车上成功地使用了氢和天然气混合燃料，认为是连接,CNG,汽车和零排放氢燃料电池汽车之间的桥梁。增加了少量的氢后，,CNG,原本已很低的排放又大幅降低,.,52,对于天然气产氢缸内直喷发动机，以不同比例的天然气,氢气混合气预先混合在高压天然气气瓶中，混合燃料以喷射压力,8MPa,喷入气缸，借助火花塞将混合气点燃。由于喷射压力始终高于临界喷射压力，因此，燃料喷射量由喷射时间控制。,图,10-4,给出了混合燃料体积低热值和,H/C,比值随氢气掺混比的关系,53,第十章 氢发动机,氢混合燃料,图,10-4,混合燃料的低热值和,H/C,比值,54,第十章 氢发动机,氢混合燃料,图,10-5,发动机有效热效率与混合燃料中氢气含量的关系,55,第十章 氢发动机,氢混合燃料,图,10-6,混合燃料,HC,排放与掺氢比的关系,56,第十章 氢发动机,氢混合燃料,表,10-7,发动机的实验工况参数,57,氢作为单一燃料,氢发动机,按混合气形成方式的不同分为,外部形成混合气,和,缸内直接喷氢,两种类型。,1,外部形成混合气,氢发动机的研究初期一般采用外部形成混合气的方式，通常采用,化油器,、进气歧管喷射和进气口喷射等方法形成混合气。对于氢发动机，通过化油器输送燃料是最简单的燃料供给方法，但化油器发动机容易产生早燃和回火等不正常燃烧。为此采用了进气歧管喷氢和进气口喷氢技术来解决早燃和回火问题。,58,关于化油器,汽油不是直接通过导管进入发动机的燃烧室的。汽油必须与经过净化的空气混合，形成一种薄雾状的混合气，这样进入燃烧室才容易燃烧。,化油器就是根据发动机的不同转数，使之产生浓度和份量相匹配的混合气。因此，当发动机在怠速、低、中、高速等不同的转数时，化油器供应的混合气的浓度和份量也随之调整。,59,缸内直接喷氢不仅可以完全避免回火的产生，而且可以产生较高的输出功率。根据喷射压力的不同，缸内直接喷氢可以分为,低压喷射,和,高压喷射,。,低压喷射,:,在进气门关闭后压缩行程的前半行程喷入氢，喷射压力可降低至,1MPa,。,高压喷射,:,在活塞接近上止点附近时将氢喷入，通过精确控制点火正时避免回火、早燃和敲缸的产生，并使发动机产生较高的热效率，通常情况下高压喷射的压力要高于,8MPa,。,2,缸内直接喷氢,60,第十章 氢发动机,7.,氢发动机的理论循环,61,根据格林内维茨基伯利林格的方法，针对以下情况进行氢发动机的理论循环计算,:,计算结果与已公布的汽油和甲烷气的理论循环的研究结果进行了对比。,余气系数,值和压缩比,在很大的范围内变化,混合气体在气缸内形成和气缸外形成,第十章 氢发动机,氢发动机的理论循环,62,第十章 氢发动机,氢发动机的理论循环,1,用氢和空气的混合气作为工质，燃烧时其化学成分发生变化，排气时工质在气缸内的数量发生变化。,2,进气和排气时没有流动损失：,理论计算的主要假设,氢发动机的理论循环是一个封闭的不可逆循环，它应满足以下条件：,其中，,P,0,外界压力；,P,r,进气时气缸内气体的压力；,P,a,气缸内气体开始被压缩时的压力,63,第十章 氢发动机,氢发动机的理论循环,3.,进气过程中没有热交换，因此进入气缸后的混合气仍具有外界空气的温度，而且条件,2,和,3,共同保证充填系数,4.,压缩和膨胀都是在变绝热指数条件下进行的，绝热指数只考虑比热随温度的变化,5.,燃烧和压力下降都是在死点瞬时进行的，并且容积不变,64,6.,阀门的开闭时间准确地与上、下死点重合,7.,工质进行理想的混合和燃烧，没有任何热损失，因此燃烧时的放热系数等于,1,，燃烧时的热损失只是由于理论空气含量不够，即,1,的范围内,燃料的性质对理论循环中燃料燃烧后放出热量的利用程度,(,热效率,),无显著影响,在,1.2,，氢发动机才能正常工作，在,=1.05,时，氢发动机内就出现猛烈的早燃、回火。压缩比更高时，发动机氢量必须很小。,氢,空气混合气体积发热量低。为了避免早燃，氢浓度受到限制，液体燃料发动机改用氢时升功率急剧下降。,缸内直接喷氢，提高升功率和安全性。但氢空气混合不好，指示热效率低于外混气。内混气式氢发动机工作效率很大程度上取决于供氢系统和发动机的构造。,1,发动机的供氢系统,102,103,内混气的技术问题,采用内混气时，由于时间太短，要在这样短的时间内把氢气喷入发动机的气缸里，还要混合成可燃烧的混合气，再加上氢气的密度小，改善气体混合的质量就成了一个难题。,104,氢气进入气缸的阶段；,氢气流在充满空气的容积内扩散的阶段,氢气和空气一起运动的阶段。,影响最后一个阶段的可能性有限，因此要想改善气体混合的质量，只有设法在第二阶段结束时使氢气更均匀地分布在整个容积内。,内混气过程简略地分为三个连续的阶段,：,氢气在气缸的容积内分布的均匀程度，取决于氢气射流进入气缸的位置、方间、形状和喷射距离。,105,第十章 氢发动机,氢发动机的工作过程,图,10-15,氢气喷入的位置和方向对指示效率的影响,1,，,2,，,3-3-3,发动机；,4-3,发动机,106,第十章 氢发动机,氢发动机的工作过程,采用的进气喷嘴位置有三种：,图,10-15,所示，氢气喷入发动机气缸的位置和方向对指示效率有很大影响。其他条件相同的情况下，由于进气喷嘴的位显和方向相同，会变化,22%(1,的,f=31%,而,2,的,f=24%),。,喷嘴装在发动机气缸头上，气流方向与气缸轴线一致,喷嘴装在发动机气缸上，气流为向是气缸的径向,喷嘴装在发动机气缸上，气流方向与气缸的内表面相切,107,第十章 氢发动机,氢发动机的工作过程,采用内混气时，要想进一步改进气体混合过程，可以选用多孔喷嘴，这种喷嘴沿适当的方向喷入氢气流，能使氢气更均匀地分布在气缸的容积内。此时应该注意，射流数增加会缩短射流的喷射距离。,图,10-16,绘出多孔喷嘴的研究结果，采用铃木汽车公司生产的二冲程气缸发动机，发动机的总工作容积是,0.55 L,，研究了下述两种供氢工况。,108,第十章 氢发动机,氢发动机的工作过程,低压喷氢,活塞将排气孔关闭后，氢气立即在,0.3-1.7MPa,的较低压力下供入气缸内，喷氢的持续时间为曲轴转角。研究了三种多孔喷嘴，它们的特性曲线，孔的尺寸、数目和方向都标在图,10-16,。射流方向与气缸轴线成,45,的三孔喷嘴具有较好的性能指标。,高压喷氢,利用氢气压力得到附加功，把喷氢过程安排在活塞快到上死点时才进行，喷氢用的压力是,1,4 MPa,，喷氢的开始时间分别为距上死点为,30,、,35,、,45,曲轴转角，喷氢的持续时间为,45,曲轴转角。试验了十孔和五孔喷嘴，孔的方向标在图,10-15c,上。在压力高而混气时间短的情况下，十孔喷嘴得到的试验结果较好，并且开始喷氢的时间以,45,曲轴转角较好。,109,图,10-16,用多孔喷嘴时，氢气射流的大小和方向对发动机工作效率的影响,110,图,10-17,发动机速度工况对其效率的影响；,1,高压喷氢；,2,低压喷氢,发动机速度工况对其效率的影响,111,第十章 氢发动机,氢发动机的工作过程,当转速为,2000r/min,时，高压喷氢有效效率较高,转速为,3000r/min,时，两种供氢系统效率相近,当转速为,4500r/min,时，高压供氢系统效率明显下降,原因为何？,因为在高压喷氢的情况下，混气时间短，内混气的三个阶段要在曲轴转动的短暂时间内完成，所以气体混合质量急剧下降，有效效率由,25%,降到,23%,。,112,燃烧产物的分析证明：无论是高压喷氢、还是低压喷氢，燃烧完全程度都是,97%99%,，因此气体混合质量对燃料的燃烧完全将没有显著的影响。,2.5,的范围内，发动机才能在上述两种速度工况下，以最佳提前点火角工作，不会发生爆震。,在转速,n,2000r/min,的情况下，用贫氢混合气（,1.5,）工作时，只有压缩比,10,，才能保证氢发动机正常工作。,氢的抗爆震性,研究表明：,116,第十章 氢发动机,9.,氢内燃机的热力学性能的理论分析,117,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,内燃机实际循环偏离空气循环的诸多因素中,传热损失、换气损失、工质泄漏、时间损失、燃烧损失、节流损失,等原则上都可避免,惟独,工质组成及其热物理性质变化,带来的损失不以人们的意志转移。,为此,以实际气体替代标态空气以改进空气奥托循环,进而以此为模型讨论,H,2,内燃机热力学性能,并探讨压缩,H,2,与空气混合方式的选择具有重要的指导意义,118,1,）模型,进气终了缸内物态,(,p,a,T,a,),，经压缩比,(,),作用到上止点,(,p,c,T,c,),，等容燃烧后燃气,(,p,z,T,z,),膨胀回到下止点,(,p,b,T,b,),。缸内传热采用勃利林克关联式（,高等内燃机学,，魏春源等编 北京理工大学出版社）,。,考虑工质热物理性质随组分与物态的变化，燃气在,1500 K,以上保持化学平衡，随后冻结组分。,得出有关变化趋势的相对结论而非绝对数值，从而减少模型对实际循环的偏离而引起的误差。,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,119,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,通过与使用其他燃料的奥托发动机进行比较,可分析,H,2,内燃机因使用小分子气体燃料而产生的特殊性。,假定辛烷,(C,8,H,18,),、甲醇,(CH,3,OH),、甲烷,(CH,4,),、,H,2,各自与空气形成了均匀混合气,(,p,a,=0.08 MPa,T,a,=300 K),应用于,=10,的奥托发动机时,一些特征指标随过量空气系数,a,的变化趋势如图,10-23,所示（注：过量空气系数,a,与余气系数,为相同）。,2,）燃料种类影响,120,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,图,10-23,燃料种类的影响,121,气体燃料尤其是小分子气体的空气混合物,其压缩行程终了压力,p,c,更大,温度,T,c,更高,;,最高燃烧压力,p,z,较低而燃气初温,T,z,较高,;,膨胀行程终了压力,p,b,较低而,T,b,较高,这预示着缸内更高的传热水平和更高排气温度。,相同参数的缸外预混奥托发动机,气体燃料平均指示压力,p,i,较小,指示热效率,i,较低,尤以,H,2,为甚。虽然奥托发动机,p,z,与,T,z,的峰值总是出现在稍微偏离,a,=1,的浓侧,但使用气体燃料时,p,i,的最大值更靠近,a,=1,处。,122,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,3,）功率与效率,影响发动机热力性能的主要因素包括,p,a,T,a,及,a,等。图,10-24,示出了这些因素对缸外预混,H,2,内燃机,p,i,和,i,的影响。,p,a,对,p,i,的影响近似线性,而对,i,影响不大,这说明可采用废气涡轮增压来提升功率,从而提高机械效率并达到提高有效效率而节能的目的。,123,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,图,10-24,功率与效率的影响因素,124,T,a,的升高可使,p,i,和,i,同时下降,p,i,的降低导致机械效率下降,进而导致有效效率降低而增加燃料消耗,;,由于气体燃料不具有液体燃料气化吸热的性质,在自然吸气发动机上保持较低的进气温度和对增压发动机采用强力中冷显得尤为重要,的增加可使,p,i,和,i,同时升高,但由于爆震燃烧的倾向和降低机械效率的风险,宜采用稍高的合理值。,a,的增加常使,p,i,下降,i,升高,注意区别,机械效率,和,热力学效率,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,125,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,4,）,特征点物态,a,压缩终了物态,b,燃气初态,c,膨胀终了物态,影响混合气压缩行程的因素主要包括,p,a,T,a,及,a,等。,对,p,z,影响最大的因素是,其次是,p,a,T,a,及,a,126,图,10-25,示出了扫气完全的假定下得到的压缩终了物态,p,c,与,T,c,、压缩功耗,w,c,(,单位,MPa,其物理意义可参照,p,i,来理解,),及,w,cr,(,压缩功占混合气热值的百分比,),。,p,a,的增加可使得压缩行程平均压力水平较高而消耗更多压缩功,但因充气量的相应提高,作用于单位热值混合气的压缩功耗则基本不变。,T,c,升高是爆震倾向增加的主要因素,而图中显示,T,a,对,T,c,的影响可与,的影响相比,说明保持低温进气和组织扫气的重要性,。,H,2,混合气均为双原子分子,a,对混合气的压缩行程无影响。,a,压缩终了物态,127,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,图,10-25,压缩终了物态,128,知识补充,：,二冲程的发动机需要新鲜的油气混合气将燃烧后的废气,“,挤,”,出汽缸外，该过程称为扫气，不过在这个过程中，新鲜的油气混合气会不可避免的被直接排出，这是也是二冲程发动机排放较高的原因之一。,129,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,b,燃气初态,图,10-26,表明对,p,z,影响最大的因素是,其次是,p,a,T,a,及,a,。对,T,z,影响最大的因素是,a,其次是,T,a,而,p,a,则无影响。控制,p,z,的最有效措施是适当降低,(,为保证充分膨胀可采用米勒循环,),降低缸内传热水平和减少,NO,x,排放的最有效措施是,稀薄燃烧,。,c,膨胀终了物态,结合图,10-26,说明,随,p,a,增加,T,z,变化不大,而,T,b,略有升高,意味着提高,p,a,使缸内传热效率,(,占燃料热值的百分比,),下降,;T,a,升高时,T,b,的增长不如,T,z,增长迅速,意味着提高,T,a,可导致传热率升高,;,越低,p,b,越高,越具备采用米勒循环的潜力,;,此外,p,b,与,T,b,的峰值出现在,a,=1,处。,130,10-26,燃气初态,131,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,图,10-27,膨胀终了物态,132,第十章 氢发动机,氢内燃机的热力学性能的理论分析,高压气态储存是气体燃料的主要储运方式之一。发动机上使用高压气态燃料时,倾向于降压后缸外预混（外混气式）,图,10-28,表明,采用高压缸内喷射（内混式）可获得更大功率和更高效率,由于气体燃料摩尔数可与空气相比,这种混合方式意味着气体燃料压力能的损失较大,且,H,2,甚于天然气。,5,）,压缩,H,2,的高效利用,133,图,10-28,内混式与外混式比较,a,假定有,20 MPa,300 K,的压缩,H,2,缸外预混和上止点附近喷射时的,p,i,和,i,的比较,(,均忽略,H,2,压力能,仍记其低热值为,242kJ/mol),134,自然吸气式,H,2,内燃机的功率和效率均不如同等参数汽油机，而其所有行程的温度水平均较高，预示着有高的热负荷,;,增压、中冷、稀燃、高压喷射及米勒循环等措施的合理组合使用，可以实现,H,2,燃料在内燃机上的清洁高效使用。,通过上述分析可得到如下结论：,135,第十章 氢发动机,10.,氢内燃机工作过程的数值模拟,136,第十章 氢发动机,氢内燃机工作过程的数值模拟,为了在现有的汽油发动机上改用氢燃料,对氢燃料燃烧性能进行研究十分重要，它可以指导实现氢在发动机中最佳燃烧，提高发动机的动力性能和排放性能，以及提高燃氢发动机运行的经济性。,虽然也可以在改装的汽油机中进行实验，但这种研究周期长,费用大,而且有局限性。,本节介绍在实验基础上通过对氢燃料发动机燃烧过程的模拟计算,对其运行特性进行描述,采用模型计算方法可以弥补试验的不足,进一步指导氢发动机的设计和应用。,137,1,燃烧模型,目前,内燃机燃烧过程数值模拟所应用的模型主要,有零维燃烧模型,（单区燃烧模型）、,准多维燃烧模型,和,多维燃模型,。,零维模型,建立在热力学第一定律的基础上,不涉及内燃机中各种热力学参数在空间场的不均匀性问题以及工作过程的细节,而且从内燃机工作循环各系统内所发生的物理过程出发,用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学描述,能够满足一般性能的计算需要,而且模型简单,计算方便,只要通过编制计算程序,就可得到数值解。,138,第十章 氢发动机,氢内燃机工作过程的数值模拟,本节介绍采用单区燃烧模型对氢气内燃机的运行进行模拟的方法,;,为了便于计算,模型作以下假定：,不考虑气缸内各点的压力、温度与浓度场的差异；,流入气缸内的空气与供入缸内的氢气及气缸内的残余废气能实现瞬间的完全混合,缸内的状态均匀,;,工质为理想气体,其内能仅与温度,T,有关,比热容为定值,;,气体流入与流出气缸为准稳定流动,不计流入与流出时的动能,;,不计进气系统内压力和温度波动的影响,;,缸内工质在封闭过程中无泄露。,139,根据上述假设,此系统的气体状态可用一组微分方程式描述。规定流入系统的能量、质量为正值，流出系统的能量、质量为负值。建立下面,3,个基本方程求解缸内压力,P,、温度,T,和质量,m,。,140,第十章 氢发动机,氢内燃机工作过程的数值模拟,10-27,1,),状态方程,2),质量守恒方程,式中,m,s,为进入气缸内的氢,-,空气混合气质量,kg;,m,e,为排气质量,kg;,10-28,PV,=,mRT,R,为气体常数,;m,为气缸内氢,-,空气混合气的质量,kg,141,3),能量守恒方程,10-29,式中,Q,B,为氢燃烧放热量,J;,U,为气缸内氢,-,空气混合气内能,J;,P,为气缸内气体压力,Pa;,V,为气缸内气体体积,m,3,;,Q,w,为与气缸壁的热交换量,J;,h,s,为单位质量氢,-,空气混合气焓值,J kg,-1,;,h,e,为单位质量排气的焓值,Jkg-1;,Q,f,为气体高温分解热,;J;,为曲轴转角,CA,CA:Crank Angle;ATDC:After Top Dead Center,142,方程,(10-27),(10-29),联立,可以求出,P,、,T,随曲轴转角,的变化关系,但方程组中还有很多待求解的微分变量,如,d,V,d,Q,B,等,因此必须列出相关的约束条件,有关方程式如下,:,143,第十章 氢发动机,氢内燃机工作过程的数值模拟,4),气缸工作容积,可以根据活塞连杆机构运动学几何关系得出,:,式中,D,为缸径,m;,S,为行程,m;,为曲柄连杆系数。,10-30,144,第十章 氢发动机,氢内燃机工作过程的数值模拟,5),燃烧放热率,采用韦伯,(Weibe),函数,:,10-31,10-32,10-33,10-34,145,式中,H,u,为氢燃料低热值,Jkg-1;,g,b,循环进气量,kg;,C,t,为修正系数,;,为燃烧始角（时间）,CA;z,为燃烧持续角（时间）,CA;,m,为燃烧品质系数,;,P,为平均有效压力,Pa;,P,0,为额定工况下的平均有效压力,Pa;,c,为气缸充气系数,;,V,s,为气缸工作容积,m3;,s,为进气管状态下空气密度,kgm,-3,;,a,为空气过量系数,;,l,0,为每,1kg,氢完全燃烧所需的理论空气量,kg;,x,为气缸径向,；,146,第十章 氢发动机,氢内燃机工作过程的数值模拟,6),质量流量,气体流入、流出气缸的质量流量可根据流体力学推出,:,式中,f,s,为进气阀瞬时开启面积,m,2,;,s,为进气流量系数,;,k,为比热比,;T,s,为进气管中空气的温度,K;,P,s,进气管中空气的压力,Pa;,n,为发动机转速,rmin,-1,。,10-35,147,10-36,式中,f,e,为排气阀瞬时开启面积,m,2,;,e,为排气流量系数,148,第十章 氢发动机,氢内燃机工作过程的数值模拟,7),内能的变化,10-37,根据方程,(10-27),可以得出,d,T/,d,的表达式,同理,d,m/,d,也可由方程,(10-28),、,(10-35),、,(10-36),联立得出。,10-38,由于假定气体是理想气体,故质量比内能,u,是温度的单值函数