第三章氢气汽车

第四章氢气汽车§4-1氢气汽车的发展概况早在1920年将氢作为燃料在发动机中试验，但进展不大。日本武藏工业大学的古滨庄一教授，与日野汽车公司等共同研究开发的“武藏9号”氢气汽车，爬坡性能好，排气污染少且无黑烟产生。奔驰公司1978年开发了一辆氢燃料样车。日本马自达汽车公司从80年代末开始研究氢气汽车。日本工业技术院机械技术研究所进行了以金属氢化物（MH）为氢贮藏源的氢气发动机的研制，并进行了装车试验。宝马汽车公司也开发了以氢气为燃料的火花点火式发动机，并装在大型轿车进行研究试验。2004年9月，宝马汽车公司一部名为H2R的氢内燃机驱动的汽车创造了9项速度纪录。该车装备6升V12氢燃料内燃机，最大功率为210千瓦（285马力），0-100公里/小时加速约6秒钟，最高速度达302.4公里/小时。氢气作为车用能源，有两种应用途径：1）氢气的化学能转变为热能，再转变为机械能，即作为发动机燃料；2）氢气的化学能转变为电能，再转变为机械能，即燃料电池。本章主要介绍以氢气发动机为动力的氢气汽车。燃料电池汽车将在燃料电池电动汽车章节中介绍。Nm3，是指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积Nm3，是指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积§4-2氢气作为车用发动机燃料的特点1．氢--空气混合气热值低于汽油18％,燃用氢气燃料时发动机的功率下降。2．着火界限很宽，4.1～75％，可实现稀薄燃烧。3．氢燃烧按链锁反应进行，H+3H2+O2———2H2O+3H高达2.91m/s，是汽油的7.72倍，抗爆性好，发动机压缩比可提高，热效率比汽油高。4．点火能量较低，最小可以低到0.020mJ,，汽油掺氢燃烧后，点火能量可以降低，低温下容易起动。5．氢气燃烧排放物低，只有少量的NOx有害物。6.氢气发动机易出现早燃、回火、工作粗暴等不正常燃烧现象§4-3氢气汽车的结构及工作原理一、氢气汽车燃料供给系的基本组成及布置宝马BMW735i轿车配备3.5L6缸火花点火式氢气发动机。氢为液态（LH2）贮存，液氢罐114L，续行299km。该车保留了汽油喷射系统，拨动转换开关，可选择汽油或氢气。二、氢气发动机的基本结构及工作原理氢气发动机目前主要有两种：往复活塞式氢气发动机转子式氢气发动机1．往复活塞式氢气发动机（1）缸外预混合点燃式氢气发动机该系统中氢气燃料的贮存方式采用氢气吸留合金。缸外预混合点燃式氢气发动机问题：1）功率下降。理论混合气热值低于汽油18％左右。提高功率措施：①提高压缩比；②缸内喷射气态氢或液态氢；③采用增压系统，如宝马BMW735i轿车。2）氢发动机回火。原因：①氢的点火能量低；②氢的着火界限很宽。抑制和消除回火的方法：①在进气阀快要关闭时向缸内喷氢；②在压缩冲程向缸内喷射液态氢；③喷水或采用废气再循环。德国亚琛工业大学氢气内燃机进气门背面吹入冷空气冷却进气门美国迈阿密大学的氢发动机：解决了进气管回火，仍存在空气充量过低，功率不足的问题。日本武藏工业大学氢气内燃机定时向进气管输送氢气（2）缸内直喷低温氢气的点燃式发动机喷射压力为1～1.5MPa、温度为-30～-50℃，压缩冲程前期喷入气缸内。与用汽油相比，最大功率提高了20～30%，完全防止了回火，排气中的NOx含量也得到控制。美国俄克拉何马大学氢发动机：氢气直接喷到气缸内的，排量为136ml，压缩比为6.5：1。喷氢压力为1.2-7MPa。为了加快氢气与空气的混合过程，采用了多孔喷射装置，混合气很浓，过量空气系数α仅为0.5。美国康奈尔大学开发氢发动机高压氢气喷射装置，安装在可变压缩比的试验发动机上。美国康奈尔大学开发氢发动机（3）压燃式氢气发动机由于氢的十六烷值低，且着火温度比汽油和柴油高，需采用高温炙热表面点火。图4-10为日本汽车研究所开发的压燃式氢气发动机的示意图。温度达到900℃的热线助燃塞作用下着火燃烧。温度越高则滞燃期越短。（4）在汽油机中掺烧氢气特点：a.掺烧比小于20%时，可使着火延迟期缩短，实现稀薄燃烧，提高经济性；b.氢气的链式反应产生活化中心，利于HC和CO充分反应，改善排放特性。c.不同工况下氢气掺烧比的最佳值不同：掺的少，不能发挥氢的优点；掺的过多，空气太少，无法实现稀燃，且易回火。2．转子式氢气发动机转子式氢气发动机汽车的基本结构转子式氢气发动机:由于其进气室与燃烧室封闭隔离，不会发生回火。三、氢燃料的储存氢燃料储存方式有两大类：a.物理方式:以高压或以液态储存b.化学方式:储存于氢金属（金属氢化物）、氨（NH3）、水及甲醇（CH30H）等中。1.物理方法储氢（1）气态储氢:以高达20～25MPa压力储氢。（2）液态储氢:深冷至-252.6℃，存放在绝热双层真空结构的金属容器。（3）固态储氢：预计在2×106大气压下氢气可变成固体，研究让固态氢能在室温及大气环境条件下存放，且使用时可自由释放，如能成功，这是最好的储氢方法。2.化学方法储氢吸贮（冷却、加压）金属氢化物（MH）+氢气MH+热释放（加热、减压）贮氢过程：加压，冷却。释放氢气过程：低于吸入压力或高于吸入温度，释放氢气。金属氢化物种类：a.低温型金属氢化物:如氢化钛铁（TiFeH2），在80～100℃时释放出氢。b.高温型金属氢化物:如镁及其合金氢化物Mg2NiH4，在接近300℃温度下，只能释放达到0.1MPa的氢，仅实用于缸外混合式氢发动机。金属氢化物不会自燃，较为安全。有的同时采用低温及高温型金属氢化物。