黄佐华 王金华 黄印玉 张勇 刘亮欣 刘兵 蒋德明
西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室
摘要：氢气是未来燃烧发动机最有前途的燃料，氢能在燃烧发动机上的规模利用将取决于氢能的规模化制备。燃氢发动机升功率下降，燃烧控制比较困难，目前燃料成本仍然较高，距离规模化使用还有一定的距离。天然气掺氢燃烧发动机将是氢能在燃烧发动机上应用最有前途和最具可行性的方式。天然气掺氢发动机虽开展了一些研究工作，但距离发动机推广使用还有很多研究工作要做，特别是天然气-氢气-空气混合气燃烧基础研究方面和发动机燃烧与控制的基础性研究方面。 主题词：氢能；燃烧发动机；利用
Utilization of Hydrogen in Combustion Engine-A Review
Huang Zuo-hua, Wang Jin-hua, Huang Yin-yu, Zhang Yong,
Liu Liang-xin, Liu Bing, Jiang De-ming
State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China
Abstract: Hydrogen is regarded as the most promising fuel for combustion engine while the large scale application of such engine will depend on the large scale production of hydrogen. Pure hydrogen engine will bring power loss of engine and has difficulty in engine controlling besides high cost of the fuel, and those make it still to have a long time before being widely utilized. Addition of hydrogen into natural gas is the most promising and feasible approach for hydrogen utilization in combustion engine, although some preliminary work had been done in natural gas/hydrogen combustion engine, there still has more work needed to be conducted especially in the aspects of fundamental study such as combustion characteristics of natural gas-hydrogen-air mixture as well as the combustion and controlling of the engine.
Keywords: Hydrogen; Combustion engine; Utilization
前言
化石燃料的短缺已成为世界各国面临的主要问题，化石燃料的储藏量有限，预计到本世纪中叶地球上的化石燃料将被消耗完，届时石油替代燃料如天然气、氢气和生物质燃料等将成为燃烧发动机的主要
燃料。今后地球上的能源增长将主要依靠清洁能源和可再生能源。据联合国预测，到2050年全球60%的电力和40%的能源消费将由可再生能源提供。化石燃料的燃烧会产生有害排放物，如NOx, CO, HC, Smoke, PM 以及温室气体CO 2，燃烧发动机解决这一问题的一个有效途径是采用清洁燃料。氢能是一种清洁燃料，可以利用生物质热解制氢和太阳能光解水制氢，随着规模化制氢技术的成熟和大规模氢气的制备，氢能在发动机上的黄佐华，男，，教授，主要研究方向是内燃机燃烧和清洁燃料发动机1963-
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使用势在必行，它不仅能够补充石油类燃料短缺问题甚至填补石油耗尽后发动机燃料出现的空白，也为大幅度降低发动机排气污染提供了途径。因此，燃氢发动机和掺氢燃烧发动机的研究与开发对于氢能的利用和降低机动车排气污染具有十分重要的意义。
表1 给出了氢气、甲烷和汽油的燃料特性，表2列出了他们的燃烧特性参数。氢气与碳氢类燃料相比有很高的扩散速率，这对改善混合气质量和均匀性有利，氢气壁面淬熄距离很小，从而使火焰能传播到壁面更近处和燃烧室狭缝间隙内，燃烧更完全，碳氢排放低。
表1 氢气、甲烷和汽油的燃料特性
燃料特性 氢气 甲烷 汽油
1 atm, 300K 下的密度 (kg/m 3)
0.082 0.717 7.16 理论空燃比 (% by volume)
29.53 9.48 1.65 理论燃空质量比
e人e本t6
0.029 0.058 0.069 燃烧后摩尔变更系数
0.85 1 1.058 质量燃料高热值 (MJ/kg)
141.7 52.68 48.29 质量燃料低热值 (MJ/kg)
119.7 46.72 44.79 体积燃料高热值 (MJ/m 3)
12.1 37.71 233.29 体积燃料低热值 (MJ/m 3)
10.22 33.95 216.38 1kg 理论空燃比混合气燃烧热 (MJ)
3.37 2.56 2.79 300K 下的动力粘度 (mm 2/s)
110 17.2 1.18 300K 下导热率 (mW/m K) 182 34 11.2 空气中燃料扩散系数 (cm 3/s) 0.61 0.189 0.05 燃料辛烷值 130 93 碳氢比 0 0.25 0.44 表2 氢气、甲烷和汽油的燃烧特性参数 燃烧特性 氢气 甲烷 汽油 着火极限 (% by volume) 4-75 5.3-15 1.6-6 最小点火能量 (mJ) 0.02 0.28 0.25 层流火焰速率 (m/s) 1.9 0.38 0.37-0.43绝热火焰温度 (K) 2318 2190 2470 自燃温度 (K) 858 813 500-750 淬熄距离 (mm) 0.64 2.03 2 氢气作为燃烧发动机燃料具有以下特点： （1） 与其他燃料相比，氢气在宽广的温度和压力范围内都具有很高的火焰传播速率，即使在稀混合气条件下仍具有很高的火焰传播速率，
燃烧时间缩短。 （2） 稀燃能力比其他燃料强，发动机能在稀混合气下稳定工作。 （3） 稀混合气燃烧和快速放热速率使燃氢发动机具有很好的热效率。 （4） 燃氢发动机具有很好的排放特性，燃烧后无一氧化碳，二氧化碳，硫化物，碳烟和颗粒物排放，只产生氮氧化物和水，稀混合气燃烧时氮氧化物也可降低到比其他燃料低得多的水平。 （5） 快燃能保证发动机高速下的性能，具有好的低温环境下工作性能和冷起动
性能。
（6） 缸内辐射传热量小，对流传热量多，稀混合气时此现象更为明显。
（7） 燃烧循环变动小，即使在稀混合气下工作也具有低的燃烧循环变动率，对降低发动机排放和提高性能有利。
（8） 氢气由于火焰传播速率很快，因此具有很高的有效辛烷值（effective octane number）。
（9） 添加少量氢气可明显改善其他燃料（特别是气体燃料）的燃烧特性和排放。（10）点火提前角推迟后仍能保持很好的热效率，燃烧可在上止点附近结束，从而确保了发动机输出功率。
（11）稀混合气时允许提高发动机压缩比提高热效率和功率。
（12）燃烧速率快的氢气使发动机性能对燃烧室形状、湍流强度和进气涡流不敏感。
（13）允许使用更大的废气再循环。
燃氢发动机使用上缺点：
（1） 20MPa下的压缩氢气能量只相当于同等体积下汽油燃料的5%，因此燃氢发动机的行驶里程受到
限制。
千疮百孔的心（2） 燃氢发动机由于混合气热值下降和采用稀燃方式，发动机功率输出受到限制。
（3） 着火所需能量低，点火前的混合气控制比较困难，进气管容易发生回火现象。
（4） 燃烧压力高，易于发生爆燃，等价的燃料辛烷值低于汽油和甲烷。
（5） 理论空燃比下燃烧产生较高的压力和温度，氮氧化物排放高。燃烧噪声高，发动机振动大。
（6） 增压困难。
（7） 传热损失相对较大。
（8） 发动机升功率低，获得同等功率要比汽油机缸径大40-60%，进而带来发动机转速降低，机械损失增加，发动机抗爆能力下降。
改善燃氢发动机性能的途径：
（1） 氢气作为燃烧促进添加剂掺混到其他燃料或其他燃料燃烧时的混合气中，提高火焰传播速率和发动机热效率。由于氢气是气体燃料，天然气存在燃烧速率慢的缺点，天然气掺氢燃烧被认为是最理
想的燃料组合方式。（2） 采用氢气缸内直喷方式，此方式可避免充气系数降低缺点和利用层状混合气燃烧优点，发动机压缩比提高，使发动机性能提高和排放降低。
（3） 使用液氢燃料，提高单位容积下燃料箱的热值和汽车行驶里程。
1 燃氢发动机
美国Sandia National Laboratory开展了燃氢发动机的研究工作，发现借助于氢气的高火焰传播速率，在稀混合气和废气再循环条件下，发动机热效率得到提高，NOx排放达到California Air Resources Board提出的零排放车辆标准。目前该实验室在发动机氢能利用方面主要开展天然气掺氢燃烧，掺氢比例控制在30%以下[1]。氢气缸内直喷或CNG/H
缸内直喷可借助于层状混合气燃烧特点来实现发动
2
机燃氢目的，此方式可避免含氢燃料在压缩冲程中的早燃现象，燃烧始点也相对容易控制。H. S. Yi等人对比了氢气进气管喷射和缸内喷射发动机的燃烧特性，
内浮顶
由于进气管喷射时发动机冲量系数较低，相同混合气浓度下发动机功率低，缸内直喷时火焰发展期是进气管喷射时的一半，认为这主要是由于喷射时缸内高的压力和温度，燃烧起始阶段层流火焰速率大，有助于火核的迅速发展。然而，两种燃料供给方式下的快速燃烧期变化不大[2]。Yang 等人研究了缸内直喷燃氢发动机点火时刻优化和喷射器，开发了一种高压氢气喷射的喷射器及其控制系统并进行了相关的试验研究[3-4]。
2 天然气掺氢燃烧发动机
氢气的稀燃极限是1.0=φ，远远低于汽油的稀燃极限6.0=φ和天然气的稀燃极限5.0=φ，因此，把少量氢气加入到液体和气体燃料中可以扩展其混合气的稀燃极限。天然气和氢气等气体燃料在使用时不存
在液体燃料使用上的一些问题，如气阻、冷壁面淬熄、燃料不完全蒸发、混合不良等，研究认为天然气和氢气是最佳的石油替代燃料。天然气发动机产生的CO 2、CO 和HC 排放可以通过向天然气掺氢而得到降低。
A VL 的研究表明，燃用纯氢时由于燃烧温度较高会产生较高的NOx 排放，天然气掺氢燃烧后CO 和HC 都得到明显降低，NOx 也低于纯氢燃烧发动机[5]。国外学者对80%天然气和20%氢气的混合气以及85%天然气和15%氢气的混合气的火花点火发动机的理论与实验研究表明，CNG/H 2混合燃料发动机的热效率高于CNG 发动机，HC 和CO 下降，NOx 排放有所增加。天然气掺氢后发动机稀燃极限扩展38%，同时不会造成燃烧时间和着火滞燃期增加[5]。天然气掺氢可明显改善
发动机稀混合气工作稳定性，提高发动机的平均有效压力，
CNG 中掺入少量H 2就可带来明显的排放降低效果。Li 等人对CNG/H 2混合燃料发动机的爆震进行了研究，认为天然气掺入少量氢气后的混合气仍具有很好的抗爆震能力[6]。Larsen 等人在一台增压发动机上开展了85%天然气和15%氢气混合燃料的研究工作，与天然气发动机相比，天然气掺氢发动机热效率得到提高，稀混合气燃烧时可同时降低NOx 和HC 排放[7]。Blarigan 等人的研究认为，使用70%天然气和30%氢气组合可使HC 和CO 降低至零，发动机热效率明显改善[1]。Wong 等人开展了CNG/H 2不同掺混比下发动机的性能研究，认为既能获得满意的功率输出又能防止发动机爆震的最佳
H 2掺混比为20-25%（体积百分比）[8]。Sierens 等人认为天然气掺氢燃烧发动机要实现低NOx 排放，应采用稀混合气燃烧方式，过量空气系数应在
1.3-1.5。由于天然气中掺氢，燃烧速率仍能够得到保证[9]。Das 等人的实验结果表明，天然气中掺混25%氢气时发动机的热效率与相同功率下的天然气发动机相比提高30%，燃油消耗率下降30%[10]。Shudo 等人研究认为天然气掺氢后发动机热效率提高，HC 排放下降，NOx 排放有所增加。推迟点火提前角在不影响热效率的前提下可使NOx 降低到很低的水平。发现掺氢可明显改善燃烧过程，特别是稀混合气下的燃烧过程。天然气掺氢稀混合气燃烧可实现提高发动机热效率并同时达到降低HC 和NOx 排放的目的[11]。Bauer 等人发现对于天然气掺氢发动机，掺氢量达到60%时部分负荷下的稀混合气燃烧极限延伸到当量比0.34。理论当量比下功率提高8%，燃油消耗率提高14%，CO 2下降26%，CO 下降，HC 下降，NOx 增加[12]。研究表明20-30%掺氢量可使发动机获得最理想的动力性能、经济性能和排放性能，过高的掺氢量发动机容易产生爆震、功率下降、燃油使用成本增加。而过低的掺氢量没能充分发挥氢气对发动机性能和排放改善的优点。由于天然气掺氢后可允许使用废气再循环进一步降低NOx 排放，允许使用的EGR 随CNG/H 2掺氢量的增加而增加。采用EGR 后CNG/H 2发动机的NOx 可降低到特别低的水平
（<10ppm ）。从燃烧使用的成本来看，在提高发动机性能、降低排放的前提下，掺氢量少是比较合理的，天然气中20%掺氢量可使发动机热效率提高10%。从目前的燃料价格来看，掺烧20%氢气的燃
料成本提高15%，掺烧10%的燃料成本提高8%。但随着太阳能热解制氢和太阳能光解制氢技术成熟，达到规模化制氢，掺氢燃烧的燃料成本将大幅度下降，接近甚至低于天然气燃料成本。因此，天然气掺氢发动机的规模化使用与规模化制氢技术息息相关。
天然气发动机一般控制在理论空燃比下工作，燃油经济性受到很大影响，天然气稀燃时会遇到许多问题，如火焰传播速率慢、不完全燃烧比例增加、燃烧循环变动率大、甚至出现发动机失火现象，从而使天然气稀混合气燃烧发动机功率下降，排放增加。
为提高火花点火式发动机的稀燃能力，提高稀燃条件下的混合气燃烧速率，以往通常采取优化点火时刻、采用新型燃烧室和提高燃烧室内的湍流强度等措施。然而，提高湍流强度会带来发动机传热损失增加和燃烧温度增加，进而造成NOx 排放量增加。解决混合气燃烧速率慢的另一个有效途径是形成燃烧速率快的混合气，把燃烧速率很快的氢气掺混到天然气中被认为是一条十分有效的措施。
Wong 等人通过在燃料中掺氢来改善低负荷下HCCI 天然气发动机燃烧循环变动问题，HCCI 发动机的燃烧由混合气压缩自燃着火而形成，低负荷时混合气自燃着火较困难，着火时间变动较大，造成较大的燃烧循环变动，混合气掺氢后着火条件明显改善，从而有助于降低低负荷下燃烧循环变动，研究也发现天然气掺氢后能扩展HCCI 发动机的低负荷工作范围[8]。
氢气的理论燃空比大约是甲烷理论燃空比的二分之一，理论燃空比下氢气-空气混合气的热值比甲烷-
空气混合气的热值低14%，因此，掺氢燃烧后相同燃
空比下甲烷-氢气-空气混合气的热值会低于甲烷-空气混合气，
而发动机实验表明燃用天然气/氢气混合燃料的热效率高于天然气发动机，掺氢后燃烧过程改善不仅弥补了混合气热值低的缺点，而且提高了发动机热效率。
研究还发现天然气掺氢燃烧时发动机点火提前角应相应推迟，天然气掺氢量越大，点火提前角推迟越多，目的是在获取最佳发动机性能和防止燃烧压力过高，推迟点火提前角并没有对发动机热效率产生影响，即便在天然气/氢气稀混合气燃烧情况下[13]。研究发现在过量空气系数1.5，天然气中掺氢量达到20%时，CO 下降50%，HC 下降70%，平均有效压力的循环变动降低50%，热效率提高20%，但NOx 增加50%。天然气发动机仍存在较高的NOx 排放，天然气发动机承受废气再循环的能力有限，天然气掺氢后可大幅度提高发动机使用废气再循环能力降低NOx 排放，因此，天然气发动机往往把掺氢和废气再循环结合起来使用[14]。
利用少量氢气在副室中燃烧，形成能量较大的喷流来促进主室中甲烷气体的燃烧速率。澳大利亚学者提出了氢气辅助喷流着火方式（hydrogen-assisted jet
ignition ）
邻苯二甲酸酯
来提高天然气发动机的燃烧效率和降低稀混合气下的燃烧循环变动，使用的氢含量占甲烷质量的2-10%。类似的研究工作也在日本岐阜大学若井研究室中进行，氢燃烧产生的高能量和大量活性基促进了主室中甲烷的燃烧速率。
归纳起来，我们可以基本把握天然气掺氢发动机燃烧的一些基本特征。即天然气掺氢燃烧发动机可降低HC ，CO 和CO 2排放量，NOx 排放有所增加。然而，掺氢后发动机可在稀混合气条件下稳定工作，反而降低了NOx 排放。同时也不会影响发动机的功率输出和热效率。此外，由于氢气火焰传播速率很快，适当推迟点火提前角也不会降低发动机热效率，推迟点火提前角所带来的火焰温度下降对
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