氢内燃机和氢燃料 （系列讲座11）
氢气的常规利用方式主要是两种，一种是通过电化学方法，利用我们前两讲介绍的“燃料电池”将氢的化学能变为电能和热能；另一种方式是通过热化学方式，即燃烧氢，将化学能变成热能或动能。例如，用锅炉将氢能变成热能，用“内燃机”将氢能变成动能。本讲就是介绍氢内燃机。“内燃机”是一种动力机械，它是通过燃料在汽缸内燃烧，将放出的热能直接转换为动力的热力发动机。内燃机的形式很多，有往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机、自由活塞式发动机、旋转叶轮式燃气轮机和喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温、高压的燃气，燃气膨胀推动活塞做功，再通过曲柄连杆机构或其它机构将机械功输出，驱动从动机械工作。活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来，经过不断改进和发展，已成为比较完善的机械。它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，所以获得了广泛的应用。全超界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇，以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。一 内燃机的燃料发展活塞式内燃机起源于用火药爆炸获取动力，但因难以控制而未获成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并第一次提出了燃料与空气混合的概念。早在1820年，Rev.W.Cecil就发表文章，谈到用氢气产生运动力的机械，还给出了详尽的机械设计图，这比第一台实用的用煤气做燃料的内燃机的出现整整早了40年。由于氢具有特殊性质，而与现代液体化石燃料内燃机燃料不同，用氢作内燃机的燃料，会带来诸如早燃、回火、爆燃等异常燃烧的现象，使发动机正常工作过程遭到破坏。1“早燃”是指火花塞点火以前，氢气混合气已被一些热点点燃，开始燃烧。热点可能是燃烧室中的尖角、火花塞的过热电极、排气门、机油高温分解的碳粒、杂质的过热沉积物等。在浓混合气发生早燃时，火焰传播速度极快，压力急剧升高，使发动机的正常工作遭到破坏。2所谓“回火”，就是在进气过程中，进气门尚未关闭，气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，进气管内回火会造成强烈的噪声，也容易损坏发动机。3“爆燃”则是内于氢的滞燃期短，火焰传播速度相当快，导致燃气压力急剧增高，燃烧过早结束，飞轮因克服不了压缩功，会造成突然停车。所幸经过科技人员的多年研究，已经采取一些措施，解决了上述问题。目前，氢内燃枧的研究已经达到很高的水平。例如，福特公司的氢内燃机的压缩比为(14～15)：1，空燃比接近柴油机的水平，热效率比现在的汽油机高15％左右，并有望提高到25％；由于的氢内燃机采用了稀薄燃烧技术，有效地降低了发动机的最高燃烧温度，从面使NO 的排放量达到极低的程度。下面是福特公司Ford 2.3LDOHC，I4型氢内燃机的一些参数：重124公斤；最大功率为6lkw(3000转／分)；尺寸(长×宽×高) 为0.53×0.66×0.76米。
2004年5月25～28日，在北京举办的第二届国际氢能论坛上，宝马公司展出了可以使用汽油和氢气的汽车发动机实物(图1)，引起人们极大的兴趣。宝马公司双燃料液氢发动机为6升，12缸，最大输出191kW(5100转／分)。
图1 BMW在北京氢能论坛2004上展出的12缸氢内燃机2007年7月，德国宝马公司在上海氢能展览会上展出的BMW7氢-汽油双燃料轿车，就是采用了这种氢内燃机。
氢内燃机和汽油内燃机相比，有很多优点：排放物污染少，系统效率高，发动机的寿命也长，具体比较参阅表1。
表1 氢内燃机的主要技术经济指标二 内燃机的纯氢燃料
可燃气体与汽油的性能有很大区别，一般说来，氢的性能优于碳氢燃料，详见表2。氢的热值约为汽油的3倍，比汽油具有更宽的着火界限。混合比在过量空气系数很大的范围内变动时均可稳定燃烧，因此发动机可燃用稀混合气。氢的热效率高，点火能量低，最小点火能量仅为汽油最小点火能量的十余分之一(0.02MJ)，而且氢的火焰传播速度比碳氢燃料快得多，低温下容易启动。将汽油车改装为氢汽车并不困难，氢汽车的排放物主要是H O(水蒸气)、N 、O 和少量的NO 。在常用情况下，低负荷时NO 的排放量很少，仅在全负荷时，接近或少许超过汽油机的NO 排放量，但也可采取措施予以降低。
表2 可燃气体与汽油的性能对比
三 内燃机的氢-油混合燃料在汽油-氢混合燃料发动机中，氢在燃烧时起促进作用。由于氢的点火能量低，稀混合气易于燃烧，发动机可燃用稀混合气；由于氢的活化能低，火焰传播速度快，扩散系数大，混合气的滞燃期缩短，火焰传播速度加快，实际循环比汽油机更接近于等容循环，燃烧时间更短；由于氢是双原子分子，而且可燃用稀混合气，因此双原子含量相对增加。所有这些，都使发动机的热效率得以提高。试验结果表明，汽油机中加入5％的氢后，可节省汽油约30％以上，故具有节油的优点。由于在燃烧中促进了CO完全燃烧为CO ，发动机的CO ，排放量减少至原汽油机的1／4以下，HC排放量降低至原汽油机的3／4以下；燃用稀混合气时，也能减少NO ，排放量。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，以便在很大程度上克服汽油机中、低负荷时，油耗率高和有害排放量高的缺点；在高负荷时，应少加氢，以免功率下降，保持其动力性。不过，使用这种燃料，需要在汽油车上再加装一套氢气供应系统，虽然这在技术上可以实现，但在经济上未必合算，因此使用的方便性也大打折扣。四 内燃机的氢和天然气混合燃料将氢按一定比例添加到天然气中混合，混合后的燃气用作汽车的燃料有很大的好处。氢气和天然气可以很容易地以任何比例混合，国内外的试验都表明，5～7％质量的氢气和天然气混合燃料，具有最低的NO 排放。天然气作为汽车燃料，虽然可以降低CO 、SO 、Pb以及直经≤2.5 m细颗粒物(PM2.5)等污染物的排放量，但是，由于甲烷热值较高，达到36000kJ/m ，在高温高压下燃烧，燃烧温度可以达到2300℃，容易产生NO 气体。因此，在实际使用过程中，和汽油、柴油车相比，天然气汽车并没有降低NO 气体的排放。
将氢气掺混到天然气中用作燃料，可以有效降低燃料的燃烧温度，从而减少排放气中NO 的含量。美国国家可再生能源实验室的研究结果指出，天然气中加入5～7％的氢气(质量百分比)，即15～20％(体积百分比)，NO 的排放量将减少50％。图2给出了美国DENVER示范项目的结果，可见与天然气相比，5％质量的氢气和天然气混合燃料的碳氢化合物(THC)、CO和NO 的排放量分别降低约30％、50％和50％。氢气和天然气混合燃料对CO 的减排也有效果(图3)。
图2 美国DENVER5%(质量)氢气-天然气示范项目的结果
图3 不同燃料CO 排放量比较
美国阳光车道(Sunline)运输公司已经在大型客车上成功地使用了氢和天然气混合燃料，氢／天然气混合燃料汽车与纯天然气汽车相比几乎没有差别，目前我国已有数十万辆天然气汽车在运行，现有的运行经验和基础设施都有利于这种燃料的推广。笔者早在2005年2月出版的《科技导报》中就著文《氢能及其近期应用前景》，指出氢／天然气混合燃料内燃机汽车将是连接现在汽车和零排放氢燃料电池汽车之间的一个实用和可行的桥梁，现在也更加相信这点。