【正文】 證明摻氫燃燒的可行性，通過分析汽油機排放物生成機理、影響因素。第三是制取氫的設備價格昂貴，制取氫的成本太高。其主要原因是車用氫發(fā)動機用氫時還存在一些問題:第一是低溫高壓液氫的儲存，這是最關鍵的技術。為了盡可能減少這種排放，Stockhausen等人在實驗中提高發(fā)動機氣缸體表面粗糙度，減少活塞裙部與缸壁的距離，并且采用高硅共品鑄鋁活塞和小環(huán)間隙的活塞環(huán)，這樣潤滑油進入氣缸的機會大幅降低，不僅降低了排放，同時還降低了由于碳氫燃料燃燒在缸內(nèi)產(chǎn)生熱點的可能性，抑制了早燃的發(fā)生。（3）排氣污染問題 氫氣燃燒溫度較高，一般達2 000 K以上，在混合氣較濃的情況下，NOx的含量較高?；鼗鸷驮缛紝Πl(fā)動機的影響很大，使缸內(nèi)燃燒溫度和壓力大大提高，造成發(fā)動機比較大的震動。（2）不正常燃燒氫燃料在進氣口噴射的發(fā)動機中燃燒，會產(chǎn)生一些不正常的燃燒問題，主要是指回火、早燃和爆震。 T and等人的實驗說明氫燃料發(fā)動機的輸出功率最低僅有汽油機的50%。[2] 內(nèi)外混合式結合的氫發(fā)動機 摻氫燃燒存在的問題及研究方法 摻氫燃燒存在的問題（1）能量密度低，這表明氫氣在混合氣中占有大量的體積，從而嚴重影響充量系數(shù)，降低了輸出功率。采取缸內(nèi)噴射與進氣道噴射相結合的方式噴氫()，使得少量氫和空氣在進氣管1預混后進入氣缸，其余大部分氫氣在壓縮末期高壓噴入氣缸，可以有效改善發(fā)動機的著火性能，從而降低了NO的排放。但此技術還需要解決一些問題，諸如:燃燒室內(nèi)混合氣不均勻、噴氫時刻、數(shù)量、點火時刻難以精確控制等問題。（4）缸內(nèi)直噴氫燃料發(fā)動機缸內(nèi)直噴氫燃料發(fā)動機是目前發(fā)動機領域最受矚目的一項技術。（3）液氫燃料發(fā)動機液氫作為燃料的首要好處就是能量密度很大，此外低溫的氫氣進入氣缸可以提高過量空氣系數(shù)、抑制早燃的發(fā)生、減少NO的排放一些研究結果也表明液氫作為燃料可以提高發(fā)動機功率，抑制非正常燃燒現(xiàn)象，并且能夠顯著改善排放品質。在現(xiàn)階段混氫燃料發(fā)動機較之純氫燃料發(fā)動機，更容易在目前的汽車上實現(xiàn)，推動氫燃料發(fā)動機的發(fā)展。研究結果表明，燃用氫氣一汽油雙燃料可以使發(fā)動機的燃料消耗率降低30%左右，當節(jié)氣門全開時發(fā)動機在整個負荷范圍內(nèi)都有較高的熱效率。在起動和怠速時，僅將氫作為發(fā)動機燃料。 [3] 汽油機的摻氫燃燒的發(fā)展趨勢（1）汽油摻氫 向汽油中添加一定量的氫氣也能夠改善發(fā)動機性能。但綜合來看我國在氫內(nèi)燃機研究方面起步較晚 ,在大規(guī)模制氫、增壓技術、 氫氣供應與安全系統(tǒng)、 控制策略、 排放控制技術、 綜合電子管理系統(tǒng)等許多關鍵技術領域還處于起步和空白階段。目前該車己運行了350 km，未發(fā)生任何安全問題和進氣管回火，高負荷爆震亦得到了很好控制。2006年8月，由北京工業(yè)大學、北京益麥斯科技有限公司和北京飛馳綠能電源技術有限公司聯(lián)合成功改造了一輛可使用汽油和氫氣混合燃料的1. 6 L依蘭特轎車。[1] 我國氫發(fā)動機的研究開始于20世紀80年代初，國內(nèi)一些高校和科研單位對內(nèi)燃機燃氫和燃氫雙燃料內(nèi)燃機等進行了實驗研究。馬自達公司也推出了配備RX 8氫轉子發(fā)動機的跑車；Nissan的FCVX Trail也處在測試階段。在氫燃料內(nèi)燃機工作過程中 ,包括二氧化碳在內(nèi)的污染物排放幾乎可以忽略不計。該發(fā)動機采用順序多點氣態(tài)氫氣噴射，采用雙螺旋壓縮機機械增壓器，增壓壓力0. 15 MPa,壓縮比9，每缸2氣門，水空中冷器，排量6. 75 L,額定功率173 kW。如2003年己有多輛寶馬74750型氫燃料發(fā)動機汽車在柏林市投入使用，并計劃在此后4年內(nèi)實現(xiàn)小批量投產(chǎn)和上市，2000年寶馬公司研制的氫發(fā)動機汽車在法國創(chuàng)造了9項速度紀錄，該車裝備 6升V12氫燃料內(nèi)燃機 ,最大功率為 210 kW(285馬力) ,0～100 km/ h 加速約 6 s ,最高速度達302. 4 km/ ,氫動力汽車的性能完全可以做到絲毫不遜于傳統(tǒng)能源動力。同時，在目前氫氣價格較昂貴的情況下，采用少量的氫氣而起到節(jié)能、節(jié)油及改善環(huán)境污染的效果，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。由于氫氣的特性，:著火界限比汽油更寬廣，所需點火能量比汽油小得多，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤斓忍攸c，在汽油機中加入少量的氫氣，以改善燃燒，提高熱效率，實現(xiàn)稀混合氣燃燒，節(jié)省汽油。此外，氫內(nèi)燃機對氫純度的要求也沒有燃料電池那么嚴格，而且在內(nèi)燃機應用方而，現(xiàn)有企業(yè)己經(jīng)擁有了大量的經(jīng)驗。燃料電池以其功率大、效率高和無污染等優(yōu)點被認為是替代石油燃料發(fā)動機的理想解決方案之一，但由于目前一些技術尚不成熟，而且成本很高，近期內(nèi)又難以解決。氫燃料被認為是未來最理想的車用能源之一。畢業(yè)設計（論文）節(jié)能發(fā)動機的設計與開發(fā)畢業(yè)論文1 緒論 摻氫燃燒的選題背景與意義全球大概有一半的汽油是消耗在公路上，隨著石油資然的日益緊缺，汽車節(jié)能與排放控制已成為所有汽車人不可推卸的責任。21世紀世界各國將共同面臨環(huán)境污染日趨加劇和石油資源短缺的嚴峻挑戰(zhàn)，現(xiàn)在各國都在尋找替代能源，大力發(fā)展低污染、節(jié)能的“清潔燃料”汽車，用以解決所面臨的問題。[1]氫作為車用能源有兩種主流的轉化方式，以質子交換方式的車用燃料電池發(fā)動機和以現(xiàn)有車用內(nèi)燃機為基礎的燃用氫的車用發(fā)動機。而發(fā)展氫內(nèi)燃機相對來說更容易實現(xiàn)，只需對傳統(tǒng)內(nèi)燃機作一些修改。所以很多人認為，發(fā)展氫內(nèi)燃機是未來一段時間內(nèi)的最好選擇。通過大量的臺架試驗和汽車道路試驗，充分證實了燃汽油摻氫比燃純氫既避免了回火、早燃等不正常的燃燒。 各種燃料的化學、物理及燃燒特性[2] 性能 燃料 汽油氫氣氮氣甲醇乙醇分子量空然質量比空然體積比燃燒熱值（mJ/kJ）著火界限~~7416~25~37~19火焰最大傳播速度絕熱火焰溫度26372758248425762594自燃溫度257574651470392辛烷值試驗機用91~100130130110106汽車用82~948789熄火間隙空氣中擴散率 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 目前，在國外，一些汽車公司己經(jīng)研制出氫燃料發(fā)動機汽車。2005 年初 ,福特汽車公司宣布佛羅它成為世界上第一個正式生產(chǎn)氫燃料發(fā)動機的汽車制造商。2006年7月17日，福特純氫燃料V10發(fā)動機正式投產(chǎn)，福特公司宣稱,氫氣能夠將內(nèi)燃機效率提高25 %～30 % ,而這一效率已和氫燃料電池大致一樣。目前福特Ex:50型氫燃料公共汽車正在佛羅里達州試運行。日本武藏工業(yè)大學和Nissan汽車公司長期合作不斷將液氫發(fā)動機汽車的研究推向新的高度；三菱重工則進行了大功率氫內(nèi)燃機壓燃試驗。[2]其中，浙江大學與日本武藏工業(yè)大學合作進行液氫發(fā)動機的試驗研究，試驗采用了缸內(nèi)直接噴射，并用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制，試驗結果表明氫氣發(fā)動機的異常燃燒、動力增加及NO減少在很大程度上取決于精確確的噴氫系統(tǒng)、噴射正時及點火正時。該車在冷啟動、暖機、怠速和小負荷采用純氫氣運行，接近零排放，在中等負荷采用汽油混氫燃燒，排放和油耗進一步降低，在大負荷采用純汽油模式，確保了車輛在高負荷的動力性。2007年6月，我國自主研制的第一臺氫內(nèi)燃發(fā)動機，在長安集團點火成功，標志著我國氫內(nèi)燃機技術取得了突破性進展。 從研究的內(nèi)容看，大都僅限于高等院校的原理探索,關鍵技術的差距較大 ,整體技術水平較低。Lucas和Richards[3]對氫氣一汽油雙燃料發(fā)動機進行了研究。當負荷增加時，保持向發(fā)動機加入氫燃料的質量不變，逐漸增加汽油的量。 從燃料儲存方面講，混氫燃料發(fā)動機所需的氫氣量不大，主要是作為添加劑加入天然氣、汽油等燃料中，達到提高發(fā)動機熱效率、降低化石燃料消耗和排放的目的。（2）增壓氫燃料發(fā)動機由于使用增壓進氣容易改造和中冷技術的發(fā)展[4]，增壓氫燃料發(fā)動機逐漸成為研究的熱點。但是氫氣液化的難度大、成本高、可靠性難以保證，導致目前很難使用在現(xiàn)有汽車上，但其仍然是清潔發(fā)動機未來發(fā)展的方向。此項技術的優(yōu)點在于可以提高過量空氣系數(shù)和壓縮比，有效避免早燃，并目能夠提高輸出功率，改善熱效率。（5）內(nèi)外結合式的氫發(fā)動機在采用缸內(nèi)高壓噴射時，由于氫噴入缸內(nèi)會吸熱，氫的自燃溫度又高，導致著火困難。日本古濱莊一等人采用缸內(nèi)噴射(噴射壓力為5 M P a)和預混(過量空氣系數(shù)為4)相結合的方式進行試驗，結果表明，與全部預混的方式相比這種方式更有利于在過量空氣系數(shù)附近正常燃燒，并能獲得較低的NO排放量。同時由于前述早燃的影響，混合氣不能太濃，氫燃料發(fā)動機的動力性一般不如同樣排量的汽油機，盡管氫氣的質量熱值很高。[2]可以通過適當提高壓縮比、減小進氣系統(tǒng)的阻力、采用增壓技術、利用缸內(nèi)直噴技術等提高動力性?；鼗鹁褪切迈r充量在進氣門關閉之前就被點燃，因為兩者的表現(xiàn)是相似的，但實際上它們還是有區(qū)別的，爆震是在火花塞點火后出現(xiàn)的，可以通過推遲點火時間來控制，而早燃則不行。反過來，缸內(nèi)溫度和壓力的提高又進一步將著火時間提前形成惡性循環(huán)，使發(fā)動機無法正常工作。另外氫氣作為一種不含碳元素的燃料，理論上其燃燒產(chǎn)物中應該不含CO 、CH、碳煙等有害物，但是由于有時潤滑油會進入燃燒室并被燃燒，所以氫氣發(fā)動機很難做到?jīng)]有任何碳排放。[2]（4）存儲及制造問題目前燃氫汽車僅有一些概念車，還遠未達到推廣應用階段。第二氫能利用不普及，加氫站少，影響了燃氫汽車的續(xù)航單程。盡管氫發(fā)動機實用化過程中仍需做大量艱巨的工作，但氫發(fā)動機的研究在氫經(jīng)濟時代的背景下將會得到快速發(fā)展，有著廣闊的前景。在總結前人的研究成果的基礎上，論述了汽油機摻氫燃燒的可行性，以及對經(jīng)濟性和動力性的分析計算。[9]分析并通過引用實驗結果證明汽油機摻氫燃燒在理論和實踐方面均是可行的。2 理論分析與計算 摻氫機燃燒理論分析 為研究汽油機摻氫后混合氣的形成和燃燒規(guī)律，首先有必要研究純氫氣機的理論循環(huán)，以明確燃料的熱力學性質對發(fā)動機工作過程和主要性能指標的影響，從而為改善性能指標指明方向。 純氫氣機理論模型的建立 為研究方便，將純氫氣機的工作循環(huán)看作是一個封閉的不可逆循環(huán)?，F(xiàn)假設循環(huán)滿足以下條件: （1）進氣和排氣沒有流動損失。（3）壓縮和膨脹都是在變絕熱指數(shù)情況下進行的，絕熱指數(shù)只考慮比熱隨溫度的變化。（5）閥門的開閉時間準確地與上、下止點重合。燃燒的發(fā)熱系數(shù)等于1，燃燒時的熱損失主要是理論空氣含量不足。 純氫發(fā)動機理論循環(huán)示功圖[3]a——進氣過程終了 b——膨脹過程終了c——壓縮過程終了 o——大氣狀態(tài)z——燃燒過程終了 r——燃燒產(chǎn)物 純氫氣機理論工作循環(huán)的過程分析下列為各循環(huán)計算中的符號的含義： ——噴嘴出口的氣流速度 ——氣缸中的氣體流速G——摩爾氫的質量 ——氫燃料混合氣的低熱值m——摩爾氫所需的空氣摩爾數(shù) P——壓力T ——溫度 u——內(nèi)能——平均摩爾比熱容 a——過量空氣系數(shù)——理論分子容積變化系數(shù) ——殘余廢氣系數(shù)——壓縮比