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国外内燃机 2005年第 4期
试验研究
直接喷射点燃式氢气发动机
运行对策和功率密度潜力
【德】 Rottengruber H M Berckmiiller G等 Els/isser
摘要:车用内燃机应用可再生的氢燃料不仅需要一个特定的燃烧方法,而且需要优化的运行对
策,这样才能提供高功率输出,并在获得高效率的同时消除关键的废气排放。直接喷射的氢气内燃机
能提供比传统的汽油燃料发动机更高的性能和更好的动态特性方面的潜力。采用一台专门设计的、
配备外部和内部混合气形成系统的单缸试验发动机研究直接喷射(DI)和进气道喷射(PFI)联合运行
的潜力和各种喷射压力的效果。用直接喷射时,可以用理想配比混合气高负荷运行。发动机的最大
功率输出可以比传统汽油机增大 2O 以上,而且指示热效率大于 33 。对发动机低负荷时用外部形
成混合气的稀燃运行进行了研究。采用这样的对策,指示热效率可达 4O 以上。对于发动机的整个
运行范围,提出了一个可达到高功率密度、高热效率和最低环境影响(几乎不排放 CO:和 N0x)的运
行对策。成功地采用了可视化方法改善发动机燃烧系统的设计,并与所用的模拟模型进行比较。开日《 H
发了诸如缸内压力分析、一维流动模拟和发动机损失分析等模拟工具,并成功应用于本试验发动机的
设计。
关键词:氢气发动机直接喷射稀薄燃烧性能排放
1 1 前言 2 发动机概念设计
一百多年来,汽油和柴油等碳基燃料一直是汽运行对策
车上应用最广泛的主导燃料。为了满足高功率密度、高热效率和低废气排放
不过,这些燃料资源的有限性、CO。的排放问题等互不相容的要求,发动机的运行范围被划分成 3
以及法定排放物的排放法规等已提出这样的问题: 个区域(图1)。
如何以像氢那样的代用燃料代替传统的燃料。还有
一个问题是,哪种动力驱动系统最能满足用户的
需求。
燃用氢气的内燃机已被证明能获得与燃用传统
汽油的发动机相似的性能和运行舒适性 L1]。用稀的
氢/空气混合气运行,发动机可以获得高的热效率。
在这种稀燃情况下,燃烧温度低,可防止生成 NOx,
而 NO 是氢气发动机影响环境的唯一排放物Ll ]。
另一方面,如果用理想配比混合气运行,功率密
度可以得到提高,而排气通过降低 NO 处理后很容
易满足要求L1]。由于氢燃料密度低,氢气发动机要
达到与目前自然吸气式汽油机相似的功率密度,只
有采用内部形成混合气,或如用外部形成混合气的
话,只有采用增压的办法]。-l 发动机转速/
本文的重点集中在发动机的概念设计、运行对
策和内部形成混合气的自然吸气氢气发动机,以及图 i 发动机的运行范围和所提出的运行对策
联合运用内部和外部形成混合气时的潜力。
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2005年第 4期国外内燃机
发动机低负荷时,通过外部混合气形成系统,即
进气道喷射系统供给稀的氢/空气混合气,而不需对
进气进行节流。用这样的运行对策可获得高的热效
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率和极低的 NO 排放。\
发动机较高负荷时,燃烧温度也较高,NO 排
0
放也会增加。这要求用理想配比运行,以便可用催 Z
化转化器来降低