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发动机原理小论文1


周媛

10011240235

指导老师:刘云

车辆工程 2 班

内燃机代用燃料——氢气的应用研究与发展趋势
摘 要 汽车从发明到今天, 所用燃料几乎都是汽油和柴油。汽油和柴油都是从石油中提 取的,所以,称其为石油产品,因此石油也就成了汽车用能源的大户。由于汽车 的生产量和保有量不断增

加,石油的日益枯竭,迫使人们不断地开发新的能源。 另一方面汽车用的汽油、柴油,造成的环境污染,也是人们使甩其它清洁能源替 代石油产品的重要原因。 关键词:汽车 新能源 燃料 代用燃料 氢气 代用燃料指的是传统发动机燃料(如汽油和柴油)的替代品。 《美 国能源政策法 规》将代用燃料定义为甲醇、非自然乙醇、其它酒精燃料或至少 85%的这些燃料 与汽油或柴油的混合燃料、CNG、LNG、LPG、氢气、煤炭衍生物的液体燃料以 及生物质能源等。 氢气(H2) 氢在地球上储量丰富, 而且容易获得, 是理想的能源载体. 以氢气作为未来燃 料, 用可再生能源系统制取氢气,然后将氢气作为载体用来储存能量, 是提升我 国能源利用水平的重要途径之一。 氢燃料动力的开发和应用, 将有效缓解我国 能源紧张的局面, 可以使我国在新世纪能源的竞争中处于领先地位; 以氢燃料内 燃机逐步替代燃用石油产品的内燃机对于逐步摆脱对石油资源的依赖具有十分 重要的战略意义, 是维护国家能源安全、保障社会持续发展的迫切需要. 可见氢 内燃机技术的进步是实现氢能源经济最具现实意义的发展方向。 传统石油燃料发 动机的结构基本不做改动就可直接燃用氢, 且氢燃料内燃机的有害排放污染物 远远低于石油燃料内燃机的排放。这些均使得对氢燃料发动机的研究, 特别是 美、德、日等发达国家对其研究方兴未艾。但是氢发动机输出功率降低, 且易发 生回火和早燃等不正常燃烧。目前, 氢燃料在车用内燃机方面的研究与应用主要 有燃氢内燃机和汽油一氢发动机。燃氢内燃机,氢-空气混合气具有特别宽广的 可燃范围, 氢发动机可以燃用非常稀薄的混合气稳定工作, 并可采用变质调节的 方式来调节氢发动机的工况。 奥托循环的内燃机燃烧的理论热效率和它的压缩比 和热容比有关, 提高压缩比,可以提高燃油的热效率, 燃烧敲缸现象限制压缩比 的提高。氢气的燃烧范围非常宽, 在稀燃的状态下, 一定范围内可抑制敲缸现象, 从而可以提高压缩比。热容比越大, 它的热效率越高, 氢气的热容比大于汽油, 有利干提高氢气的热效率。 氢气转变为汽车动能有两种主要途径: (1)氢气作为车用内燃机燃料燃烧作功; (2) 氢气应用于燃料电池。但燃料电池系统在能量密度、体积、质量、反应速度及成 本等方面的问题还未很好解决, 相关技术距实用还有相当一段距离。而用氢气作 为内燃机燃料, 既可以实现氢能源清洁、 可再生的特点,又可以利用目前已经充分 建立起来的内燃机工业基础, 且氢气发动机热效率较高, 综合效率与燃料电池效 率相当, 生产及使用成本低, 在使用性能、 成本等方面较容易被广大用户所接受。 因此, 以氢气作为内燃机燃料已经被车辆行业公认为是近阶段氢能用于汽车的 最现实、最经济的途径。 氢内燃机技术分析 氢内燃机就是以氢气为燃料, 将氢气储存的化学能经过燃 烧过程转化成机械能的新型内燃机. 氢燃料内燃机保留传统内燃机基本结构, 沿

用曲柄连杆机构、配气机构、固定件等结构形式, 局部零部件重新设计, 全新匹 配燃烧系统、供应与喷射系统、电子控制与管理系统的一种新型内燃机。氢内燃 机汽车用以氢为燃料的 HICE( hydrogen internal combustion engine) 作为汽车的 动力装置, HICE 的结构和工作原理与传统的内燃机( ICE) 没有本质的区别。由 于它所使用的燃料与传统的汽油机、柴油机不同, 因此需根据氢燃料的特点, 对 燃料供应系统、安全系统及燃料燃烧过程的组织作相应的改进设计.氢能源动力 的发展目前可以分成两大方向: 一个是在传统内燃机技术的基础上, 开发氢燃料 内燃机; 另一个方向就是采用新型的动力装置, 如燃料电池,其根本目的就是解 决目前汽车行业面临的“能源与环保” 这两大难题。 氢燃料的贮存技术 氢燃料的贮存技术是氢气汽车推广应用的关键技术之一。 目前, 氢燃料的贮存方式大致可以归纳为两大类, 即物理方式和化学方式。 物 理方法储氢 ( 1) 气态储氢。 气态储氢是以高达 20~ 25MPa 的压力将氢气压缩储 存在金属容器中。这种储存方法占用的体积较大, 不很实用。即使贮存压力达到 40MPa, 1kg 氢的体积也要占 30L。另外, 气态储氢的安全性较差, 容器必须具有 足够的强度及良好的密封性, 并要注意氢对材料的侵蚀作用及导致其脆裂的可 能。 ( 2) 液态储氢。液态储氢是将高纯度的氢经过深冷装置液化, 储存在液氢 罐中。液化过程所消耗的能约为氢热值的 30%, 因此成本很高。由于液氢的沸点 很低,必须存放在具有良好绝缘性能的双层真空结构的金属容器中, 容器的材料 要防止冷脆, 一般用不锈钢或铝制造。每千克氢的热值大约是同等质量的汽油热 值的 3 倍,但液氢的密度只是汽油的 1 /10, 所以与 10L 汽油能量相当的液氢体积 约为 30L, 液氢油箱的外形尺寸是汽油箱的 4~ 5 倍。 化学方法储氢 化学方法 储氢主要是采用金属氢化物(MH )为氢贮藏源。首先将氢加压供给 MH 贮气罐, 同时对贮气罐进行冷却、散热, 促进氢的吸收和贮藏。当使用氢燃料时, 可在低 于吸入压力或高于吸入温度的情况下, 使金属氢化物( MH )释放氢气, 通过供气 装置供给发动机, 释放氢气的过程中金属氢化物(MH )需要吸收热量。金属氢化 物不会自燃, 较为安全。有的汽车上同时采用低温型及高温型的金属氢化物, 目 的在于充分利用它们各自的优点。 氢内燃机发展趋势 氢能源应用工业发展的 大背景仍将是能源多元化. 20 世纪 70 年代的石油危机, 使人们认识到过分依靠 单一能源的风险很大, 因此这个时期, 能源多元化成为能源发展的方向. 也正因 此, 氢燃料、天然气、核能、风能、太阳能、地热能、海洋能等也引起了人们的 极大关注. 经过 30 多年的发展, 这些新能源已成为能源市场上一股巨大的力量, 并在当前顺应了可持续发展、环境保护、降低能源供应成本、能源多样化发展等 新的理念与要求。 结语 作为世界人口最多的发展中国家, 我国能源的开发利用面临着经济增长 和环境保护的巨大压力,能源成为我国可持续发展的关键。发展汽车燃料及内燃 机是我国可持续发展战略中的重要环节。世界的石油资源终将日趋减少,石油燃 料的短缺现象也必然会出现, 而且会日益严重, 研究与应用代用燃料是大势所趋。 目前,内燃机代用燃料的研究还处于初始阶段,预计不久的将来,内燃机代用燃 料将会有更大和更快的发展。 参考文献 黄志杰. 中国能源概论[M]. 北京: 能源出版社, 1982. 崔心存. 内燃机的代用燃料[M]. 北京: 机械工业出版社, 1990


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