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
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。
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