天津大學：氫燃料內燃機關鍵技術與進展報告（77頁）.pdf

《天津大學：氫燃料內燃機關鍵技術與進展報告（77頁）.pdf》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《天津大學：氫燃料內燃機關鍵技術與進展報告（77頁）.pdf（77頁珍藏版）》請在三個皮匠報告上搜索。

1、主講人：堯命發2023年10月27日氫燃料內燃機關鍵技術與進展1氫能動力高級研修班內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.主要內容氫燃料特性與燃燒特征氫內燃機燃燒技術及進展氫內燃機應用的關鍵技術氫內燃機在新型能源系統應用探討總結0101氫燃料特性與燃燒特征內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料物理化學特性屬性氫氣天然氣汽油柴油含碳量（mass%）0758786低熱值（MJ/kg）119

2、.745.844.842.5密度（kg/m3）0.0890.72730-780830能量密度（MJ/m3）10.7333300035000沸點（K）20111298-488453-633自燃點（K）858813623523最小點火能量（mJ）0.020.290.240.24當量空燃質量比34.517.214.714.5當量體積比例（%）29.539.482-淬熄距離（mm）0.642.12-層流火焰速度（m/s）1.850.380.37-0.430.37-0.43可燃極限（vol%）4-745.3-151-7.60.6-5.5絕熱火焰溫度（K）2480221425802300零碳燃料，降碳潛力

3、大易發生回火及早燃現象稀燃著火燃燒穩定燃燒速度快，可用EGR比例高安全問題、易組織稀薄燃燒NOx排放高傳熱損失增大、燃燒效率高體積能量密度低、行駛里程短難以液化儲存難以采用壓燃燃燒方式氣道噴射功率損失大內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料物理化學特性 熱值高。低熱值約是汽油的2.7倍，但體積能量密度較低；可燃混合氣濃度范圍大，易實現稀薄燃燒，提高經濟性，同時可以降低最高燃燒溫度，從而減少NOx 的排放量；不產生CO2和HC排放，無Soot生成；氫燃料燃燒特性：火焰傳播速度高，燃燒速率

4、高、熱負荷高；較低的點火能量需求（穩定性高，但要求低熱慣量火花塞）；氫在所有氣體中具有最高的擴散系數（在25-1 atm條件下為4.11e-5，是同樣條件下氧氣的2倍，乙醇蒸汽的3.45倍，汽油的 12倍）；非正常燃燒現象主要包括：爆震、早燃和回火(采用缸內直噴采用缸內直噴可以避免可以避免回火回火)。內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.純氫燃料一般采用傳統點燃式燃燒柴油機柴油機(壓燃壓燃)燃油燃油分布分布擴散擴散燃燒燃燒汽油機汽油機(火花點火火花點火)火焰火焰傳播傳播均質均質混合混合柴油機

5、柴油機汽油機汽油機 內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.對于重型氫內燃機還可以采用高壓直噴擴散燃燒方式Source：Simon Mills，Heavy Duty Hydrogen ICE:Production Realisation by 2025 and System Operation Efficiency Assessment。IMechE Powertrain Systems for Net-Zero Transport 7th December 2021 預混合點燃柴油引燃擴散燃

6、燒引燃擴散燃燒預混合點燃內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.火花點燃式燃燒特征 湍流控制燃燒過程，湍流強度和混合氣成分控制著火和火焰傳播 預混合（PFI/GDI）（蒸發性好、自燃溫度高）燃燒，混合氣形成時間長，整個吸氣過程和壓縮過程都在混合，均勻混合氣；外源點火:可控制點火時間與地點；火焰傳播式燃燒:燃燒速度、放熱率取決于火焰傳播速度。燃燒效率較低:不完全燃燒產物排放高預混燃燒預混燃燒：混合過程比燃燒反應要快得混合過程比燃燒反應要快得多，或火焰到達之前，燃料與空氣已經多，或火焰到達之前，燃

7、料與空氣已經充分混合，這種可燃混合氣燃燒稱之為充分混合，這種可燃混合氣燃燒稱之為預混燃燒。預混燃燒。內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.點燃式發動機燃燒過程與燃燒階段的劃分著火階段（滯燃期）、急燃期、后燃期火焰特點：均質 火焰前鋒面皺褶火核形成 火花點火著火階段急燃期后燃期火花塞跳火內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.火花點燃式燃燒特征 三個燃燒階段，火焰傳播期速度對i起決定性的作用。

8、要在工作柔和的條件下，盡可能地提高火焰傳播速度（混合氣濃度、缸內氣體的湍流強度、殘余廢氣系數等）。衡 量 發 動 機 工 作 粗 暴 程 度 的 指 標 壓 力 升 高 率，(dp/d)max=0.1750.25MPa/oCA保證工作柔和。一般使火焰中心形成點出現在TDC前12-15OCA，缸內最高壓力點出現在TDC后12-15OCA。內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.火花點燃式發動機燃燒特性 均質點燃，火花塞點火時刻控制燃燒時刻、火焰傳播速度控制燃燒速度；低壓縮比（爆震限制爆震限制），

9、節氣門（當量比控制當量比控制），熱效率低；湍流強度和結構影響著火和燃燒；循環波動大 當量比為1 1的燃燒過程，火焰前鋒溫度高，溫度不均勻，NoxNox生產多，壁面附近、壓縮余隙、壁面不完全燃燒產物排放高。熱效率和燃燒效率比擴散燃燒方式低內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機熱效率-與汽油機對比 氫內燃機熱效率高，高速工況熱效率優勢更為明顯 氫內燃機小負荷PFI熱效率高 與汽油相比，氫燃料的 NOx排放明顯降低（稀燃稀燃以及燃燒產生以及燃燒產生H H2 2O O）。氫內燃機低速轉矩低于

10、汽油機問題：為什么低轉速氫發動機性能比高速差，如何改進？NOxNOx排放排放內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機燃燒特性-點火提前角的影響(PFI)點火時刻提前，燃燒持續期縮短，燃燒相位提前，最大爆發壓力增大；熱效率隨點火時刻提前呈現出先增大后減小的趨勢；NOx排放隨著點火時刻的提前逐漸升高；點火時刻對熱效率的影響2International Journal of Hydrogen Energy,2007,32(2):296-304.1SAE Technical Paper,202

11、3.內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機燃燒特性-當量比的影響(PFI)當量比的增大，最大爆發壓力和缸內燃燒速率逐漸上升；熱效率隨著當量比的增大，呈現出先增大后減小的趨勢；高當量比時較高的燃燒溫度導致傳熱損失增加；低當量比時燃燒相位靠后，燃燒持續期較長導致較高的壁面傳熱損失。Rouleau L,Duffour F,Walter B,et al.SAE Technical Paper,2021.內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laborator

12、y of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機排放特性-當量比的影響(PFI)當量比較低時，隨著當量比的降低，NOx排放逐漸降低；當量比較高時，隨著當量比的增加，NOx排放逐漸降低當量比極低時，較低的燃燒溫度限制的氫氣的完全燃燒，未燃H2排放有所升高。NOx排放未燃H2排放Rouleau L,Duffour F,Walter B,et al.SAE Technical Paper,2021.內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機性能-噴氫時刻的影響(DI)缸內直噴隨著噴

13、射時刻的推遲，熱效率先增加后降低；噴射時刻推遲，局部混合氣濃度增加，燃燒速度升高；但噴油時刻過晚，燃燒速度過快產生局部高溫區，傳熱增加，熱效率降低；隨著噴射時刻的推遲，燃燒溫度升高，NOx排放逐漸升高；Zhen F,Wenzhi G,Duanzheng Z,et al.SAE Technical Paper,2023.0202氫燃料內燃機燃燒技術及進展內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.The Heavy-Duty Hydrogen Engine and its Realization u

14、ntil 2025氫內燃機燃燒技術路線缸內直噴氫燃料內燃機是國際上氫發動機的主要方向！內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.典型氫內燃機燃燒技術特點氣道噴射PFI低壓直噴LPDI高壓直噴HPDI系統簡單，改裝成本低NOx排放相對DI較低功率密度低效率低存在回火風險，易發生早燃功率密度高無回火風險，早燃概率低NOx排放略高氫氣瓶內氫氣無法徹底利用噴射系統耐久性高功率密度、效率高無回火風險、早燃概率低NOx排放高氫氣瓶內氫氣無法徹底利用噴射系統耐久性高Overview of Hydrogen I

15、nternal Combustion Engine(H2ICE)Technologies內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機MPI與DI燃燒Source：Simon Mills，Heavy Duty Hydrogen ICE:Production Realisation by 2025 and System Operation Efficiency Assessment。IMechE Powertrain Systems for Net-Zero Transport 7th Dec

16、ember 2021 內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.點燃式氫內燃機典型燃燒系統適用于氫內燃機的幾種典型燃燒系統（a-e系統復雜性逐漸升高）氫發動機氣道噴射的主要參數氫發動機缸內噴射的主要參數Source:PUNCH Hydrogen Internal Combustion Engine&KERS:An Appealing Value-Proposition for Green Power Pack內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laborato

17、ry of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機燃燒技術進展(與甲烷混合燃燒PFI）Source：SAE 2013-01-0226實驗工況：實驗工況：2000 rpm，IMEP=4bar點火提前角點火提前角空燃比空燃比氫氣的最大體積濃度設定為35%（對應質量為6.3%）最大熱效率低于32%H2-35在最大扭矩點火正時，=2時可以實現穩定燃燒，COV小于4%，NOx排放低于300ppm內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機燃燒技術進展(與甲烷混合燃燒PFI）Source：

18、基于噴氫策略的EGR對汽油機性能影響的研究D 吉林大學優點：隨著摻氫比的增大，熱效率提高 HC排放降低 可實現超稀薄燃燒，穩定燃燒過程缺點：NOx排放增加,通過EGR降低NOx 不同摻氫比下對應不同最佳點火提前角內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機燃燒技術進展（柴油/氫PFI雙燃料）Source：Int.J.Hydrogen Energy 37(2012)7848-7859 氫氣的燃燒效率受到發動機負荷和氫氣噴射比例的影響 當氫氣噴射比例較小時，發動機負荷是影響氫氣燃燒效率的主要因

19、素 發動機負荷較低時，空氣中添加氫氣循環波動（COV）大內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機燃燒技術進展（氣道噴射+當量燃燒+EGR+TWC）1500 rpm3000 rpm優點：可實現超低NOx排放 不采用增壓即可實現較高功率輸出缺點：熱效率低；大負荷時相較汽油機功率損失約為20%，提高功率需要增壓，此時EGR率幾乎為零，當量燃燒存在較大的回火和早燃風險Source：Int.J.Hydrogen Energy 28(2003)901-908&1285-1292內燃機燃燒學國家重點

20、實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.The Heavy-Duty Hydrogen Engine and its Realization until 2025氫內燃機燃燒技術路線-缸內直噴（DI）缸內直噴（DI）在上止點附近噴射氫氣，壓縮比可以提高至12-15，有利于熱效率的提升。缸內直噴氫氣主要存在以下問題：對噴射壓力要求高，一般需要對噴射壓力要求高，一般需要8MPa8MPa以上；以上；對噴氣閥的密封要求極高；對噴氣閥的密封要求極高；由于氫氣噴射貫穿距較小，對混合氣的組織要求高；由于氫氣噴射貫穿距較小，對混

21、合氣的組織要求高；燃燒性能對噴氣、點火時刻的敏感性極高，需要非常精確的控制。燃燒性能對噴氣、點火時刻的敏感性極高，需要非常精確的控制。氫氣直噴（氫氣直噴（DIDI）相比進氣道）相比進氣道（PFIPFI）噴射噴射，負荷提升潛力在負荷提升潛力在17%17%左右，并且早左右，并且早燃和回火傾向燃和回火傾向會會大大降低。大大降低。缸內直噴氫的混合是一個重要挑戰，研究表明通過增加噴射壓力和通過優化噴孔設計可以更好地促進混合，此外基于氣道設計的缸內渦流組織對混合的影響也起到至關重要的作用。內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,T

22、ianjin Univ.氫內燃機燃燒技術進展（缸內直噴+EGR）優點：實現更高的功率密度杜絕回火、抑制早燃實現分層以及超稀薄燃燒無氫氣逃逸Source:SAE 2010-01-2175缺點：高壓噴射系統；缸內混合過程控制難度大內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機超稀薄燃燒概念 H2-ICE當量燃燒非常容易發生爆震，熱效率低以及NOx排放過高；將燃燒控制在超稀薄狀態下(RAFR2.0)，可以同時實現最佳的性能、效率和NOx排放；挑戰主要來自于在燃燒穩定性控制(慢燃、失火)和瞬態NOx

23、排放。Source:PUNCH Hydrogen Internal Combustion Engine&KERS:An Appealing Value-Proposition for Green Power Pack稀薄燃燒是氫內燃機燃燒過程組織的主要形式！內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機燃燒技術進展（氣道噴射+高增壓+稀燃）增壓：2.5 barLambda=2.5“點火系統二次放電是回火形成的主要原因”，“增壓下更為顯著”，抑制回火的措施：更改晶體管點火系統（TCI）電路 調

24、整火花塞間隙距離 采用電容放電式點火系統（CDI）Source：SAE 2011-01-0674低轉速廢氣能量不足導致低速扭矩、功率損失嚴重解決方法1：低速采用當量燃燒+后處理解決方法2：混動系統優點：熱效率高 無后處理實現NOx超低排放缺點：需要高增壓；需進一步提升功率密度JE05循環測試NOx排放為91mg/kWh內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.The H2 Combustion Engine The Forerunner of a Zero Emissions Future典型氫

25、內燃機-MAN公司氫發動機研發歷程內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.H4576LF特征：渦輪增壓、缸內直噴動力輸出：368kW/2300Nm開發第一階段，該發動機的有效熱效率超過了43%，通過進一步優化，如減少摩擦、優化渦輪匹配等，有可能使氫發動機的效率更接近于柴油發動機的效率；已實現較低的NOx排放，將來通過進一步降低NOx排放，非常有希望滿足未來更嚴格排放法規。Source：The H2 Combustion Engine The Forerunner of a Zero Emiss

26、ions Future典型氫內燃機-MAN公司H2-ICE內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.Road Load PointBTESource：The Heavy-Duty Hydrogen Engine and its Realization until 2025典型氫內燃機-AVL公司H2-ICE內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.Westport 開發的HPDI氫發動機diese

27、l H2Over 50%brake thermal efficiency was predictedfor H2HPDI at the mid load point CO2reduction of 97.4%from diesel baseline at the high load point with H2HPDI Source:H2HPDI:A Game changer in the H2Society,IAA 2022,September 2022 內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ

28、.H2發動機應發動機應用于混合動用于混合動力系統有更力系統有更高的效率高的效率傳統動力系統傳統動力系統Source：H2 ICE Powertrains for Future On-Road Mobility典型氫內燃機-Bosch公司H2-ICE內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.提高氫內燃機瞬態響應Source：Simon Mills，Heavy Duty Hydrogen ICE:Production Realisation by 2025 and System Operation

29、Efficiency Assessment。IMechE Powertrain Systems for Net-Zero Transport 7th December 2021 Option 1:Single stage TC+electric boosting or shorter rear axle for diesel like response 內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.提高氫內燃機瞬態響應Source：Simon Mills，Heavy Duty Hydrogen IC

30、E:Production Realisation by 2025 and System Operation Efficiency Assessment。IMechE Powertrain Systems for Net-Zero Transport 7th December 2021 Option 2:Single stage TC+more swept volume for diesel like response 內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.重型氫內燃機后處理技術Source：

31、Simon Mills，Heavy Duty Hydrogen ICE:Production Realisation by 2025 and System Operation Efficiency Assessment。IMechE Powertrain Systems for Net-Zero Transport 7th December 2021 內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.國內外氫發動機研發最新動態 豐田水冷式氫內燃機專利（發動機進氣口噴水閥發動機進氣口噴水閥）襄陽達安汽車檢

32、測中心與華中科技大學成立低碳發動機聯合實驗室（220kW220kW內測試能內測試能力，包括性能、整機及部件可靠性和耐久性，關鍵技術攻關等）力，包括性能、整機及部件可靠性和耐久性，關鍵技術攻關等）航天三菱首款氫內燃機（研發研發4K31THDI4K31THDI氫內燃機在天津大學點火成功氫內燃機在天津大學點火成功）康明斯氫內燃機首次應用于混凝土攪拌車（X15HX15H氫內燃機氫內燃機）泰勒機械和康明斯計劃整合氫內燃機（康明斯康明斯6.7L6.7L和和15L15L氫內燃機納入泰勒產品計劃氫內燃機納入泰勒產品計劃）一汽解放氨氫融合直噴零碳內燃機點火成功（6 6月月2828日，液氨缸內直噴燃燒、高中壓電日

33、，液氨缸內直噴燃燒、高中壓電控雙直噴、氫裂解與處理耦合控雙直噴、氫裂解與處理耦合）吉利動力自主研發氫內燃機熱效率突破46%（最大功率（最大功率110kW110kW，轉矩，轉矩230N.m230N.m）東風馬赫動力氫內燃機（80kW/170N.m，熱效率，熱效率45.04%，氫專用高效可變截面渦輪增，氫專用高效可變截面渦輪增壓、壓、DI、高爆壓控制優化、主動式曲軸箱通風）、高爆壓控制優化、主動式曲軸箱通風）HD現代氫內燃機（功率（功率300kW，搭載賀爾碧格制造，搭載賀爾碧格制造H2PFI燃料噴射器，計劃燃料噴射器，計劃2025量產）量產）中國首款四座氫內燃機飛機成功（3月月25日沈陽首飛，一汽

34、研發日沈陽首飛，一汽研發2.0L增壓直噴，高壓氫態增壓直噴，高壓氫態儲氫儲氫4.5kg，巡航速度，巡航速度180km/h，最高熱效率，最高熱效率43%，綜合大于，綜合大于40%，留空時間，留空時間1小時）小時）印度首款氫內燃機重卡（汽車制造商（汽車制造商Ashok Leyland和信實工業有限公司發布氫重卡）和信實工業有限公司發布氫重卡）來源：2023年10月10日，氫能之家報道0303氫內燃機應用的關鍵技術內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料內燃機非正常燃燒-燃震燃燒特點:在完成點

35、火后，氣缸末端混合氣在火焰前鋒面還沒有到達之前而發生的燃燒，末端混合氣的自燃現象，是一種非正常燃燒。影響因素：壓縮比、轉速、當量比、缸內氣體的溫度、缸內湍流等。內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料內燃機非正常燃燒-回火回火是氫發動機在進氣過程中，氣道內的混合氣被高溫廢氣或者熱表面引燃的一種不正常燃燒現象，回火主要發生在氣道噴射氫發動機中。原因：a.進氣門剛開啟時進氣管內產生回火，主要是由于高溫廢氣、后燃混合氣和高溫熱點點燃的；b.進氣門快關閉時進氣管內產生回火，主要是由于早燃的不斷提

36、前所引起的。Gao J,Wang X,Song P,et al.Fuel,2022,307:121553.影響因素：噴氫正時（進氣門早開或晚關）、噴氫系統結構、進氣系統結構和點火源。內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料內燃機非正常燃燒-回火 氫氣噴射時刻 噴射時刻過早，在氣門開啟時，閥座附近形成富氫區；噴射時刻過晚，部分氫氣未進入缸內，閥座附近形成富氫區；當量比 高當量比時燃燒速度較快，缸內殘余廢氣溫度較高；高當量比時，點火能量也較低；壓縮比 高壓縮比時，燃燒溫度高，殘余廢氣溫度較高

37、；低壓縮比時，缸內殘余廢氣較多Gao J,Wang X,Song P,et al.Fuel,2022,307:121553.內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料內燃機非正常燃燒-回火 點火時刻 在高轉速、低負荷、稀燃時，點火時刻過晚可能會使燃燒持續至進氣行程中；同時點火時刻推遲也會使缸內殘余廢氣溫度升高；表面熱點 爆震 在進氣過程中，表面熱點引起早燃，火焰傳播到進氣道中引發回火 爆震產生的更多表面熱點，引發早燃并造成回火，同時增加了缸內殘余廢氣的溫度；抑制回火措施 優化氣門正時 優化

38、噴射正時 采用EGR技術 采用稀薄燃燒 噴水技術 阻火器Gao J,Wang X,Song P,et al.Fuel,2022,307:121553.內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料內燃機非正常燃燒-早燃發動機在進氣門關閉之后，新鮮混合氣在火花塞點火之前被缸內高溫熱點點燃的現象，熱點包括火花塞、排氣門、積炭、高溫壁面及其棱角等。影響因素：當量比當量比越靠近理論當量比時，氫混合氣的點火能量越低，在理論當量比的條件下運行時，發生早燃的概率顯著增加 表面熱點 火花塞電極 高溫排氣閥 缸

39、內殘余高溫廢氣Meske R,Schmidt K,Shiba H,et al.SAE Technical Paper,2023.Faizal M,Chuah L S,Lee C,et al.J.Mech.Eng.Res.Dev,2019,42(3):36-46.內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料內燃機非正常燃燒-早燃 火花塞異常放電氫火焰中離子濃度過低，離子電流過低，導致點火系統的剩余能量較高 爆震爆震時缸內燃燒溫度高，產生了更多的熱點，同時缸內殘余氣體的溫度也升高 氫氣噴射時刻（

40、DI）較晚噴射導致的局部混合氣濃度過高，引發早燃Gao J,Wang X,Song P,et al.Fuel,2022,307:121553.Rouleau L,Duffour F,Walter B,et al.SAE Technical Paper,2021.內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料內燃機非正常燃燒-早燃抑制早燃的措施 采用稀薄燃燒技術 采用冷型火花塞 減少點火系統中的殘余能量 采用注鈉排氣閥 改進發動機冷卻系統，降低表面熱點 優化氣門正時，降低殘余廢氣量 優化氫氣直噴

41、系統內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料內燃機非正常燃燒-爆震與早燃和回火的關系早燃時高溫氣體進入氣缸，導致壓縮燃燒結束時溫度較高，產生熱點，在下一個循環熱點點燃末端混合氣從而引發爆震爆震的產生導致缸內表面熱點增加，容易在下一個循環引發早燃，而早燃又引發回火，回火則促進爆震的產生三種異常燃燒現象相互作用，相互促進！Luo Q,Sun B.international journal of hydrogen energy,2016,41(36):16296-16305.內燃機燃燒學國家重

42、點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機非正常燃燒解決方法 采用EGR技術是抑制早燃和爆震的重要技術。當量燃燒的氫氣PFI+點火發動機，EGR率在25%-30%之間可以取得較好的效果（低于低于20%20%排溫降低不明顯，而排溫降低不明顯，而30%30%以上會使功率顯著降低以上會使功率顯著降低）；針對汽油機摻混氫氣的燃燒研究表明隨著氫氣替代率提高，合理EGR率范圍也隨著提高，才能較好地控制放熱速率。利用液氫的低溫冷卻吸入空氣的溫度，或將低溫的氫直接噴人氣缸是降低缸內溫度從而減少爆燃傾向，并消除早燃和回火的

43、有效手段。該方法的效果較好，缺點是液氫供氫系統價格昂貴，此外也受到發動機運動副的耐凍能力和循環工作情況的限制。針對噴氫正時和點火正時的耦合優化是抑制不正常燃燒現象的重要措施，在不同負荷下針對噴射正時的調整可以實現提升熱效率和降低氮氧化物排放，降低不可逆損失。內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫脆-定義及其表現特征氫脆：又稱氫致開裂或氫損傷，是一種由于金屬中氫引起的材料力學性能下降，發生開裂或損傷的現象 氫脆 氫脆的表現形式在生產過程中引入到材料的氫在材料內部應力集中處聚集，在遠低于屈服強

44、度的外加載荷作用下，材料發生的斷裂。一般發生在173373 K的溫度范圍內，在接近室溫時最為嚴重 內部氫脆：內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫脆-定義及其表現特征在含有大量氫的環境中，氫氣在金屬表面產生物理吸附，在金屬表面解離成為原子氫，然后進入金屬晶格的空位或者原子間隙，形成置換式活間隙式固溶體，從而是金屬材料脆化。外部氫脆在室溫附近也達到最大化環境氫脆（外部氫脆）：氫攻擊（氫腐蝕）：氫與金屬中的某些的成分發生化學反應，形成新的微觀結構元素或相，例如氫化物，或通過與積聚在金屬部件晶界

45、中的碳反應產生甲烷氣泡，導致空隙生長引起的失效。發生氫攻擊的溫度較高（超過200），且嚴重程度隨著溫度和壓力的增加而增加內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫脆-不同材料對氫脆的敏感度 對氫脆敏感程度較低的材料，如奧氏體不銹鋼、鋁及其合金、銅及其合金 對氫脆敏感程度較高的材料，如鐵，鎳，鈷，鈦及其這些金屬的合金來源：ISO/TR 15916 Basic considerations for the safety of hydrogen systems S:適合使用NS:不適合使用E:需要進

46、行評估以確定材料是否適合使用條件內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫脆-氫燃料內燃機中的氫脆 直噴式點燃氫發動機 噴油器主體材料為結構鋼，針閥和噴嘴材料為回火鋼（防止氫脆）Antunes J M G,Mikalsen R,Roskilly A P.An experimental study of a direct injection compression ignition hydrogen engineJ.International Journal of Hydrogen Energy

47、,2009,34(15):6516-6522.內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫脆-氫燃料內燃機中的氫脆 氫發動機耐久性試驗：耐久性試驗結果：對氣門進行沖擊試驗，表明氣門存在由氫脆引發的脆性斷裂 耐久性試驗中沒有出現發動機部件故障，表明氫脆不是主要問題 高強度鋼最容易受到氫脆的影響，但這些材料很少用于內燃機，特別是在進氣和燃燒區域 臺架試驗：發動機連續運行1000h，道路試驗：8臺搭載氫發動機皮卡車，運行三年，平均行駛24,000英里；Beauregard G.Findings of

48、Hydrogen Internal Combustion Engine DurabilityJ.office of scientific&technical information technical reports,2010.內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫脆-氫燃料內燃機中的氫脆 氫內燃機中易發生氫脆的部件燃燒系統，進氣系統、氫氣供給系統 缸蓋、活塞 氣門、進氣道 噴油器、氫軌 防止氫脆措施 耐氫脆材料；熱處理 涂層內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State

49、Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫脆-氫燃料內燃機中的氫脆 福特V10 6.8L氫氣發動機氫發動機部件材料缸蓋鋁活塞高溫鍛造鋁合金火花塞銥尖火花塞排氣歧管鑄造不銹鋼缸體鑄鐵連桿鍛鋼 耐氫脆零部件：耐氫脆噴嘴、耐氫脆氫軌；零部件表面采用低氫擴散性及溶解度的鍍涂層（Cu、Mo、Al、Ag）；熱處理：降低零部件對氫的溶解度。https:/ 長城預計2025年推出的氫氣發動機https:/ Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫燃料噴嘴氫燃料無鉑火花塞高膨脹比專用增壓器56氫燃料內燃機技術的挑戰-關鍵技術耐氫脆材料

50、專用后處理器0404氫內燃機在新型能源系統應用探討內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.能源轉換與輸運傳統能源體系以石化能源為主體天然氣工業建筑交通運輸發電石化能源 2020年，全球石化能源占總能源接近80%，我國石化能源占總能源近85%。終端用能58燃油內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.一次能源零碳化是新型能源體系發展的趨勢交通運輸一次能源零碳化建筑與居民生活工業能源載體與儲運變革綠

51、色燃料終端用能變革59綠電 終端用能載體依然是：電、燃料和氣（氫），但用能方式將會變革。內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.60新型能源體系的瓶頸電氣化程度（功率密度、總功率等）減小而增大！大規模穩定使用風光等可再生能源大比例不穩定的風光電如何上網？跨年度、季節可再生能源的穩定供給？終端難以電氣化的動力裝置對燃料的需求？氫是重要的可再生能源調節和儲能方式60內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin U

52、niv.氫和氫基燃料在新型能源體系發揮重要作用內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.電解水制氫、氫或氫基燃料發電調頻調峰和儲能利用棄電制氫、氫或氫基燃料發電調頻調峰成本低氫氣發電機組ALALK KPEMPEM電解水制氫可再生能源大電網負荷波動電源上網難調峰、儲能實現零碳電力合成燃料H2熱機發電綠色燃料62內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫或氫基燃料在零碳電力的應用方式燃料：直接燃氫、

53、氫基燃料，如甲醇或氨；燃料選擇取決于存儲時間周期、運輸的空間距離（儲運成本）發電裝置：鍋爐、燃氣輪機、內燃機、燃料電池；發電裝置選擇取決于終端能源的需求、全生命周期成本、技術成熟度、能源效率、生態環境63內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.可再生能源發電(renewable electricity)綠電制甲醇(methanol)甲醇儲存損失(storage loss)49.559.5%甲醇發電(methanol-electricity)3050%5060%100%14.829.7%可再生能

54、源發電(renewable electricity)綠電制氨(ammonia)氨儲存損失(storage loss)49.154.0%氨發電(ammonia-electricity)4060%5055%100%19.632.4%甲醇(methanol)氨(ammonia)液氫儲存時日蒸發率采用0.06%/d來計算The daily evaporation rate during liquid hydrogen storage is calculated using 0.06%/d可再生能源發電(renewable electricity)制氫并壓縮(comp.hydrogen)氣氫儲存損失(s

55、torage loss)0.03%/d(6個月)59.667.2%氫氣發電(hydrogen-electricity)4060%6371%100%23.840.3%可再生能源發電(renewable electricity)制氫并液化(liq.hydrogen)液氫儲存損失(storage loss)0.06%/d(6個月)49.154.4%氫氣發電(hydrogen-electricity)4060%54.760.6%100%19.632.6%氣態氫(comp.hydrogen)液氫(liq.hydrogen)存儲階段(storage)轉換階段(conversion)制取階段(product

56、ion)電燃料電不同路徑能源效率對比 氣態氫轉化為電效率最高，即制即用作為調頻調峰電源（Highest efficiency of compression hydrogen)64內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.內燃機發電效率較燃氣輪機發電更高，但其余熱回收少，其系統熱效率比燃氣輪機低。ICE has higher electricity eff.but lower CHP eff.than gas turbine.需求側熱電比和供應側熱電比是選擇發電方式的一個參數。如，低需求側熱電比，

57、則宜選用內燃機或燃料電池。Depends on scenario and demands 燃料電池高熱效率在低負荷。High efficiency of FC at low load運行工況(Work mode)柴油機（Diesel）燃氣內燃機(Gas ICE)燃氣輪機 Gas Turbine燃料電池(Fuel Cell)滿負荷效率%（Full load)35-4525-3520-3040%-60%(近下限）50%負荷效率(50%load)3023-3020-2540%-60%(中間）平均熱回收率%(Ave.WHR)164051Source：R.Golisano,et al.PUNCH Hyd

58、rogen Internal Combustion Engine&KERS:An Appealing Value-Proposition for Green Power PackC.42ndInternational Vienna Motor Symposium,2021.內燃機更適合作為調頻調峰電源-發電效率高65內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.H2-ICE與FCEV總效率相近 在中高輸出功率工況，當FCEV效率下降時，ICE效率在最高水平趨于穩定PUNCH Hydrogen Int

59、ernal Combustion Engine&KERS:An Appealing Value-Proposition for Green Power Pack氫內燃機熱效率-與燃料電池效率對比內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.對于分布式能源系統和調節電源，模塊化比大規模更有優勢。Modular generator for distributed system 由多臺內燃機組成的發電機組與大型聯合循環燃氣輪機相比，內燃機發電機組的負載調節范圍很廣，適合分布式能源以及風光電的調節電源。IC

60、E has broader load regulation range,suitable for distributed energyand serving as regulating power sources for wind and solar power.燃氣輪機發電很難做到模塊化。發電的工業燃氣輪機的功率為 100 350 MW，對其可以運行的低輸出范圍有限制。Its challenging to achieve modularityin gas turbine power generation.燃料電池受到其成本和可靠性的限制。（燃料電池成燃料電池成本本？，壽命小于壽命小于5000

61、5000小時小時，而內燃機大修時間而內燃機大修時間1 1萬萬5 5千小時以上千小時以上）瓦錫蘭模塊化內燃機發電機組內燃機更適合作為調頻調峰電源-模塊化靈活性好67內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.內燃機發電機組啟動速度快，不到5分鐘即可啟動，“熱啟動”條件下可在2分鐘內啟動并達到滿負荷。ICEs cold start within 5mins 航改燃氣輪機發電機可在10分鐘內啟動，但頻繁的快速啟動會增加維護成本。Gas turbines start within 10 mins,high

62、 maintenance cost.聯合循環燃氣輪機發電機啟動過程復雜，啟動需要50分鐘以上。CHP gas turbine start in 50mins.燃料電池發電啟動時間5-10分鐘。Fuel cell start in 5-10 mins.內燃機更適合作為調頻調峰電源-響應速度快68內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.內燃機燃料的適用性為氫和氫基燃料發電提供了良好的產業基礎。氫發動機基于燃氣發動機技術，工業基礎好項目名稱：貴州渝興瓦斯發電項目機組功率：141000kW配套：閉式冷

63、卻、集裝箱式發電機組交付時間：2023年4月。地點：貴州畢節內燃機更適合作為調頻調峰電源-工業基礎好69內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.發動機的有效熱效率超過了43%，通過進一步優化，氫發動機的效率將接近于柴油發動機的效率。The BTE exceeds 43%,the BTE of the hydrogen engine will be close to that of the diesel engine NOx排放可以滿足未來更嚴格排放法規。NOx emissions can me

64、et future stricter emission regulations。Source：The H2 Combustion Engine The Forerunner of a Zero Emissions Future氫發動機熱效率高MAN：H4576LF，Turbo-charge，Direct injection，368kW/2300Nm BTE3539374143.2國內某產品：國內某產品：內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.2023年5月，德國紐倫堡MAN發動機能力中心開始M

65、AN H3268氫發動機臺架測試。Bench test in Nuremberg center MAN E3268天然氣發動機同平臺開發，缸徑為132毫米，沖程為157毫米。Same platform with the gas engineMAN H3268氫內燃機，熱電聯產用固定式發動機 作為一種用于熱電聯產的固定發動機，它是第一臺在50赫茲下以1500轉/分的恒定速度運行的臺架試驗機型，主要用于歐亞目標市場，CHP總體效率約為90%。As a stationary engine for combined heat and power generation,it is the first t

66、est bench variant to be operated at a constant speed of 1,500 rpm at 50 Hz,which is primarily intended for Eurasian target markets.71內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.氫內燃機發電是負載電源，更適合于調峰調峰電源。氫內燃機投資成本低，投次1MW的氫內燃機發電機組成本300-400萬元，遠低于燃料電池，初步估算，利用光電制氫發電成本約0.4元/度，適合產業化推

67、廣應用，是目前儲能技術應用于新型能源系統最現實的技術之一。氫內燃機發電能源效率高，直接用氫發電效率可達到40%左右，充分利用余熱的綜合能源效率可以達到80%以上。氫內燃機發電可靠性好，其大修時間在1萬5千小時以上。對于長期儲能，氫可以轉化為甲醇或氨，只需要對內燃機略進行改造即可應用，具有較好的可擴展性，有利于推動氫和氫基燃料儲能逐步應用于新型能源系統。如氨氫一體是目前可再生能源國際上研究的前沿，目前推廣氫內燃機為將來的擴展奠定基礎。氫內燃機發電應用于調頻調峰的優勢72內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianji

68、n Univ.氨燃料電池與內燃機聯合循環熱電聯供21222324206161718191415132712354211110987CON 2CON 1EVAPTVSTRTRFCAECICEBTHX1DesorberREGHX2NH3NH3渦輪功率1848 kWICE 功率11145 kWFC 功率19.7 kW系統能源效率59.9%系統效率51.9%系統結合了DAFC技術以及以氨和氫為燃料的ICE，使用AEC電解氨氣為氫氣，余熱用來運行朗肯循環。Siddiqui O,Dincer I.Development and assessment of a novel integrated system

69、 using an ammonia internal combustion engine and fuel Cells for cogeneration purposesJ.Energy&Fuels,2019,33(3):2413-2425.內燃機燃料電池渦輪氨電解池AEC被用來分解氨氣(NH3)為成分氫氣和氮氣。氨分解而形成的氫氣用于內燃機氨-氫混合燃燒。燃料電池是堿性燃料電池，FC最低啟動溫度是-30，可以直接利用氨氣。蓄水罐STR用于吸收燃料電池未反應的氨氣，氨水稀溶液經換熱器HX1進入解吸器Desorber；解吸器Desorber吸收發動機廢氣余熱，通過解吸作用，得到氨水濃溶液7。再生

70、器REG將氨水濃溶液分離出多余的水分，得到濃溶液9(44.1)，在冷凝器CON1降溫到溶液10(40)，并利用節流閥TV將壓力從1555.8kPa降至244.9kPa(狀態點11，-14.1)。蒸發器Evap利用低溫氨水溶液提供制冷效果，離開EVAP后的氨水99.96%(狀態點12，-10)進入發動機參與燃燒。發動機廢氣離開解吸器Desorber的高溫廢氣通過換熱器HX2放出熱量參與蒸汽朗肯循環，HX2吸收廢氣熱量加熱STR中的水蒸氣，汽輪機TR內的高溫蒸汽推動葉輪做功，CON2吸收汽輪機出來的水蒸氣的熱量進行降溫，經過水泵加壓后進入下一循環。73內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點

71、實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.H2CH3OHCO2H2O電化學儲能綠電電網制氫甲醇儲能甲醇存儲 隨機性、間歇性的可再生電實現穩定的零碳電力輸出 甲醇儲能+電化學儲能/電解水制氫調峰/CO2循環/水和CO2循環利用發電機組基于CO2循環的燃料儲能發電（甲醇無氮燃燒）零碳新型能源系統構型與技術創新740505總結內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.總結氫燃料內燃機燃燒技術發展趨勢：分層稀薄燃燒與高壓缸內直噴的擴散燃燒，前者適用于中小功率氫發動機，后者是中大型氫內燃機提高熱效率重要技術途徑。氫燃料內燃機應用需要解決的關鍵瓶頸包括氫燃料系統、低熱慣量火花塞、耐氫脆材料、高效增壓器和專用后處理器。氫內燃機在新型能源體系中將發揮重要作用，作為可再生電力的調瓶調峰電源是近期氫內燃機最好的應用場景之一。內燃機燃燒學國家重點實驗室內燃機燃燒學國家重點實驗室State Key Laboratory of Engines,Tianjin Univ.引用北洋光影照片引用北洋光影照片Thanks for your attention!