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氢内燃机技术
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2021/8/23 8:08:05 阅读:361次 【字体:
 


氢内燃机技术
氢内燃机氮氧化合物NOx、氢内燃机的效率低、金属发动机带来“氢脆”、

1、氢内燃机在燃烧氢气时产生有害的氮氧化合物NOx
氢气燃烧哪儿来的氮氧化合物啊?
主要的原因是地球的空气中是含有氮气和氧气的,这两种气体常温下是不会发生化学反应的,但是被吸入内燃机后在高温高压的环境下就会产生化学反应,形成有害的NOX氮氧化合物。
实际上热力型氮氧污染物就是在高温、高压及富氧条件下产生的,而氢气燃烧的热值极大,几乎是汽油燃烧的三倍(这就是为什么火箭要用液态氢、而不用汽油,因为热值高),而氢气燃烧对氧气消耗还少,所以容易造成高温、富氧状态,结果把燃烧室剩余的氮气高温氧化成氮氧化物,从而造成了污染,这就是很尴尬的问题了!
但是,有人会说,汽油机同样是高温、高压和富氧条件啊,这种氮氧化合物在汽油机上也同样会产生呀,那为什么汽油机还能如此坚挺并普及了呢?
其关键就在于,汽油机上装载了一个叫三元催化器的玩意儿!
汽油机可以通过三元催化器,用同时产生的另外两种排放物HC和CO来作为还原剂,将NOX还原成无害的氮气N2和氧气O2
那氢内燃机上为什么不也装一个三元催化器呢,这样不就没问题了么?事实上,并不是想的那样。
氢内燃机中根本就不排放HC和CO,还原剂没有,即使装了三元催化器也无用武之地了。因此,NOX排放如何解决就成为一个比较头疼的问题。要知道NOX在柴油机上也会产生,并且是大众柴油排放作弊丑闻的核心问题,技术上是很难解决的。
宝马在氢内燃机中为了解决氮氧化合物NOX排放问题试图让氢内燃机在2倍空燃比的稀薄燃烧情况下运转,从而降低燃烧温度,抑制NOX的产生。不过这样会让氢内燃机的性能大幅下降,并且也仅仅是抑制了NOX的产生,并不能消除,同时又进一步放大氢内燃机能量密度低的缺点。
2、和氢燃料电池相比氢内燃机的效率低
本来氢气就很难存储,再加上活塞发动机固有的低效率。一般情况下发动机正常运行的热效率也只有40%左右(很多工况下是低于30%的),宝马氢内燃机的研究结果显示其最高的热效率也只有42%。
内燃机的能量损失主要包括以下几个部分
(1)废气带走的热量约占燃料总化学能的30%;
(2)冷却液带走的热量约占30%;
(3)机械损失、泵气损失、以及不完全燃烧的损失等约占8%;
现在内燃机的最大热效率大部分处于30%到40%之间。
这就会造成氢内燃机的续航成为一个大问题,而氢燃料电池的效率就高了很多,一般能达到60%,而且还没有发动机燃烧时不同工况下的效率区别。因此,从效率角度来看,氢燃料电池更具有竞争优势。
3、氢气的空燃体积比很低,要么燃烧不充分,要么动力不足
由于氢气的密度低,导致了在燃烧室中具有较低的空燃体积比。而汽油由于是液体,所占的体积较小,因此有很高的空燃体积比(如下图所示)。在既定空间下,空气越少,肯定是不利于燃料的燃烧的。特别是对于自然吸气发动机。
增加氢气供给,可以增加氢气占比,提升动力,然而空气不足就会带来燃烧不充分的难题。
若采用稀薄燃烧技术,虽然可以让氢气燃烧更充分,但是氢气占比将会更小,将会带来动力不足的问题。
4、氢气会给传统金属发动机带来“氢脆”问题
我们先来了解一下何为“氢脆”。

首先,大家都知道,金属材料都具备两个性能,其一是强度,其二是塑性。强度指的是在一定横截面积下、导致金属出现形变甚至断裂时,所需要力的大小;而塑性指的则是金属在断裂前,所能承受的最大变形量,可以简单理解成最大形变程度、突破了就断掉;所以要分清强度、以及塑性的差异,咱们的饭碗、花瓶是陶瓷做的对吧?强度极高、硬度极高,可摔在地上就会粉碎,为啥?就是因为塑性差,稍微产生一点形变、马上断裂!
氢脆通常表现为应力作用下的延迟断裂现象。
延迟断裂现象的产生是由于零件内部的氢向应力集中的部位扩散聚集,应力集中部位的金属缺陷多(原子点阵错位、空穴等)。氢扩散到这些缺陷处,氢原子变成氢分子,产生巨大的压力,这个压力与材料内部的残留应力及材料受的外加应力,组成一个合力,当这合力超过材料的屈服强度,就会导致断裂发生。氢脆既然与氢原子的扩散有关,扩散是需要时间的,扩散的速度与浓差梯度、温度和材料种类有关。因此,氢脆通常表现为延迟断裂。
而这所谓的氢脆现象,实际上就是氢分子对金属的一种侵蚀,拿一台氢内燃机来说,燃烧室一定会长期接触氢分子(富氢状态)、氢分子供应管路上的一切金属部件、储氢罐等,这些都会长时间处于富氢状态下,那么氢分子就会破坏金属的塑性,使得明明塑性优秀的金属材质变得极为脆弱;所以从理论上讲、长期使用的氢内燃机,不断受到氢脆现象的影响,其使用寿命会大幅弱于普通燃油发动机,且氢脆具有不确定性,很难监测,也很难提前预判,随着使用寿命的增加,随时都有炸缸的可能,从而带来一定的未知风险。

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