伍世智 邓院昌
中山大学智能工程学院 广东广州 510275
摘要：截止至2020年中旬，中国汽车保有量为2.6亿，其中新能源汽车保有量为440万，传统燃油车占比仍然在95%以上，汽车尾气目前已经 对环境造成了很大威胁。针对发动机在低转速时燃油燃烧效率低下的问题，在发动机进气口混入氢气，可以降低汽油机的能耗和排放，同时提升发动机的输出性能。在一台2.0升涡轮增压汽车上安装一套车载质子交换膜氢气系统，可实现氢气和空气在进气道混合再进入发动机与汽油一并燃烧，选择产氢速度以150ml/min, 300ml/min, 450ml/min与600ml/min的4种产氢量，对汽油机的燃烧与扭力输出进行了试验研究。 研究结果表明：在产氢量为450ml/min的工况下，与原机相比，在3000转/分钟以下的工况中，发动机的扭矩输出响应提前了30%，平均扭矩提升23%，随着进气中氢气量的增加，发动机的着火滞燃期和燃烧持续期缩短，燃烧峰值压力也增加，HC和CO排放明显降低。掺氢内燃对改善发动机性能有显著效果。
关键词：内燃机；汽油；混氢；氢气发生器；燃烧；性能；排放
1 研究背景及意义
1.1 汽油机燃油消耗率分析
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图1 汽油机燃油消耗率曲线图
图1是发动机燃油消耗率的特性图，发动机燃油经济性最好的区域是转速为2000转/分钟，扭矩为60牛米的工况下，燃油消耗率是215g/kwh, 是发动机油耗最低的区域，此时对应的汽车工况应该是在高速公路上保持80km/h-100km/h之间匀速时的工况。相比之下，从图中可知，发动机处于1000转/分钟-2000转/分钟，扭矩为10牛米-20牛米的工况下，发动机燃油消耗率为500g/kwh，此时汽车处于在市区路况频繁起步的状态，油耗很高。对比得知，汽车在高速路上匀速行驶时的油耗是在市区里行驶时的一半。
1.2 燃油消耗率存在差异的原因分析
深入分析，同一台发动机在两个不同的工况下有着截然不同的燃油燃烧效率。在保持发动机转速在2000转/分钟，输出扭矩在60牛米且匀速的状态下，发动机燃油燃烧效率最高。在市区路况频繁走走停停的工况下，发动机ECU的控制策略是在每一次起步都处于喷浓状态，也就是要多喷油，控制理念通俗来说是喷更多的汽油，让汽车先起步，起步之后再考虑燃油经济性的问题。但在市区路况里大部分时间都处于频繁起步的状态，导致发动机一直处于喷浓状态，燃油喷多了，因为是提速，所以燃油燃烧时间缩短，以致燃油燃烧效率低下，燃油浪费严重。所以驾驶员都会发现，在市区路况的油耗是在高速路况油耗的2倍以上。
实验表明，汽油的火焰传播速度在很大程度上制约着发动机在起步和提速工况下的燃油燃烧效率，由于汽油火焰传播速度比较慢，在发动机提速的过程中，极短的燃烧时间不能将喷射进发动机的汽油有效完全燃烧。
1.3 引入氢气助燃的背景分析
氢气是目前被认为最为环保高效的车用能源，氢能源的实际应用也是国家目前大力发展的方向。与汽油相比较，氢气的分子扩散速度是汽油的12倍，火焰传播速度是汽油的7.72倍，氢气与汽油的混合发动机可以利用氢气燃烧速度快、点火能量低这些特点来提高发动机的燃油燃烧效率并且降低排放，这非常具有发展前景。氢气在空气中的着火界限宽为4.1%-75%，为了避免混氢内燃机的回火，氢气的添加比例应控制在4%以内。在发动机中引入适量氢气，可以很大程度上提高发动机的燃油燃烧效率，节能减排的同时还能提升发动机的输出性能。我们的试验研究主要是针对目前国内外的存量车，目的是让这些燃油车提升汽油的燃烧效率，但因为是实际应用于汽车上，所以不宜采用过于复杂的混氢系统，简单高效的车载氢能系统是我们的研究目的。
2 车载电解水制氢的国内外研究现状
2.1 氢气的供给方式分析
氢气的来源一般有两种方式，一是气瓶储存式，在车上安装两个氢气罐，存储高压氢气以供发动机使用，但这种方式安全隐患较大，而且要加装和改动的东西太多，结构复杂，很难真正应用于汽车上，所以我们此处不多作讲述。二是采用电解水制氢的方式，车上安装一套车载制氢设备，实时电解水产生氢气和氧气以供发动机使用。
2.2 电解水制氢的方法分析
电解水制氢是传统的工业制氢方法，根据电解质的不同，电解水制氢可分三种方式：碱性电解水制氢，质子交换膜电解水制氢，固体氧化物电解水制氢。目前国内学者用得最多的是碱性电解水制氢，其结构简单，产氢效率高，但产生出来的氢气都含有水分，水分里亦会含有碱性化学物质，随氢气进入到发动机里，会对发动机的金属有很强的腐蚀性。
2.3 车载电解水制氢的应用案例分析
北京工业大学的汪硕峰和纪常伟在1.6升排量的现代轿车上进行掺氢氧试验。实验过程中氢气来源是通过碱性电解水制氢的方式获得。
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图2 车载电解水制氢机
车载碱性电解水制氢机，安放在汽车行李箱内，由水瓶，制氢机和储气瓶组成。
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图3 内燃机舱内的供氢系统
1 压力传感器；2 氢气轨；3 减压阀；4 氢气喷嘴；5 控制线束
这是氢气机产生氢气后供给发动机舱使用的布局，由压力传感器，氢气轨，减压器，氢气喷嘴和控制线束组成，氢气轨安装在进气歧管上，需要做到精准地把氢气喷射进燃烧室进行助燃。
以上系统体积庞大，结构复杂，耗能高，采用碱性电解水产氢的方式获得氢气，氢气中所含水分亦即含有碱性化学物质会对发动机的金属造成腐蚀。该系统离能够作为商用产品安装到存量车上使用还有很长距离。所以以上系统还只能停留在实验室研究阶段，不能广泛应用于社会车辆上。
3 质子交换膜电解水制氢系统的应用方法分析
3.1 车载质子交换膜氢气机可行性分析
考虑到车载制氢机应用于汽车上，应该以简单便捷高效的小设备形式加装在发动机舱内，达到高效产生干净氢气用以提升发动机燃油燃烧效率作用的同时，又呈现出简单美观的形象。我们研究采用了质子交换膜电解纯水制氢的方式，把车载制氢系统做了最大优化。
图4 氢气机与水壶的安装示意图
1 质子交换膜氢气机；2 蓄水壶
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图5 氢气进入发动机管路布局
1 水氢分离器；2 氢气管
质子交换膜电解纯水系统由质子交换膜氢气机，蓄水壶，水氢分离瓶，氢气进气管组成，利用发动机的剩余电量电解纯净水产生氢气和氧气，实时供给发动机进行助燃。该系统结构简单，体积小，方便安装在普通家用小轿车上；能耗低，氢气机的功率30瓦到80瓦，用电量少；设备只需加入引用纯净水，不需要任何添加剂或化学试剂，对发动机没有任何伤害。
4 试验结论
据试验数据所得，当氢气产气量为450ml/min时，汽车保持在2000rpm，扭矩为60牛米的工况下，燃油经济性提高了8.2%，HC和CO排量分别下降45%和30%。
氢气助燃对发动机性能影响分析
图6 发动机性能对比图
一 加装氢气系统后，在急加速的情况下，发动机响应更快，从 2300rpm 就开始有强劲的动力输出；而原车到 2640rpm 的时候才有动力输出。
二 中低转速的工况下，发动机的动力输出比起原车有明显的提升。转速在 2640rpm 时候，原车扭矩仅为 238.68 牛米，马力为 89.22 匹；带氢气的状态下扭矩提升到 293.70 牛米，马力提升至 109.71 匹。动力提升 23% 。
5 混氢内燃机技术的展望
存量车状况普遍存在旧车车况堪忧，油耗高，性能差，排放超标的现象，当前全国汽车保有量为2.6亿，虽然国家已经出具严格的排放标准控制新车的排放，但是存量车的尾气依然得不到改善，目前市面上能解决汽车以上问题的产品几乎为零，混氢内燃技术可以有效缓解以上问题，理应将车载氢气系统进行商用化，再配以高精度的电脑后台算法，根据氢气量大小以及驾驶员的驾驶习惯，精准控制发动机的喷油时刻和点火时刻以及变速箱的换挡时刻，让发动机的燃油燃烧效率得到最大限度的提升。
参考文献
[1]汪硕峰 掺氢汽油机燃烧与排放特性的试验研究[D]. 北京工业大学，2013
[2]余梦辉 搭载电解水制氢机的汽油机及整车的性能研究[D] 北京工业大学， 2017
[3]饶广龙 氢能汽车动力系统的性能研究和改进[D] 上海交通大学，2013