零排放的氢燃料发动机

概要

可再生能源：氢燃料发动机

随着汽车行业对节油、零排放技术的需求日益增加，可再生氢燃料被认为是一种很有前景的汽车储能形式。纯氢燃烧不排放温室气体CO2，而惰性气体可以代替氮消除NOx等环境污染物。因此，氢气燃烧有望同时消除碳排放和其他污染物排放。

此外，较高的比热比可以提高Otto循环的理论热效率，k = Cp / Cv，由下式可以确定，其中CR为压缩比。

因此，使用比热比较高的单原子工作气体如氩气，理论上可取得比以空气(氮气)为工作气体的常规内燃机高得多的热效率。图1给出了理论热效率与工作气体比热比的关系。当压缩比为10时，比热比从k = 1.4提高到k = 1.67，热效率相对提高约30 %。

图1 理论热效率

氢发动机GT仿真模型

为了验证GT – SUITE对闭环氩氢发动机进行建模的可行性，Gamma Technologies公司在最近发布的v2022 Build_1中建立并包含了该系统的模型。在示例模型‘Ar-H2 _ CloseCycle _ Engine’中，应用了几个先进的建模概念，包括燃烧产物的冷凝、从系统中除水和半预测的冷凝器模型。氩在系统中循环，氧气通过喷射器对象供给；氢气作为这个系统中唯一的燃料，直接注入发动机缸内。燃烧完成后，废气通过冷凝器将水蒸气转化为液态水，液态水随后从系统中排出。

闭环仿真的一个非常关键的方面是保证稳态解，这需要系统质量守恒。即要求在进入系统的质量和退出系统的质量之间保持平衡。否则，不断变化的系统质量将阻止仿真收敛于稳定的结果。因此，需要对氧气供给和氢气注入进行细致的控制，以保持模拟的稳定性。

图 2 Ar-H2循环发动机模型

实例模型模拟了工作气体中不同氩含量，即氩气与氧气混合物中氩气的比例。缸内气体的热效率和比热比随氩气含量的变化趋势如图3所示，与所述的理论一致。.

图 3 氩气对热效率的影响

总结

参考

Kuroki, R., Kato, A., Kamiyama, E., and Sawada, D., “Study of High Efficiency Zero-Emission Argon Circulated Hydrogen Engine,” SAE Technical Paper 2010-01-0581, 2010, https://doi.org/10.4271/2010-01-0581.