日本开发成功氢燃料发动机技术,大功率、高热效率、低排放

环境能源 2018年05月29日
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日本产业技术综合研究所(简称:产综研)与日本冈山大学、东京都市大学、早稻田大学组成的研发小组,在小型发动机的基础实验中,利用氢燃料优异的燃烧特性确立了新的燃烧方式,成功开发出了全球首款能实现高热效率和低NOx的火花点火氢燃料发动机。

此次开发的技术设定了两个目标:(1)使基于低热值的净热效率达到50%(按发动机气缸排量33.9L、输出功率600 kW的大型燃气发电机组换算)以上;(2)在不采用后处理装置的情况下,使NOx排放值降至20ppm以下。

本研究由上述研发小组与川崎重工业、日本海上技术安全研究所(简称:海技研)和前川制作所共同实施(图1)。

研发小组确认,此次开发的氢燃料发动机输出功率实现了前所未有的平均有效压力(1.46MPa),可作为大型发电用发动机和船舶用发动机使用。未来能利用可再生的一次能源制造氢后,这项技术便可为防止地球变暖、保护空气环境等做出贡献。

研究人员此前也一直在推进氢燃料发动机的研究,但存在虽然氢燃料的燃烧特性出色,但热效率较低,高负荷运转时会产生大量NOx的问题。此次采用了东京都市大学提出的过浓混合气点火燃烧方式(PCC燃烧),向燃烧室喷射的氢燃料,在其喷流分散前呈块状时便使其燃烧,由此成功减少了燃烧室壁面附近的燃烧(图2)。另外,通过燃烧气体温度较低的稀薄混合气体控制了氢气浓度,避免了燃料块生成的NOx增加,还优化了喷流的形状和点火时间,从而成功减少了NOx的产生。

除此之外,还结合通过排气再循环(EGR)抑制NOx生成的方法,采用试验用小型单缸发动机,达成了54%的热效率,这一数值远高于目前以天然气为燃料的全球最高效率的发电用大型发动机。最终,NOx的排放量达到了20ppm以下的目标,提高了CO2和微颗粒物排放量接近零的氢燃料发动机的清洁度,向实现零排放又迈进一步(图3)。

另外,产综研利用专门设计的可降低冷却损失的燃烧室,通过EGR和进气增压实现了低NOx及高热效率,同时还实现了高输出功率,使指示平均有效压力达到以往的氢燃料发动机从未有过的1.46MPa(图3)。如果在PCC燃烧条件中设定喷射时间、进一步优化发动机的设计,还有望进一步提高热效率和输出功率。

<参考图>

高压直喷火花点火氢燃料发动机系统的构成及研发分工(最终系统的设想图)和目标性能

图1:高压直喷火花点火氢燃料发动机系统的构成及研发分工(最终系统的设想图)和目标性能

研发中使用的PCC(过浓混合气点火燃烧)的喷流示意图及火焰照片

图2:研发中使用的PCC(过浓混合气点火燃烧)的喷流示意图及火焰照片
·(左)过浓混合气点火燃烧的喷流块示意图
·(右)控制的传播火焰

氢燃料发动机的高热效率和低NOx排放性能,以及通过增压和EGR进一步提高输出功率的效果

图3:氢燃料发动机的高热效率和低NOx排放性能,以及通过增压和EGR进一步提高输出功率的效果

文 客观日本编辑部

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