陳之立

關(guān)鍵詞：氬氣閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)；CO2零排放發(fā)動(dòng)機(jī)；熱效率；燃料電池車

為了21世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)碳中和，汽車零排放的進(jìn)程正在加速，多國政府制定政策禁止銷售包括混合動(dòng)力的使用發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛。比如荷蘭和挪威在2025年，德國和瑞典在2030年，法國和英國在2040年，日本在2050年將禁售使用發(fā)動(dòng)機(jī)的乘用車。內(nèi)燃機(jī)如果想不被時(shí)代所淘汰，必須解決CO2排放問題，即實(shí)現(xiàn)CO2零排放。目前的可選項(xiàng)是不排出CO2的氫發(fā)動(dòng)機(jī)，氨氣發(fā)動(dòng)機(jī)，或運(yùn)行時(shí)排出但綜合結(jié)果不排出CO2的e-fuel發(fā)動(dòng)機(jī)。

除了CO2排放問題，各國政府急于淘汰發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)原因是發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率低而造成的能源消耗問題。以汽油機(jī)為例，目前的最高有效熱效率大約為40%，這明顯低于電動(dòng)車或燃料電池車的50%～60%。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率低也會(huì)使消費(fèi)者逐漸疏遠(yuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)車。以日本為例，從2010年起日本國內(nèi)的新車銷售冠軍一直被混合動(dòng)力車占據(jù)，已經(jīng)連續(xù)12年。其原因就是混合動(dòng)力車的油耗只有一般燃油車的一半，雖然車輛價(jià)格要高出大約20%，仍然得到廣大消費(fèi)者的認(rèn)可?？梢娤M(fèi)者是多么重視汽車的經(jīng)濟(jì)性，即使沒有CO2排放問題，發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)因熱效率低敗陣于電動(dòng)車。

短期內(nèi)使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率提高到電動(dòng)車或燃料電池車的水平非常困難，何況還要同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2零排放，于是氬氣（Ar）閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生了，或者說是重新走上歷史舞臺(tái)，因?yàn)槠鋵?shí)這種發(fā)動(dòng)機(jī)的概念從被提出到現(xiàn)在已經(jīng)有70多年的歷史了，只是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率沒有如此的迫切要求提高而未曾進(jìn)入人們的視野。由于Ar的比熱比高于空氣，以Ar為工質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率可以有較大提升。以Atto循環(huán)為例，式（1）給出了其理論熱效率為：

圖1給出了Atto循環(huán)的壓縮比和理論熱效率關(guān)系的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，在壓縮比一定的條件下，壓縮比為10的汽油機(jī)，空氣循環(huán)和Ar循環(huán)的理論熱效率分別為60.2%和78.1%，即Ar循環(huán)可提高29.7%。如果按這個(gè)比例計(jì)算，當(dāng)前的汽油機(jī)40%的最高有效熱效率將直接提升到51.9%。

圖2給出了Ar閉循環(huán)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。將發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管與進(jìn)氣管相互連接形成封閉系統(tǒng)并在適當(dāng)位置安裝冷凝器。事先將Ar封入封閉系統(tǒng)中，運(yùn)行時(shí)向封閉系統(tǒng)中供給氧氣，Ar及氧氣作為工質(zhì)。向氣缸內(nèi)或進(jìn)氣道內(nèi)供給氫氣并與工質(zhì)形成混合氣，壓縮點(diǎn)火或火花塞點(diǎn)火使混合氣燃燒做功。廢氣經(jīng)過冷凝器的冷卻后溫度降至100℃以下，分離出廢氣中的水分并排出封閉系統(tǒng)外。分離水分后的Ar以及未燃燒完全的氫氣或未使用完的氧氣作為循環(huán)氣體，在補(bǔ)充新的氧氣后再次作為工質(zhì)利用，如此反復(fù)。

Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)一般只能使用氫氣作為燃料而不能使用含碳燃料或氨燃料。原因是含碳燃料或氨燃料的廢氣中的CO2或N2需要分離出去，而CO2或N2的分離設(shè)備目前尚未能夠滿足車載的尺寸和重量的小型化要求。另外，Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)需要供應(yīng)純氧，這似乎是閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的最大障礙。作為解決方案，可以考慮安裝車載氮氧分離器制備氧氣或用氧氣罐攜帶氧氣。雖然目前氮氧分離器可制備純度99.9%以上的氧氣，但設(shè)備的尺寸和重量較大，而且需要將空氣壓縮至5MPa而消耗較多能量，因此只適合大型車輛。在乘用車上只能使用高壓氧氣罐攜帶純氧。此外還要考慮氧氣的生產(chǎn)及流通如何解決。氧氣的生產(chǎn)可以利用光伏發(fā)電電解水生產(chǎn)綠氫時(shí)附帶產(chǎn)生的氧氣，氧氣的流通可與氫氣的貯藏、運(yùn)輸、銷售合并。所以可以認(rèn)為，如果提早做出規(guī)劃，那么在加氫站普及的同時(shí)“加氧”問題也可以得到解決。

攜帶氧氣罐所產(chǎn)生的車輛內(nèi)部空間的減少和車輛成本提高以及需要“加氧”產(chǎn)生的運(yùn)行成本提高，在發(fā)動(dòng)機(jī)能否繼續(xù)生存的問題面前應(yīng)該算是小事。只要認(rèn)識(shí)到除了走Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)這條路以外發(fā)動(dòng)機(jī)有可能在不遠(yuǎn)的將來被淘汰，即使花費(fèi)一點(diǎn)成本和努力也是值得的。以卡車的尿素水搭載為例，大約在1986年，有人提倡使用氨選擇接觸還原法（selectivecatalyticreduction，SCR）降低氮氧化物排放的時(shí)候，很多科研人員和企業(yè)的研發(fā)人員都認(rèn)為這個(gè)技術(shù)不會(huì)普及，難道卡車除了加柴油還要“加尿素”嗎。但時(shí)至今日由于排放法規(guī)過于嚴(yán)格，其他技術(shù)都無法滿足NOx排放要求，只剩下SCR法一條路的時(shí)候，卡車和公交車以及工程機(jī)械的尿素水的搭載已成為常識(shí)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)被逼到將被淘汰的地步，“加氧”說不定也會(huì)成為常識(shí)。

1Ar閉循環(huán)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展史及研究動(dòng)向

1948年11月2日，美國馬薩奇特斯州Weston鎮(zhèn)的F.M.Lewis向美國專利局申請(qǐng)了“內(nèi)燃機(jī)的閉循環(huán)運(yùn)行方法[1]”。這是世界上最早的Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的專利。圖3給出了該系統(tǒng)的示意圖。

內(nèi)燃機(jī)燃燒中使用的氧氣由液化氧供給，利用液化氧的氣化熱冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣，使廢氣中的CO2液化并除去。另外，如圖3所示，除了用于CO2液化的冷凝器以外，還配置預(yù)冷器，在向進(jìn)氣管導(dǎo)入循環(huán)氣體之前，使循環(huán)氣體與廢氣進(jìn)行熱交換，防止循環(huán)氣體的溫度過低。關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)在何種場(chǎng)合下需要使用液化氧，以及為什么必須將CO2去除，在專利中沒有給出相關(guān)信息?？赡苁轻槍?duì)應(yīng)用于潛艇發(fā)動(dòng)機(jī)并使用汽油或柴油為燃料。此外，該專利表述不使用純氧而應(yīng)該使用商業(yè)液化氧。其理由是不僅商業(yè)液化氧比較便宜，而且其中含有0.3%的Ar，如果使其積蓄起來的話，濃度可達(dá)到20%，可以作為工質(zhì)使用。由于Ar分子量較大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率較高。另外，由于Ar是單原子，比熱比較高，因此熱循環(huán)的熱學(xué)效率可得到提高，并在專利中給出了Brayton定壓循環(huán)的理論熱效率公式。該專利沒有給出有關(guān)是否進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的信息。因此可以認(rèn)為該專利只是在原理上敘述了閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及熱效率優(yōu)勢(shì)。

1976年，J.C.Fletcher根據(jù)E.A.Lauman等在美國宇航局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）的職務(wù)發(fā)明，申請(qǐng)了“氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)”專利[2]，并于1978年獲得專利。如圖4所示，該發(fā)明以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化物和提高熱效率為目的，提出了利用Ar等惰性氣體作為工質(zhì)的，燃料為氫氣的內(nèi)燃機(jī)。該專利的內(nèi)燃機(jī)為壓縮點(diǎn)火方式。發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣實(shí)質(zhì)上不含污染物質(zhì)，只有水蒸氣和惰性氣體。廢氣通過冷卻將水分離出去只剩下惰性氣體，再向惰性氣體中添加氧氣，返回發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)利用。惰性氣體還具有在運(yùn)行中從外部補(bǔ)償損失的功能。該專利的所謂惰性氣體涵蓋所有單原子惰性氣體He、Ne、Ar、Kr、Xe。Kr的熱傳導(dǎo)率最低，有利于冷卻損失的降低可作為首選，但Kr在空氣中僅存在萬分之一，因此空氣中的濃度為1%的Ar是最實(shí)用的。該專利指出壓縮比為16，單原子氣體的比熱比為1.6，理論熱效率可達(dá)到78%，而空氣的比熱比為1.4，理論效率約為63%。但是實(shí)際上這個(gè)壓縮比是無法應(yīng)用在Ar發(fā)動(dòng)機(jī)上的。該專利給出的理由是這么高的壓縮比會(huì)造成急劇燃燒和高溫，以至于損傷發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，不能在理論空燃比條件下運(yùn)行。該專利還具有除去潤滑油的燃燒產(chǎn)生的CO2及未燃烴的機(jī)能，也可除去霧狀潤滑油。該專利還設(shè)想了為了提高燃燒效率而過剩供給氧氣，過剩的氧氣可循環(huán)利用；還提出了太陽光發(fā)電裝置以及水電解裝置的設(shè)想。晴天時(shí)太陽光發(fā)電裝置向用戶輸電，并利用多余的電力在水電解裝置中產(chǎn)生氫氣和氧氣并儲(chǔ)存在耐壓容器中，在多云的白天和夜間等必要時(shí)供應(yīng)給發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。而且發(fā)動(dòng)機(jī)生成的水與惰性氣體分離后在水電解裝置中被循環(huán)利用。這實(shí)際上就是今天提倡的綠氫制造和利用以及晝夜電力供需缺口調(diào)整系統(tǒng)，很難想象這是46年前的人提出的方案。但是遺憾的是該專利只停留在設(shè)想階段，并沒有證據(jù)顯示該專利有臺(tái)架試驗(yàn)的記錄。

1978-1980年，永井蔣等[3-4]（日立造船）報(bào)告了一系列閉循環(huán)柴油機(jī)的研究成果。這些研究的目的是研發(fā)一款可以在潛艇或海洋科學(xué)研究的水下或地下用的發(fā)動(dòng)機(jī)。廢氣中的水蒸氣通過廢氣冷卻器除去，CO2通過化學(xué)吸收法除去。CO2氣體吸收液的吸收性能及吸收裝置的尺寸是最大的難點(diǎn)。雖然文獻(xiàn)中沒有明確說明吸收液的使用量，但是根據(jù)文獻(xiàn)[4]所示的吸收液的損失數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為28.5kW，吸收劑為單乙醇胺（MHA），吸收方法為洗氣法，廢氣的處理能力為129m3/h，CO2質(zhì)量為22.6kg/h，吸收劑的平均恢復(fù)時(shí)間為5h時(shí)，需要383kg吸收液，可知需要相當(dāng)大的吸收裝置。該研究報(bào)告還指出，由于該發(fā)動(dòng)機(jī)可以在完全密閉的狀態(tài)下運(yùn)行，因此除了氮?dú)庖酝?，Ar、氦氣、CO2、水蒸氣也可以成為工質(zhì)，并通過計(jì)算預(yù)測(cè)了將工質(zhì)置換為Ar或氦氣時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。由于Ar和氦氣的比熱比比氮?dú)飧?，壓縮上死點(diǎn)的壓力和溫度顯著上升，所以計(jì)算結(jié)果顯示，如果用空氣運(yùn)行時(shí)的熱效率為1的話，Ar為1.15，氦氣為1.19。但遺憾的是文獻(xiàn)中沒有給出臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

同是1980年，Cornell大學(xué)Sibley分校，機(jī)械和航空航天工程學(xué)院的P.C.T.DeBoer等[5]對(duì)Ar閉循環(huán)氫發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。其主要目的是驗(yàn)證這種發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，熱效率能否大幅提高，敲缸和過早點(diǎn)火等問題是否嚴(yán)重。氫氣、氧氣和Ar的預(yù)混合氣體被供給到美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（AmericanSocietyforTestingMaterials-CooperativeFuelResearch，ASTM-CFR）單缸發(fā)動(dòng)機(jī)，Ar為一次性使用，不進(jìn)行循環(huán)。該研究得到了與Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件，熱效率以及輸出功率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：如果Ar濃度高于75%，則指示熱效率有顯著改善。例如，在壓縮比為7的條件下，Ar濃度為90%，指示熱效率約為50.5%，空氣工質(zhì)運(yùn)行壓縮比8時(shí)指示熱效率為37%，即Ar運(yùn)行提高了36.5%。該研究指出：由于爆震，不得不降低壓縮比，點(diǎn)火延遲也無法充分提前，因此無法得到最佳的熱效率。在壓縮比為10的條件下，雖然能夠運(yùn)行，但由于發(fā)生了嚴(yán)重的爆震，不得不使點(diǎn)火延遲大幅滯后，輸出功率和熱效率因而降低，Ar運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)消失殆盡。該項(xiàng)研究給出在Ar濃度為60%時(shí)，不發(fā)生爆震的壓縮比為5.5～7.0，指示平均有效壓力達(dá)到最大值的0.65MPa。該研究的結(jié)論是，Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)無法避免爆震，從根本上解決爆震問題的唯一方法是缸內(nèi)氫氣直噴。在作者的文獻(xiàn)調(diào)查所得到的信息中，該研究是世界上首次的Ar閉循環(huán)氫發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)。

1982年，M.Ikegami等[6]（京都大學(xué)工學(xué)部）報(bào)告了Ar閉循環(huán)氫氣壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的研究結(jié)果。氫氣的壓縮點(diǎn)火非常困難，即使將壓縮比提高到29，也需要先導(dǎo)噴射和電熱塞等點(diǎn)火輔助方法。如果將工質(zhì)改為Ar，由于Ar的比熱比高，比熱小，壓縮溫度高，那么壓縮比12.3就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的氫氣的壓縮點(diǎn)火。壓縮比為16.0時(shí)，指示熱效率達(dá)到49%。但由于防漏型氫氣噴嘴的性能限制，壓縮比無法進(jìn)一步提高。由于壓力上升率的限制，必須隨著負(fù)載的上升，延遲噴射時(shí)期。噴射時(shí)期延遲到上止點(diǎn)前（beforetopdeadcenter，BTDC）1.2°時(shí)，平均有效壓力（brakemeaneffectivepressure，BMEP）達(dá)到0.94MPa。當(dāng)然，由于熱發(fā)生率重心延遲，因此犧牲了熱效率。無論如何，該研究顯示了Ar閉循環(huán)氫氣壓縮點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的可能性。另外，該研究是日本國內(nèi)首次對(duì)Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)證研究。

1995-1997年，石田裕幸等[7]（三菱重工）報(bào)告了單原子氣體閉循環(huán)壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的研究成果。該項(xiàng)研究是受新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（TheNewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization，NEDO）委托進(jìn)行的。從研究報(bào)告的表述和引用的文獻(xiàn)推測(cè)，該研究沒有參考池上等人的研究，又一次提出了Ar閉循環(huán)氫氣壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的方案。并于1997年申請(qǐng)了專利，1999年獲得專利[8]。其特點(diǎn)是把渦輪增壓器安裝在封閉管路上。另一個(gè)特征是將廢氣中的水蒸氣冷凝液化，排出系統(tǒng)外，同時(shí)把過剩供給的工質(zhì)也排到系統(tǒng)外。該系統(tǒng)不需要供給或補(bǔ)充Ar，而是使供給氧氣中存在的Ar在發(fā)動(dòng)機(jī)閉循環(huán)系統(tǒng)中不斷循環(huán)濃縮。如果氧氣中存在的氮濃度低于Ar濃度，則閉循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的氮濃度低于Ar濃度，該項(xiàng)研究提出用廢氣渦輪回收工質(zhì)的剩余能量，驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電機(jī)，以提高熱效率，同時(shí)，由于渦輪機(jī)的膨脹，工質(zhì)的壓力和溫度降低，因此可以減小冷凝器的傳熱面積。遺憾的是，該研究沒有進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。通過計(jì)算，該項(xiàng)研究指出與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，指示熱效率可以提高20%。

2004年9月，三谷信一等（豐田汽車公司）申請(qǐng)了“工質(zhì)循環(huán)氫發(fā)動(dòng)機(jī)”的專利[9]，并于2006年3月獲得專利。該發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理與以往的Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相同，燃料為氫氣，工質(zhì)為Ar和氧氣，通過冷凝器將廢氣中的水分離排出。2006年2月申請(qǐng)了周邊專利[10]，2007年9月獲得專利。在該專利中，追加了CO2吸收分離除去的機(jī)能。當(dāng)循環(huán)氣體中含有的潤滑油燃燒產(chǎn)生的CO2濃度達(dá)到規(guī)定濃度以上時(shí)即觸發(fā)CO2分離除去機(jī)能。此外，2008年4月申請(qǐng)了周邊專利[11]，2009年11月獲得專利。在該專利中，追加了除去未燃?xì)錃庖约拔词褂醚鯕獾墓δ?。因?yàn)槿绻h(huán)Ar中氫氣或氧氣大量存在，則工質(zhì)的比熱比降低，壓縮終點(diǎn)溫度及壓力降低，因此熱效率降低。此外，三谷信一等還申請(qǐng)了三項(xiàng)外圍專利。

在申請(qǐng)了上述一系列專利后，三谷信一等在2008—2013年發(fā)表了一系列研究報(bào)告，包括氫氣預(yù)混合火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、缸內(nèi)直噴式壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、用于分離Ar和水的冷凝器的容量以及Ar循環(huán)時(shí)潤滑油燃燒產(chǎn)生的CO2積蓄、指示熱效率等[12-14]。

首先，如圖5所示，三谷信一等在氫氣預(yù)混合火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的報(bào)告中[12]，給出了在Ar非循環(huán)利用時(shí)，把氫氣和氧氣混入Ar的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

由于溫度上升導(dǎo)致過早點(diǎn)火和燃燒速度上升，因此，發(fā)生了劇烈的爆震。雖然通過嘗試進(jìn)氣門的延遲關(guān)閉以降低實(shí)際壓縮比，推遲點(diǎn)火延遲角，降低氧氣濃度，以及避免氫氣濃度的理論混合比運(yùn)行等對(duì)策，但從圖中可以看出，缸內(nèi)壓力震動(dòng)依然非常嚴(yán)重，不僅推遲點(diǎn)火延遲角對(duì)降低爆震幾乎沒有效果，反而由于推遲點(diǎn)火延遲角犧牲了熱效率，最大指示熱效率僅為29%。在把氫氣預(yù)混合變?yōu)闅錃飧變?nèi)直噴，并把火花點(diǎn)火變?yōu)閴嚎s點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)了氫氣擴(kuò)散燃燒后，解決了爆震問題。通過氫氣缸內(nèi)直噴的壓縮比的優(yōu)化，噴孔數(shù)的增加以及噴射率的增加，最高指示效率達(dá)到54.0%（如圖6所示）。

在后續(xù)報(bào)告文獻(xiàn)[13]中，介紹了分離水蒸氣的冷凝器的設(shè)計(jì)及性能實(shí)驗(yàn)及冷凝器性能的驗(yàn)證。另外，該研究中實(shí)現(xiàn)了Ar的循環(huán)利用，并且，給出了Ar循環(huán)運(yùn)行時(shí)潤滑油燃燒產(chǎn)生的CO2積蓄以及完全封閉運(yùn)行時(shí)Ar中CO2的濃度變化。但是由于噴嘴的噴射壓力的制約，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)限定為火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。

在后續(xù)報(bào)告文獻(xiàn)[14]中，介紹了壓縮點(diǎn)火燃燒的實(shí)驗(yàn)，使指示熱效率達(dá)到50%。另外，為了降低冷卻損失，從型腔活塞變更為平頂活塞。如果噴流碰到壁面，就會(huì)增加熱通量，因此為了避免這種情況，將噴射方向變更為中央噴射，采用了噴霧貫通距離短的24噴孔噴嘴。通過這些改良，作為小型發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了至今為止未達(dá)到的極高的指示熱效率60.9%（如圖7所示）。

但是，如圖6和圖7所示，雖然達(dá)到了很高指示熱效率，但都是輕負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[12]的平均指示壓力（IMPE）僅為0.12～0.31MPa，雖然在文獻(xiàn)[13-14]中沒有明確記載負(fù)載信息，但是對(duì)于500cm3的排量（2L的4缸發(fā)動(dòng)機(jī)中一個(gè)氣缸的排量），氫氣噴射量僅為每循環(huán)2.3mg（如圖7所示），因此可以推測(cè)為輕負(fù)載。在高負(fù)載下，缸內(nèi)壓力上升率相當(dāng)高，產(chǎn)生急劇的燃燒和較高的冷卻損失，因此不得不降低壓縮比；但是如果降低壓縮比，理論熱效率就會(huì)降低，Ar帶來的優(yōu)勢(shì)就會(huì)減弱，因此，只能降低負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也就是說爆震問題并沒有得到實(shí)際解決。因此，今后Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)課題是如何維持壓縮比的同時(shí)，控制燃燒速度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載。

2012年，京都大學(xué)MohdRadziAbuMansor等[15]與豐田合作，報(bào)告了Ar噴霧噴射的點(diǎn)火特性。主要結(jié)果是：關(guān)于噴霧前端速度，Ar環(huán)境下的氫噴霧到達(dá)氣缸壁的速度比氮?dú)鈿夥障侣?；關(guān)于點(diǎn)火的溫度依賴性，空氣表現(xiàn)出同樣的傾向，高溫時(shí)點(diǎn)火延遲較短，低溫下點(diǎn)火延遲較長；點(diǎn)火的壓力依賴性也與空氣相同，具有壓力和負(fù)依存性。

2010年，NickJ.Killingsworth等[16]使用單缸可變壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，比較了以氫氣為燃料的Ar循環(huán)和空氣循環(huán)。排量616cm3，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速900r/min，氫氣噴入進(jìn)氣歧管，火花點(diǎn)火。雖然Ar不是循環(huán)再利用，但對(duì)該項(xiàng)研究的負(fù)載范圍和熱效率實(shí)驗(yàn)沒有影響。當(dāng)量比為0.24時(shí)，即在輕負(fù)載的條件下，對(duì)于空氣循環(huán)，在壓縮比6～17的范圍內(nèi)可以正常運(yùn)行，壓縮比為13時(shí)，最大指示熱效率達(dá)到35.9%。對(duì)于Ar循環(huán)，壓縮比為5.5～7.0的范圍內(nèi)可以正常運(yùn)行，可以說非常狹窄。壓縮比高于7時(shí)發(fā)生爆震。壓縮比為5.5，Ar濃度為86%時(shí)，最大指示熱效率達(dá)到44.8%。

2014年8月，李理光等[17]申請(qǐng)了專利“循環(huán)型氬發(fā)動(dòng)機(jī)的控制法”，并于2015年1月獲得了專利?；驹砼c以往的Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)相同，但燃料設(shè)想為甲烷。為了解決Ar循環(huán)封閉系統(tǒng)沒有壓力控制功能以及排氣的壓力波影響進(jìn)氣的問題，追加了排氣和進(jìn)氣的隔離裝置和壓力穩(wěn)定裝置。另外，還追加了Ar的供給量的調(diào)節(jié)裝置以及Ar補(bǔ)充罐。由于燃料設(shè)想為甲烷，所以廢氣中的CO2的捕獲和分離是一個(gè)重要課題，但是該專利沒有敘述CO2捕捉和分離的原理、設(shè)備和捕捉率等任何詳細(xì)信息。

2018年，LILiguang等[18]根據(jù)上述專利所述發(fā)明，使用GP-Power進(jìn)行了性能模擬。比較空氣循環(huán)和Ar循環(huán)，燃料為天然氣，火花點(diǎn)火，壓縮比為5.5～12.0。在空氣循環(huán)的壓縮比12中，相對(duì)于最大指示熱效率38%，Ar循環(huán)的壓縮比為8.5，達(dá)到最大指示熱效率51%；另一方面，還發(fā)現(xiàn)Ar循環(huán)的缸內(nèi)壓力的最大值達(dá)到18MPa，約為空氣循環(huán)的3倍。在如此高的缸內(nèi)壓力下，可能會(huì)發(fā)生爆震和摩擦增大、零件損傷等，因此成為Ar循環(huán)今后的課題。

自2018年以來，本文作者開始了Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究。到目前為止主要在閉循環(huán)管路配置[19]、啟動(dòng)和燃料供應(yīng)方式[20]、熱效率和損失[21]、工質(zhì)中水分的影響[22]、Ar濃度的影響[23]、爆震[24]、閉循環(huán)管路中壓力的影響[25]和氫氣和氧氣的濃度的影響[26]等領(lǐng)域得到了一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這里介紹4個(gè)研究成果。

研究中使用的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，一臺(tái)為YAMAHA發(fā)電機(jī)上的79.8cm3四沖程汽油機(jī)，另一臺(tái)為YANMAR638cm3四沖程單缸柴油機(jī)改造成的Ar閉循環(huán)氫發(fā)動(dòng)機(jī)。選擇YAMAHA發(fā)動(dòng)機(jī)是為了得到一個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、抗爆震性能強(qiáng)的閉循環(huán)系統(tǒng)。YANMAR發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇是為了裝備可變氣門等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。由于Ar閉循環(huán)運(yùn)行時(shí)，壓力和溫度都高于空氣運(yùn)行，通過摸索實(shí)驗(yàn)，將YAMAHA發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比從8.7降低到5.75，YANMAR發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比從17.0降低到8.7。

如圖8所示，東海大學(xué)的Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)裝置包括工質(zhì)循環(huán)管路（藍(lán)色）和測(cè)試系統(tǒng)（黑色）。在工質(zhì)閉循環(huán)管路中，由于氣體成分分析儀連續(xù)采樣，會(huì)消耗掉一部分工質(zhì)，所以需要連續(xù)補(bǔ)充Ar。另外，由于管路中沒有裝備CO2捕捉裝置，來自潤滑油燃燒產(chǎn)生的微量CO2會(huì)逐漸積蓄，所以需要以一定的流量置換閉循環(huán)管路內(nèi)的工質(zhì)。由于氣體成分分析儀的采樣流量約為4L/min，CO2置換Ar流量約為4L/min，所以向管路中連續(xù)補(bǔ)充流量為8L/min的Ar。為了排出置換的Ar，管路中設(shè)置了大氣開放的溢流口。

1）有效熱效率的提高。在YAMAHA發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了Ar閉循環(huán)氫氣運(yùn)行、空氣汽油運(yùn)行、空氣氫氣運(yùn)行以確認(rèn)Ar閉循環(huán)的熱效率優(yōu)勢(shì)。首先在購買了這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)之后尚未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改造之前，測(cè)試了汽油運(yùn)行的有效熱效率。壓縮比為8.7，點(diǎn)火時(shí)期為BTDCCA23°，轉(zhuǎn)速為3000r/min，結(jié)果是圖9中的灰色線。在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造之后，壓縮比為5.75時(shí)，點(diǎn)火時(shí)期為BTDCCA10.5°，從空氣氫氣運(yùn)行（圖中橘黃色線）改為Ar氫氣運(yùn)行（圖中藍(lán)色線），在有效功率425W時(shí)，有效熱效率上升了41.7%。但與原廠壓縮比（8.7）相比，熱效率的提高沒有那么多。這是因?yàn)锳r運(yùn)行時(shí)的壓縮比降為5.75，造成了理論熱效率的降低。

另外，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油運(yùn)行的額定有效功率是700W，本次實(shí)驗(yàn)所得到的Ar閉循環(huán)氫氣運(yùn)行的最大有效功率僅為汽油運(yùn)行額定有效功率的66.4%，這是因?yàn)锳r閉循環(huán)氫氣運(yùn)行容易產(chǎn)生爆震，即使將壓縮比降低，點(diǎn)火時(shí)期延遲也仍然沒有解決爆震問題。

2）利用當(dāng)量比抑制爆震。在閉循環(huán)中，由于燃燒后沒有用完的氫氣或氧氣會(huì)不斷積蓄，所以工質(zhì)中的氫氣或氧氣可以達(dá)到很高的濃度。作者利用這一特征，嘗試了通過改變氫氣或氧氣的濃度，也就是通過改變當(dāng)量比抑制爆震。實(shí)驗(yàn)范圍設(shè)定在當(dāng)量比在0.09～7.96（氧氣濃度為60.9%～5.7%）的范圍內(nèi)。壓縮比5.75，轉(zhuǎn)速3000r/min，點(diǎn)火時(shí)期14°。

圖10給出了各當(dāng)量比下的工質(zhì)成分。以當(dāng)量比1為分界線，左邊為氧氣過剩，即氧氣濃度通過積蓄逐漸增大；右邊為氫氣過剩，即氫氣濃度通過積蓄逐漸增大。

在所有試驗(yàn)結(jié)果中，以有無爆震、最大缸內(nèi)壓力抑制效果為基準(zhǔn)選定4條缸內(nèi)壓力曲線，如圖11所示。這4條曲線的實(shí)驗(yàn)條件列于表1中，其中發(fā)生爆震的條件只有②。結(jié)合圖11和表1可知，試驗(yàn)條件②的當(dāng)量比為1.23，有效功率為432W，Ar濃度為76.81%，最高缸內(nèi)壓力為2.70MPa——在4個(gè)條件的實(shí)驗(yàn)中最大，產(chǎn)生的爆震最多。條件③、條件④具有同等的最高缸內(nèi)壓力，但Ar濃度有很大差異，④的最大缸內(nèi)壓力的產(chǎn)生時(shí)期較早。由此可知，氫氣過剩和氧氣過剩在燃燒上存在差異，氫氣過剩的燃燒速度較快。在本實(shí)驗(yàn)中，由于轉(zhuǎn)速固定，可以假定紊流強(qiáng)度是一定的。

從圖12[26]可知，氫氣層流燃燒速度在當(dāng)量比1.6附近達(dá)到最大值，比熱比越高，比熱越小，Ar的濃度越高，燃燒速度就越快。

基于圖12，將圖11、表1的結(jié)果整理如下。在爆震最多的②中，Ar濃度相對(duì)于①僅減少約1.8個(gè)百分點(diǎn)，當(dāng)量比最接近1.6。因此，比熱小所導(dǎo)致的溫度容易上升，當(dāng)量比接近1.6所導(dǎo)致的燃燒速度快而引發(fā)快速燃燒，進(jìn)而產(chǎn)生爆震。

從圖12可知，層流燃燒速度在條件③的當(dāng)量比0.30時(shí)約為0.5m/s，條件④的當(dāng)量比4.06時(shí)約為1.5m/s，④明顯較高.因此，在條件④中，在上止點(diǎn)附近發(fā)生燃燒，最高缸內(nèi)壓力容易上升，條件④為了降低到與條件③同等的最高缸內(nèi)壓力，所需的Ar的減少量較多，即④的Ar濃度較低。由此，從表1可知，③和④中氧氣過剩的③的有效功率較高。因此，從上述原因來看，③在保持Ar濃度高的狀態(tài)下能夠抑制爆震，并且熱效率的降低較少。可以說，在點(diǎn)火時(shí)期固定條件下，氧氣過剩是作為爆震抑制的有效方法。

3）利用工質(zhì)中的水蒸氣控制爆震。如果增加Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)中的水蒸氣分壓，則由于工質(zhì)的平均比熱的增加，燃燒溫度降低，就會(huì)減輕爆震（如圖13），相當(dāng)于空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣再循環(huán)（exhaustgasrecirculation，EGR）。而Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)中控制工質(zhì)中水分的方法非常簡(jiǎn)單，只需要控制冷凝器的溫度，得到不同的飽和蒸汽壓力。

實(shí)驗(yàn)條件為壓縮比、氫氣供給量、點(diǎn)火時(shí)期一定，冷凝器出口Ar溫度分別設(shè)定為25、40、55、70℃，在這些溫度條件下，循環(huán)Ar中的水蒸氣分壓分別為3.0、7.9、15.2、30.1kPa。通過記錄100個(gè)工作循環(huán)的缸內(nèi)壓力，并進(jìn)行高速Fourier變換（fastfouriertransform，F(xiàn)FT），求出爆震強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)首先將循環(huán)Ar溫度保持在25℃，逐漸增加氫氣供給量，在根據(jù)噪音判斷發(fā)生了爆震時(shí)，得到了25℃時(shí)的爆震發(fā)生的氫氣供給量，并在其他溫度條件下保持這個(gè)氫氣供給量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖14給出了4種溫度條件（4種水蒸氣分壓）下連續(xù)100個(gè)工作循環(huán)的爆震強(qiáng)度。在本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，凡是爆震強(qiáng)度超過25kPa的工作循環(huán)就判斷是發(fā)生了爆震，并將發(fā)生爆震的工作循環(huán)數(shù)相對(duì)于100個(gè)工作循環(huán)的比例定義為爆震率，如圖14所示。循環(huán)Ar中水蒸氣分壓為3.0Pa時(shí)約有一半（49個(gè)）工作循環(huán)發(fā)生了爆震，而循環(huán)Ar中水蒸氣分壓為15.2kPa時(shí)減少到4個(gè)，30kPa時(shí)減少到1個(gè)。由此可見增加水蒸氣分壓會(huì)減輕爆震效果顯著。

4）閉循環(huán)管路對(duì)爆震的影響?；鸹c(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)爆震的發(fā)生主要是由于負(fù)載增大引起的壓力上升，所以進(jìn)氣壓力變動(dòng)時(shí)就會(huì)影響壓縮壓力和燃燒壓力，從而影響爆震的發(fā)生。在閉循環(huán)條件下，由于排氣管連接著進(jìn)氣管，排氣壓力可能會(huì)影響進(jìn)氣壓力，引起進(jìn)氣壓力的變動(dòng)，進(jìn)而影響爆震的發(fā)生。因此，在本研究中，通過在閉循環(huán)管路上安裝壓力傳感器，分析排氣管壓力與進(jìn)氣管壓力的相關(guān)性，搞清閉循環(huán)管路對(duì)爆震的影響。

圖15給出了進(jìn)氣壓力、排氣壓力以及缸內(nèi)壓力的閉循環(huán)和開放循環(huán)的比較，從上到下依次為，缸內(nèi)壓力、排氣壓力、進(jìn)氣壓力。各圖中的紅色表示閉循環(huán)，藍(lán)色表示開放循環(huán)。另外，用豎紅線將排氣行程、進(jìn)氣行程、壓縮行程區(qū)分出來。橫軸為曲軸轉(zhuǎn)角（CA），壓縮上死點(diǎn)定為上止點(diǎn)后（aftertopdeadcenter，ATDC）0℃。IVO372表示進(jìn)氣門開啟時(shí)期為ATDCCA372°。EVO159表示排氣門開啟時(shí)期為ATDCCA159°。

在排氣行程的前半部分，可以觀察到閉循環(huán)和開放循環(huán)的缸內(nèi)壓力均為上升趨勢(shì)（見①段），并在ATDC300°附近達(dá)到峰值而轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)（見②段），該上升和下降分別是由于排氣行程前半部分活塞的推進(jìn)而產(chǎn)生的正壓和后半部分的排氣的慣性效果產(chǎn)生的負(fù)壓引起的。在ATDC200～300°，開放循環(huán)的缸內(nèi)壓力比閉循環(huán)稍高（見③段），原因不明；在ATDC300°之后，閉循環(huán)的缸內(nèi)壓力漸漸超過開放循環(huán)的缸內(nèi)壓力（見④段），這是由于閉循環(huán)的廢氣都憋在排氣管中，而開放循環(huán)直接排出到大氣中。同理，這個(gè)區(qū)間內(nèi)閉循環(huán)的排氣管壓力和進(jìn)氣管壓力均比開放循環(huán)高（見⑤段）；閉循環(huán)的缸內(nèi)壓力在進(jìn)氣門開啟附近（IVO372）突然出現(xiàn)壓力上升（見⑥段），這是因?yàn)檫M(jìn)氣門開啟時(shí)的進(jìn)氣管壓力（110.91kPa）高于缸內(nèi)壓力很多，進(jìn)氣門一旦開啟就有高壓氣體涌入氣缸造成的。而在開放循環(huán)中缸內(nèi)壓力觀察不到如此明顯的壓力上升（見⑦段），這是因?yàn)殚_放循環(huán)的進(jìn)氣門開啟時(shí)，進(jìn)氣管壓力（100.79kPa）比缸內(nèi)壓力（93.22kPa）高得不是很多，沒有高壓氣體涌入氣缸。所以可以認(rèn)為在進(jìn)氣行程的前半程，閉循環(huán)的進(jìn)氣量比開放循環(huán)多。

在進(jìn)氣行程的后半程，即從ATDC450°開始，隨著活塞下降速度的降低，進(jìn)氣的慣性效果顯現(xiàn)出來，閉循環(huán)和開放循環(huán)的缸內(nèi)壓力出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，開放循環(huán)高于閉循環(huán)（見⑧段）。這是因?yàn)殚]循環(huán)和開放循環(huán)的進(jìn)氣管壓力出現(xiàn)反轉(zhuǎn)（見⑨段）。進(jìn)氣管壓力出現(xiàn)反轉(zhuǎn)的理由是，在閉循環(huán)的情況下，由于閉循環(huán)管路的體積不變，進(jìn)氣管壓力與流入缸內(nèi)的進(jìn)氣量成比例地降低，而在開放循環(huán)的情況下，由于與大氣相連，因此進(jìn)氣管壓力不會(huì)降低。所以可以認(rèn)為在進(jìn)氣行程的后半程，閉循環(huán)的進(jìn)氣量比開放循環(huán)少。

從以上分析可知，閉循環(huán)的進(jìn)氣量在進(jìn)氣行程的前半程多而后半程少，而開放循環(huán)的進(jìn)氣量則相反。所以可以認(rèn)為總體上閉循環(huán)和開放循環(huán)的進(jìn)氣量基本相同。因而，當(dāng)進(jìn)氣行程結(jié)束時(shí)閉循環(huán)和開放循環(huán)的缸內(nèi)壓力基本不發(fā)生變化⑩。通過以上的分析可知，閉循環(huán)管路內(nèi)的排氣壓力雖然影響閉循環(huán)管路內(nèi)的進(jìn)氣壓力，但不影響最終的進(jìn)氣行程的缸內(nèi)壓力，所以可以認(rèn)為不對(duì)爆震產(chǎn)生影響。

2Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，課題及發(fā)展前景

Ar閉式循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)可大致歸納如下：

1）由于Ar的比熱容比高于空氣，Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的理論熱效率高于空氣循環(huán)。在前言中已做介紹，這里不再贅述。

2）運(yùn)行期間沒有CO2排放。Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)只能使用氫氣。如果使用汽油、柴油、天然氣等含有碳元素的燃料，那么從廢氣中分離Ar就將變得十分困難。目前的技術(shù)還不能制造小型高效的CO2捕捉器。相反利用氫氣作為燃料不僅沒有CO2生成，只需將廢氣冷卻到100℃以下就能分離出Ar，而且利用氫能也符合未來社會(huì)走向清潔能源的發(fā)展趨勢(shì)。

3）不產(chǎn)生NOx、未燃烴、CO、微粒子等，所以不需要后處理系統(tǒng)，可以節(jié)約大量貴金屬及稀有金屬，也可以減輕整車重量。

4）進(jìn)氣成分、溫度、壓力、流量都可以自由控制。氧氣及氫氣的任何一方過剩時(shí)都可以和Ar一起從水分中分離出來循環(huán)利用。特別是氫氣，在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)中如果過剩將造成燃料損失，降低發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性。而閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)不僅不存在這個(gè)問題，甚至可以有意增加氫氣供給量以控制工質(zhì)的成分達(dá)到控制燃燒的目的。同樣氧氣也可以任意調(diào)節(jié)濃度用以控制燃燒。水分也可以通過冷凝器的溫度任意調(diào)節(jié)，在發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)載運(yùn)行時(shí)適當(dāng)增加水蒸氣濃度可以緩解爆震的發(fā)生。增壓壓力（或減壓）可以自由設(shè)定，只需要調(diào)節(jié)封入閉循環(huán)系統(tǒng)的Ar壓力而無需渦輪增壓器，節(jié)約了增壓器的耗能。

5）可以方便地制造二沖程閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)有體積小、功率高等優(yōu)勢(shì)，但是由于掃氣會(huì)帶走一部分燃料因而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及造成污染環(huán)境，所以除了船用發(fā)動(dòng)機(jī)，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)銷聲匿跡。而閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)不存在掃氣的燃料損失問題，一旦Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)得到普及，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)卷土重來。

6）Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以完全實(shí)現(xiàn)無排氣，也不消耗環(huán)境中的氧氣，所以可以在密閉的空間運(yùn)行，包括礦山機(jī)械、涵洞施工、地下交通網(wǎng)、燃油車輛禁止行駛地域、水下交通觀光產(chǎn)業(yè)、軍用等，應(yīng)用前景非常廣闊。

7）Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音較小，非常適合作為城市交通網(wǎng)的動(dòng)力裝置。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的噪音源有很大一部分發(fā)生在排氣口的排氣管出口與大氣的界面上，而閉循環(huán)沒有大氣界面，排氣的沖擊波幾乎完全在閉循環(huán)管路內(nèi)消耗掉，所以不需要消聲器，減輕了整車重量。

8）不需要空氣過濾器，可以在極端惡劣的，特別是粉塵污染嚴(yán)重的事故現(xiàn)場(chǎng)、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、火山灰降落區(qū)域執(zhí)行救援任務(wù)。同時(shí)由于不導(dǎo)入外界空氣并可以自我增壓，可以在高原、高海拔、高寒地域使用。循環(huán)的Ar自身可以保有廢氣中的熱能，有利于在高寒地區(qū)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，不需要預(yù)熱塞，所以特別適合高寒地區(qū)使用。

9）需要攜帶氧氣。由于富氧技術(shù)還未成熟而且在短期內(nèi)也沒有取得重大進(jìn)展的可能性，設(shè)備龐大耗能驚人，所以只能靠攜帶氧氣解決供氧問題。具體構(gòu)想已在前言中作了介紹，這里不再贅述。

10）需要一個(gè)大型冷凝器和散熱器，不僅要滿足傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的水冷系統(tǒng)的散熱，還要將發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣全部冷卻到100℃以下，如果發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率為100kW，有效熱效率為55%，自然散熱為5%的話，那么散熱器的散熱功率至少要達(dá)到66.7kW，散熱器本身的尺寸及重量和散熱風(fēng)扇的能耗都是要解決的問題。另外，散熱器的熱風(fēng)也會(huì)給上述在密閉空間的使用帶來一定限制。

11）Ar的比熱比高，比熱低，所以壓縮溫度和壓力，燃燒溫度和壓力都要高于空氣發(fā)動(dòng)機(jī)。這就需要在發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和材料等方面采取相應(yīng)措施，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全和耐久性。如何抑制由此造成的成本提高也是需要解決的課題。

上述1）-8）是Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，9）-11）是劣勢(shì)。

Ar閉式循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)課題可大致列舉如下：

1）啟動(dòng)和停止控制：由于發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)閉循環(huán)管路中的氣體成分必然是停車時(shí)的工況下的氣體成分，所以不一定適于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)要求。所以停車前要將閉循環(huán)管路中的氣體成分置換成適合啟動(dòng)工況。這就需要研發(fā)一套傳感器和控制系統(tǒng)。

2）燃燒、負(fù)載、爆震控制：如上所述，即使是豐田汽車公司的研究報(bào)告，也只給出了最高0.31MPa的平均指示壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這里面有2個(gè)因素，一個(gè)是高負(fù)載將影響到熱效率值的完美，不能達(dá)到前述的60.9%；另一個(gè)是高負(fù)載工況受爆震的限制很難實(shí)現(xiàn)。將來的研究方向應(yīng)該是應(yīng)用氫氣缸內(nèi)直噴，最大限度地減緩爆震發(fā)生。結(jié)合點(diǎn)火提前角的調(diào)節(jié)，Ar濃度和氫氧濃度及水蒸氣濃度的調(diào)節(jié)，通過Ar壓力的調(diào)節(jié)產(chǎn)生增壓效果，在維持較高壓縮比的前提下達(dá)到空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)負(fù)載指標(biāo)。這是一個(gè)亟待解決的研發(fā)課題。

3）回火和早期點(diǎn)火控制問題：空氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用氫氣為燃料時(shí)會(huì)發(fā)生回火和早期點(diǎn)火，其主要原因可以分為2種情況：一個(gè)是高負(fù)載時(shí)，由于壁面溫度升高，在進(jìn)氣門開啟時(shí)首先進(jìn)入氣缸的氫氣被高溫壁面點(diǎn)燃，然后燃燒逆流而上，一直發(fā)展到整個(gè)進(jìn)氣道甚至整個(gè)進(jìn)氣管；另一個(gè)是低負(fù)載時(shí)，由于燃燒速度緩慢，燃燒一直持續(xù)到排氣行程結(jié)束，進(jìn)氣行程開始，于是首先進(jìn)入到氣缸的氫氣被上一個(gè)循環(huán)的火焰點(diǎn)燃并逆流而上。Ar發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度高于空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，所以上述第1種原因的回火更加明顯，第2種原因的回火自然得到改善。但Ar發(fā)動(dòng)機(jī)還有第3種原因產(chǎn)生回火，就是在氧氣循環(huán)積蓄時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高濃度的氧氣，使壁面點(diǎn)火所需要的壁面溫度降低，壁面點(diǎn)火更容易發(fā)生。

4）氧氣和氫氣的循環(huán)積蓄控制：任何一個(gè)工作循環(huán)中的氧氣或氫氣的一方如有剩余就會(huì)進(jìn)入后續(xù)的工作循環(huán)中，如果不及時(shí)調(diào)整供給量，將在數(shù)s時(shí)間內(nèi)積蓄到50%以上的濃度。所以要建立一套氧氣、氫氣、Ar傳感器和流量控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)需要具有極短的反應(yīng)時(shí)間，最好能夠進(jìn)行單循環(huán)控制。

5）潤滑油的燃燒和乳化問題：潤滑油會(huì)少量附著在氣缸壁以及進(jìn)氣門背面，在進(jìn)氣行程中蒸發(fā)并進(jìn)入氣缸。另外油底殼內(nèi)的潤滑油飛沫也會(huì)通過竄氣進(jìn)入進(jìn)氣道，并在進(jìn)氣行程中進(jìn)入氣缸。這些潤滑油被燃燒并產(chǎn)生CO2。這些CO2如果不及時(shí)除去就會(huì)在閉循環(huán)管路中積蓄。另外為了減輕爆震，閉循環(huán)中的Ar中有意留下一些水分，也就是說Ar氫發(fā)動(dòng)機(jī)比空氣氫發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣中含有更多的水分。這些水分的一部分會(huì)通過活塞開口間隙進(jìn)去油底殼從而使?jié)櫥腿榛?/p>

6）上述研發(fā)課題是Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)特有的，除此之外氫發(fā)動(dòng)機(jī)的一般性課題也要得到解決。比如氫氣的燃燒速度較高引起的冷卻損失增大，氫氣對(duì)金屬的脆化作用，氫氣噴嘴的泄漏等問題。

基于上述Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)劣及課題，作者嘗試分析一下其發(fā)展前景。Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展應(yīng)該取決于氫能、燃料電池車、Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)車三者的相互制約。Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的概念被提出至今已有74年了。由于CO2分離技術(shù)和氮氧分離技術(shù)的滯后，可以認(rèn)為Ar閉循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，其燃料必然是氫氣而不可能是含碳燃料或氨燃料。所以討論Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)就要以討論今后氫能如何發(fā)展為前提。

以日本的氫能發(fā)展為例，雖然日本在發(fā)展氫能源布局較早但最近的進(jìn)展并不順利。首先回顧一下日本的氫能源發(fā)展歷程。

1973年發(fā)生的第1次次石油危機(jī)促使日本決心發(fā)展氫能等新能源以應(yīng)對(duì)長期能源供應(yīng)和環(huán)境問題。1974年啟動(dòng)了“日光計(jì)劃”項(xiàng)目[27]，這個(gè)項(xiàng)目以政府機(jī)關(guān)，國立研究所和高校為主體，預(yù)計(jì)持續(xù)到2000年，旨在發(fā)展太陽能，地?zé)幔禾繗饣夯?，氫?項(xiàng)技術(shù)。到1992年共投入了4400億日元，平均每年244億日元，而同一時(shí)期的科研費(fèi)（相當(dāng)于中國的自然科學(xué)基金）共7100億日元，平均每年394億日元，可見日本對(duì)新能源發(fā)展的投入力度之大。再加上1978年啟動(dòng)的“月光計(jì)劃”項(xiàng)目的1400億日元，以及1993年啟動(dòng)的“新日光計(jì)劃”項(xiàng)目的1.5兆日元的預(yù)算，使得日本在新能源方面有了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)儲(chǔ)備。有了這個(gè)底氣，日本政府在2002年制定了《能源政策基本法》[28]，在法律的框架下，通產(chǎn)省于2003年制定了“能源基本計(jì)劃”[29]，而且每3年更新1次，從2003年的第1版到目前的2021年的第6版。通過這個(gè)“能源基本計(jì)劃”，通產(chǎn)省有權(quán)在量化未來的能源供求關(guān)系的前提下，提出能源政策并制定量化目標(biāo)。

具體到氫能產(chǎn)業(yè)上就是2013年成立了“氫能及燃料電池戰(zhàn)略協(xié)議會(huì)”并于2014年發(fā)布《氫能與燃料電池路線圖》[30]。這個(gè)路線圖給出了日本實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的3個(gè)階段。

第1階段，極大地?cái)U(kuò)大固定式燃料電池和燃料電池汽車的使用，并占領(lǐng)氫氣和燃料電池的全球市場(chǎng)；第2階段，推動(dòng)氫能發(fā)電和氫能供熱以擴(kuò)大對(duì)氫氣的需求；第3階段，結(jié)合CO2回收與利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)綠氫生產(chǎn)和供應(yīng)體系。通過這張路線圖可以看出日本意欲引領(lǐng)全球氫能產(chǎn)業(yè)而當(dāng)時(shí)日本也的確有引領(lǐng)全球的實(shí)力。

以燃料電池車專利數(shù)量為例，當(dāng)時(shí)（2014年）日本約持有65000項(xiàng)，比美國（3000項(xiàng)），中國（15000項(xiàng)），德國（12000項(xiàng)）[31]加起來還多。由于2014年版的路線圖沒有設(shè)定具體的量化目標(biāo)，所以2016年日本發(fā)布“改定版氫能與燃料電池路線圖”[32]，設(shè)定了諸如到2020年實(shí)現(xiàn)普及燃料電池車4萬輛，2025年20萬輛，2030年80萬輛等目標(biāo)值。2017年發(fā)布了“氫能基本戰(zhàn)略”[33]，計(jì)劃2030年氫能產(chǎn)量達(dá)每年30萬t，發(fā)電裝機(jī)容量100萬kW，加氫站320座。2019年日本再次更新“氫能與燃料電池路線圖”[34]，將加氫站數(shù)量提高到900座。2021年為了達(dá)到碳中和目標(biāo)又宣布計(jì)劃2030實(shí)現(xiàn)氫氣供應(yīng)量每年300萬t[35]?？墒菍?shí)際情況卻是，2021年豐田第2代燃料電池車MIRAI售出2447輛，日本國內(nèi)燃料電池車保有量8157輛，氫氣年產(chǎn)量5.8萬t，加氫站162座，燃料電池車的氫氣年消費(fèi)量200t[35]。氫能無法快速形成生產(chǎn)規(guī)模的主要原因應(yīng)該是消費(fèi)不能形成規(guī)模所至，而限制消費(fèi)的則是燃料電池車的價(jià)格過高（起價(jià)710萬日元），是普通乘用車的3倍，混合動(dòng)力車的2倍。此外，加氫站少也是燃料電池車賣不動(dòng)的另一個(gè)重要原因。而氫氣消費(fèi)量小又使得加氫站無法形成商業(yè)擴(kuò)大模式，無法投資新的加氫站建設(shè)，形成一個(gè)死循環(huán)。所以，Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的定位應(yīng)該是扮演擴(kuò)大氫氣消費(fèi)量的角色而不是等待靠燃料電池車引領(lǐng)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈的成熟。Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)門檻低，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的大部分技術(shù)都能夠得以繼承，成本只比傳統(tǒng)車多了儲(chǔ)氣罐而且由于不需要排氣后處理系統(tǒng)而有望基本持平，經(jīng)濟(jì)性卻一下子提高大約40%，可以說是有百利而無一害。所以Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該比燃料電池車容易普及，是促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入擴(kuò)大再生產(chǎn)的正循環(huán)模式的新動(dòng)力。

在應(yīng)用領(lǐng)域上，因?yàn)槌擞密囈远掏緸橹?，正在快速的被電?dòng)車替代，即使Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率能夠與電動(dòng)車匹敵，也會(huì)因?yàn)榧託湔镜某杀竞蛿?shù)量無法與充電樁競(jìng)爭(zhēng)而失去優(yōu)勢(shì)，所以應(yīng)該避開乘用車，即避開電動(dòng)車?？梢钥紤]首先將Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于商用車領(lǐng)域，特別是干線物流的重載卡車和長途城際公交客車?，F(xiàn)在這2種車型的動(dòng)力仍然是柴油機(jī)，能耗高排放嚴(yán)重，亟待找到解決方案。如果用電動(dòng)車代替，為保證續(xù)航需要搭載的電池將更大更重，充電時(shí)間也更長。如果用Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)替代，因?yàn)檫@2種車型站點(diǎn)固定，不需要廣泛建設(shè)加氫站，只需要在固定干線兩端建加氫站，甚至可也就地建設(shè)光伏發(fā)電制氫，不僅降低了氫氣轉(zhuǎn)運(yùn)成本還可以同時(shí)解決氧氣供應(yīng)問題。如果Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)在重載卡車得到應(yīng)用，即使不計(jì)入長途城際公交客車，以日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的試算為例[36]，2019年日本國內(nèi)的載重6t以上的重載卡車保有臺(tái)數(shù)為62.7萬臺(tái)，按每臺(tái)每年消耗氫氣6.88t計(jì)算，那么氫氣需求總量可達(dá)到431萬t。即使只有1/10的重載卡車應(yīng)用Ar閉循環(huán)氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了氫能基本戰(zhàn)略中的2030年氫能產(chǎn)量達(dá)每年30萬t的目標(biāo)，足以成為促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入擴(kuò)大再生產(chǎn)的正循環(huán)模式的強(qiáng)勢(shì)推動(dòng)力。

3總結(jié)

發(fā)動(dòng)機(jī)在碳中和潮流勢(shì)不可擋，新能源車日新月異的時(shí)代，背腹受敵，幾乎失去了反擊的力量。所幸發(fā)動(dòng)機(jī)130多年歷史的技術(shù)積累，甚至可以說是文化沉淀，使發(fā)動(dòng)機(jī)自身獲得了一線生機(jī)，那就是Ar閉循環(huán)氫發(fā)動(dòng)機(jī)。本文比較系統(tǒng)的介紹了這種發(fā)動(dòng)機(jī)的原理，特征和發(fā)展史以及研究動(dòng)向，也盡可能地比較客觀地分析了其發(fā)展前景。希望對(duì)中國的讀者有一點(diǎn)參考價(jià)值，也希望有更多的同事們參與研究。