氢发动机詳解.docVIP

第10章 氢发动机 本章主要内容 1．氢内燃机发展历程 2．纯氢内燃机 3．氢混合燃料 4．氢发动机的理论循环 5．氢发动机的工作过程 10.1 各类发动机简介 广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但通常所说的内燃机是指活塞式内燃机。活塞式内燃机以往复活塞式最为普遍。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。 此处需要将内燃机与外燃机（斯特林发动机）区别，外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。新型外燃机使用氢气作为工质，在四个封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔，另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。 由于外燃机避免了传统内燃机的做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。 但是，斯特林发动机也有许多问题要解决，例如散热器大、密封困难，膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。所以，仍处于研制阶段，尚未推广应用。 喷气式发动机是利用燃料燃烧气体排出过程中所产生的反作用力的热力发动机，主要用于航空和航天方面。喷气式发动机可以分为两大类，即空气喷气式发动机和火箭喷气式发动机。从外界吸入空气作为工质、以空气中所含的氧作为氧化剂的喷气式发动机称为空气喷气式发动机。它又可分为无压气机空气喷气式发动机和有压气机空气喷气式发动机两种。现代航空上采用最广的燃气轮喷气式发动机就属于后一种。燃料和氧化剂都由发动机或飞行器本身随带的喷气式发动机称为火箭喷气式发动机，或简称火箭发动机。按其所用燃料分固体燃料火箭发动机和液体燃料火箭发动机两种，它们主要用作兵器和航天飞机的动力。 10.2 内燃机分类及基本概念 10.2.1 内燃机的分类 内燃机的品种繁多、其主要分类方法有： (1)按所用燃料分：有柴油机、汽油机、煤气机、天然气机、双燃料机(柴油和天然气两用内燃机)、氢内燃机等。 (2)按燃料在汽缸内着火性质分：有压燃式内燃机和点燃式内燃机。压燃式内燃机是利用汽缸内的空气被高度压缩后所产生的高温，使燃料自行着火，如柴油机、双燃料机等。点燃式内燃机采用电火花点燃可燃混合气，如汽油机、煤气机等。 (3)按一个工作循环过程分有四冲程内燃机和二冲程内燃机。 (4)按活塞运动方式分：有往复活塞式内燃机和旋转活塞式内燃机。 (5)按汽缸冷却方式分：有水冷式内燃机和风冷式内燃机。 (6)按汽缸数和排列方式分：有单缸内燃机(卧式)和多缸内燃机（直列式、v型、w型、H型等)。 (7)按活塞平均速度或额定转速分：有低速机(＜300r/min)，中速（300～1000r/min）、高速机(＞1000 r/min)。 (8)按进气方式分：有增压式内燃机和自然吸气式内燃机。 图10-1 内燃机基本结构简图 10.2.2 内燃机的基本术语 往复活塞式内燃机是靠燃料燃烧后产生的热能转变为机械能而进行工作的。其主要任务由曲柄连杆机构完成，即由活塞的往复运动变为曲柄的旋转运动。内燃机的基本结构简图如图10-1所示。在圆筒形的汽缸4内有一可上下移动的活塞5，连杆7的小头通过活塞销6与活塞相连，其大头与曲轴8连接。活塞的上下往复运动通过连杆使曲轴作旋转运动，活塞往复一次可使曲轴旋转一圈。 （1）上止点 活塞移动能达到的最上端位置称为上止点，此时活塞与曲轴的旋转中心距离最远。 （2）下止点 活塞移动能达到的最下位置称为下止点，此时活塞与曲轴旋转中心的距离最近。 （3）活塞行程 活塞上止点与下止点之间的距离称为活塞行程。曲轴每转过半周(180o)，活塞便移动一个行程，曲轴每转过一周(360 o)，活塞便完成两个行程。因此，活塞行程的长度等于曲轴旋转半径的两倍。 （4）燃烧室容积 活塞在汽缸内位于上止点位置时，在活塞顶面以上的空间称为燃烧室容积或压缩容积。 （5）汽缸工作容积 活塞从上止点到下止点所扫过的汽缸容积，又称冲程容积或活塞排量。 （6）汽缸总容积 活塞位于下止点时，汽缸内的空间称为汽缸总容积，它等于燃烧室容积与汽缸工作容积之和。 （7）压缩比（ε） 汽缸总容积与燃烧室