米乐(中国)官方网站 用于大发电、高输出、高热效率、低NO_x氢发动机燃烧技术的发展

内阁办公室战略创新创造计划（SIP）由科学技术创新委员会（CSTI）“能源载体”（管理公司：日本科学技术振兴机构[滨口主席]在道成]，来自国家先进工业科学技术研究所，冈山大学，东京城市大学和早稻田大学的一个研究小组使用小型测试发动机进行了基础实验，以建立一种利用优异燃烧的新燃烧方法氢燃料的特点，产生了世界上第一个高热效率和低NO2的燃烧方法。_x可以实现火花点火氢发动机^注1)这项研究和开发将减少对化石燃料的依赖并减少二氧化碳（CO_２) 这是扩大氢燃料使用以减少排放的一部分。

这项开发技术的目标是 (1)净热效率^注2)50% (低热值基数^注3))（换算为大型发电发动机中使用的每缸排量为339升、输出功率为600千瓦（kW）的发动机）或以上，(2)否_x排放值为200ppm：O_２0%修正值)或以下，且性能超过各项(净热效率54%，NO_x排放值现为 20 ppm^※）。

这项研究是与川崎重工、海事技术安全研究所（成田技术研究所）和前川制作所联合进行的（图1）。

所开发的氢发动机的输出是前所未有的平均有效压力图示^注4)（146兆帕（MPa））并证实可用作大型发电和船用发动机的燃料。未来，预计利用可再生一次能源生产的氢能将有助于防止全球变暖和保护大气环境。

这一成果是通过以下项目、研究主题和研发主题获得的。

在日本的能源政策中，减少对化石燃料和二氧化碳的依赖_２是一个重要的问题。为了解决这个问题，正在计划使用氢作为核心能源之一。为了迎接氢能社会的到来，除了已经实现商业化的汽车用氢燃料电池和固定式发电以外，广泛扩大氢的使用的研发和示范也是重要课题，全国范围内都在努力。

除了高输出之外，本研发主题还注重高热效率和 NO_x的减少

过去曾进行过氢发动机的研究，但尽管氢燃料具有优异的燃烧特性，但热效率较低，并且高负荷运行时会产生NO_x被生成。因此，东京城市大学提出，注入燃烧室的氢燃料射流在分散之前应以块状状态燃烧超富混合物点火燃烧法（PCC燃烧）^注5)，我们成功地减少了燃烧室壁附近的燃烧（图2）。此外，对于具有低燃烧气体温度的稀混合物，NO_xNO_x的产生。另外，废气再循环 (EGR)^注6)否_x产生的方法，并使用小型单缸测试发动机，我们实现了54%的热效率，超过了目前世界上最高效的以天然气为燃料的大型发电发动机。否_x的排放量可以满足都市地区市政法令规定值的十分之一以下，并且CO_２而颗粒物排放接近于零的氢发动机的清洁度也得到了提升，让我们离零排放又近了一步（图3）。

此外，AIST 使用旨在减少冷却损失的燃烧室，并使用 EGR 和增压供气^注7)低NO_x，在实现高热效率的同时，我们实现了高输出，指示平均有效压力为 146 兆帕 (MPa)，这对于迄今为止的任何氢发动机来说都是前所未有的（图 3）。通过根据 PCC 燃烧条件设置喷射正时并优化发动机设计，有望实现更高的热效率和输出。

如上所述，氢燃料射流的分散状态对于提高氢发动机的性能非常重要，该研究小组开发并应用了两种新的诊断技术来了解受控射流质量的状态。其中之一是SIBS方法^注8)，将光纤嵌入火花塞的中心电极中，并以光学方式测量和诊断点火过程中放电火花中所含的氢浓度。通过该方法，点火位置处的氢气喷射质量浓度在喷射后逐渐稀释，并且在点火时，NO_x我们能够测量可以抑制生成的混合状态。另一项技术是高空间分辨率CFD数值计算方法^注9)是一种可视化喷射射流质量的空间浓度分布的技术。通过该方法，注入的氢射流质量在注入后随着时间的推移变成NO_x我们能够定量观察到低形成的稀混合气状态过渡的空间分布，为小型测试发动机获得的燃烧和排气性能提供逻辑支持。

通过这项技术，发电发动机中使用的天然气可以用氢气替代，从而使日本每年减少 500 万吨二氧化碳_２可以减少。此外，通过目前正在开发的三维数值模拟验证这对于每缸输出功率为600kW的大型发动机是否成立，将可以预测燃烧性能，包括计算燃烧室内氢的分布。通过将这些技术与将液化氢压缩成高压氢气的高压液化氢泵和将高压氢气注入发动机的高压氢气喷射阀的开发相结合，我们将继续开发大型发动机的应用。

注1) 火花点火式氢发动机

许多汽车发动机使用火花点火式发动机，它使用火花点燃汽油和空气的混合物。以氢为燃料的火花点火发动机称为“火花点火氢发动机”。[返回来源]

注2) 净热效率

热效率是指内燃机最终输出端（输出轴）产生的功与供给的热量之比。[返回来源]

注3) 较低的热值基础

可燃烧并转化为功的燃料的热值称为“低位热值”。在发动机中，排出到排气口的气体中的水分是水蒸气，因此将减去水分的汽化热而得到的值中的较低位的发热量作为燃料的发热量。[返回来源]

注4) 指示平均有效压力

由燃烧室位置指示的发动机功指数。单位以kPa或MPa表示，与压力相同，其与最终输出端之间的相关部件及部件存在摩擦损失，如注1所示。[返回来源]

注5)浓混合气点火燃烧法（PCC燃烧）

羽流点火和燃烧概念的缩写，燃料在分布到整个燃烧室之前的质量 (羽毛)状态的燃烧方法。[返回来源]

注6) 废气再循环(EGR)

废气再循环的缩写一种通过使发动机废气与进气循环和混合来降低燃烧温度并抑制氮氧化物的方法。对抑制异常燃烧也有效。[返回来源]

注7) 供气增压

通过增压器（排气涡轮增压器、电动或机械驱动压缩机等）增加供给空气的压力来增加供给空气量的空气供给方法。[返回来源]

注8) SIBS 方法（火花诱导击穿光谱）

火花诱导击穿光谱的缩写对发动机点火时的火花放电进行光谱分析，根据空气中的氢成分与氮成分的比率来测定氢浓度的方法。[返回来源]

注9) CFD数值计算方法

计算流体动力学的缩写根据流体流动方程求解控制物质混合和扩散的数学方程，计算流体流场和物质浓度的变化，从而可以计算三维场。[返回来源]