从技术层面而言，发动机的高效率与废气排放之间往往存在着相互矛盾的情况。德国WTZ公司开发了1款新型发动机，通过将空气中的氮气替换成不参与反应的惰性气体，以避免氮氧化物(NOx)的产生。

0 前言

近年来，随着可再生能源的发展，1990年德国国内可再生能源发电量已达到18.9 TW·h，2018年的这一指标已达225.7 TW·h，且在总电能消耗量中的比例已提高到了37.8%，但由此面临的问题是通过可再生能源产生的发电量并不稳定。目前，德国国内约有2/3的电能来自于风能和太阳能，剩下约1/3的电能来自于生物质能和水能。虽然这几种能源可在一定程度上进行相互补偿，但是风能和太阳能的稳定性较弱，无法在任何时候都满足需求。研究人员进行了估算，到2050年，约有80.0 TW·h的过剩电能将被用于蓄能。为了转换能源形式，相关研究人员认为德国政府需要充分利用蓄能技术。以抽水蓄能发电站为例，其已提供了1种高效的蓄能形式，但该方案由于受到地理条件的约束，其能源转换过程受到较大限制。

相反，采用电能制取气体燃料(Power-to-Gas)的技术则不受地理位置的限制。通过电解水制取氢燃料，然后可将其储存在天然气管网或储氢罐中，也可将其转换成其他能源形式。为了充分使用氢燃料，再将其转换成电能，燃料电池或内燃机特别适合于独立式热电联产发电站(BHKW)，但是2种系统均有其各自的缺点。与内燃机相比，燃料电池具有更高的生产成本，更短的使用寿命，并对氢燃料的纯度有着较高要求，而且需要一定面积的生产用地。同时，燃用氢燃料的内燃机的效率通常比燃料电池更低，并会排放有损于居民健康的氮氧化物(NOx)。研究人员可通过开发1种不存在上述缺陷的内燃机，充分继承这2种装置的优势，其关键技术是充分利用在电解水过程中被当成废弃物的氧气。如果研究人员将这些氧气储存起来，就可将其运用到氢燃料的燃烧过程中，并使整机具有更高的燃烧效率。根据上文中介绍的研究计划，德国WTZ公司的目标是充分了解1种全新燃烧过程的基本原理，同时使该燃烧过程不会产生废气排放，并具有较高的有效效率。

1 LocalHy合作项目

随着LocalHy合作项目的开展，研究人员能借助于可再生能源来进行电解水，并采用不同的方法来充分利用氢燃料和氧气。该项目是德国政府创新规划发展进程的一部分。该创新规划发展进程是在氢能网络(HYPOS)倡议指导下，由德国联邦教育与研究部(BMBF)进行制定的，并且有20家企业参与了合作。

WTZ公司的任务是开发出1款新型的零排放发动机，并制成示范样机。零排放发动机与压力电解过程和储气罐的组合具有较高的技术潜力(图1)。

2 采用新循环的零排放发动机的工作原理

新款零排放发动机的设计方案是将进气管路和排气管路接入循环中，如图2所示。这种方法所需要的部件可实现自行循环。发动机通过增压系统吸入氧气，而氢燃料是直接喷入气缸的。除此以外，研究人员在排气门后设置了1个废气热交换器。研究人员将氩气这类惰性气体作为载体，使其在零排放发动机内进行循环，而其换气过程与四行程发动机相似(图2(a))。

在换气过程中，发动机通过活塞的往复运动来吸入混合气，以此维持循环的持续运行，吸入的氧气与喷入缸内的氢燃料混合，在燃烧室中燃烧时就会产生水蒸气，在其下游的废气热交换器中，水蒸气温度会被冷却至100 ℃以下，从而凝结成水。液化的水蒸气与惰性气体分离后从循环中排出。存在于循环中的惰性气体及剩余氧气会在混合设备中重新与增压吸入的氧气混合，并在后续的进气行程中重新进入燃烧室。

在采用了缸内直喷方案后，氢燃料发动机的进气过程及燃烧过程与柴油机相似，由于混合气为非均质状态，因此会产生NOx排放，而新款的零排放发动机由于不采用氮气参与循环，因此不会形成NOx。此外，研究人员通过选择1种具有较高等熵指数的单原子惰性气体作为载体，能够进一步提高整机热效率。

图3示出了不同惰性气体在参与混合循环后，其热效率与压缩比的关系。在图3中，氮气这类惰性气体可用于代表由常规发动机吸入的空气。与采用氮气的常规循环相比，采用氩气的混合循环的理论效率最多要高出约15%。

3 在单缸试验机上开展的预试验研究

试验在1台缸径为128 mm且压缩比为15.5的单缸试验机上进行，燃烧过程采用了类似于柴油机的电热塞。其中，为了使氢燃料自行着火，研究人员需要将图3采用混合循环的发动机的热效率电热塞作为点火源。

4 50%工况转换点的变化

为了通过调节氢燃料喷射始点来对50%工况转换点(α50%)进行调整，研究人员采用了2种测量方案。其中，第1款发动机以常规的空气作为工质(不采用氧气)，第2款发动机则采用氩气运行。在混合设备中，约有21%(体积百分比)的氧气与氩气进行了混合。在发动机对50%工况转换点进行调整的过程期间，发动机转速、气缸前温度和输入的能量等参数均保持不变，平均指示压力为0.55 MPa。对湿度的测量表明，在废气冷却设备后部及气缸前部的位置，会出现部分饱和且湿度较高的氩气，试验结果示于图4。当发动机采用空气运行时，50%燃烧重心位置会处于6.0~8.0 °CA范围内，而采用氩气运行时，最佳燃烧重点位置则会前移到4.5~6.0 °CA。发动机采用氩气运行时的指示效率会比采用空气运行时高出约6.5%。在上述2种情况下的最高燃烧压力pmax均会随着燃烧重点位置的前移而逐步提高。

与常规发动机相比，新款发动机在采用氩气运行时，因其等熵指数较大，最高燃烧压力要高出约1.2 MPa。新款发动机在采用氩气运行时，虽然最高燃烧压力较高，但是其最大压力升高梯度却仍低于常规发动机。图5示出了2种发动机在相同运行模式下，指示效率与最高燃烧压力的关系曲线。常规发动机即使进一步提升最高燃烧压力，效率也无法与新款零排放发动机相比。

为了说明发动机在该循环下运行时具有更好的燃烧稳定性，图6示出了其各自在250个循环下的气缸压力曲线。除了压缩压力有所提升之外，新款零排放发动机的运行过程具有明显更好的稳定性。常规发动机运行压力曲线的高低差异表明了混合过程的不均匀性和充量分层现象，而这种效应在零排放发动机运行过程中并不会出现。

5 整机和BHKW

LocalHy研究项目的基本目标是对各种发动机系统进行比较。其中，根据相关原理，研究人员将零排放发动机作为试验样机，氢喷射器由1个专门制作的高压共轨系统来进行供气，氧气的混合过程与单缸试验机类似。可自由编程的发动机电控单元模块也含有对氧气的供应调节功能，此外还有配装了氢燃料和氧气2款发动机气缸压力曲线的比较的输送管道、针对氩气的压力调节系统、气体报警装置和BHKW中的配电系统等。

6 结论和展望

在利用高压电解过程制取氢燃料和氧气方面，WTZ公司已开发出了1款采用新循环的发动机，可充分实现零排放，其工作原理类似于柴油机的电热塞燃烧过程，并可作为可再生能源来制取氢燃料。

与常规发动机相比，采用新循环的零排放发动机不会产生排放，而且运行效率提高了6.5%。新款发动机可通过增压系统吸入氧气，并通过高压喷射系统喷射氢燃料，因此具有较高的自由度。由于不需要考虑废气涡轮增压器的增压压力和废气排放等情况所产生的制约，研究人员目前已开展了针对其他燃烧过程的试验研究。

本文发表于《汽车与新动力》杂志2021年第6期

作者：[德]M.CECH等

整理：范明强

编辑：伍赛特