氩气闭循环氢气发动机的研发动向与展望

陈之立

关键词：氩气闭循环氢气发动机；CO2零排放发动机；热效率；燃料电池车

为了21世纪下半叶实现碳中和，汽车零排放的进程正在加速，多国政府制定政策禁止销售包括混合动力的使用发动机的车辆。比如荷兰和挪威在2025年，德国和瑞典在2030年，法国和英国在2040年，日本在2050年将禁售使用发动机的乘用车。内燃机如果想不被时代所淘汰，必须解决CO2排放问题，即实现CO2零排放。目前的可选项是不排出CO2的氢发动机，氨气发动机，或运行时排出但综合结果不排出CO2的e-fuel发动机。

除了CO2排放问题，各国政府急于淘汰发动机的另一个原因是发动机的热效率低而造成的能源消耗问题。以汽油机为例，目前的最高有效热效率大约为40%，这明显低于电动车或燃料电池车的50%～60%。同时，发动机的热效率低也会使消费者逐渐疏远发动机车。以日本为例，从2010年起日本国内的新车销售冠军一直被混合动力车占据，已经连续12年。其原因就是混合动力车的油耗只有一般燃油车的一半，虽然车辆价格要高出大约20%，仍然得到广大消费者的认可。可见消费者是多么重视汽车的经济性，即使没有CO2排放问题，发动机也会因热效率低败阵于电动车。

短期内使发动机的有效热效率提高到电动车或燃料电池车的水平非常困难，何况还要同时实现CO2零排放，于是氩气（Ar）闭循环氢气发动机就应运而生了，或者说是重新走上历史舞台，因为其实这种发动机的概念从被提出到现在已经有70多年的历史了，只是由于发动机的热效率没有如此的迫切要求提高而未曾进入人们的视野。由于Ar的比热比高于空气，以Ar为工质的发动机的热效率可以有较大提升。以Atto循环为例，式（1）给出了其理论热效率为：

图1给出了Atto循环的压缩比和理论热效率关系的计算结果。可以看出，在压缩比一定的条件下，压缩比为10的汽油机，空气循环和Ar循环的理论热效率分别为60.2%和78.1%，即Ar循环可提高29.7%。如果按这个比例计算，当前的汽油机40%的最高有效热效率将直接提升到51.9%。

图2给出了Ar闭循环氢发动机的工作原理。将发动机的排气管与进气管相互连接形成封闭系统并在适当位置安装冷凝器。事先将Ar封入封闭系统中，运行时向封闭系统中供给氧气，Ar及氧气作为工质。向气缸内或进气道内供给氢气并与工质形成混合气，压缩点火或火花塞点火使混合气燃烧做功。废气经过冷凝器的冷却后温度降至100℃以下，分离出废气中的水分并排出封闭系统外。分离水分后的Ar以及未燃烧完全的氢气或未使用完的氧气作为循环气体，在补充新的氧气后再次作为工质利用，如此反复。

Ar闭循环发动机一般只能使用氢气作为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废气中的CO2或N2需要分离出去，而CO2或N2的分离设备目前尚未能够满足车载的尺寸和重量的小型化要求。另外，Ar闭循环发动机需要供应纯氧，这似乎是闭循环发动机应用的最大障碍。作为解决方案，可以考虑安装车载氮氧分离器制备氧气或用氧气罐携带氧气。虽然目前氮氧分离器可制备纯度99.9%以上的氧气，但设备的尺寸和重量较大，而且需要将空气压缩至5MPa而消耗较多能量，因此只适合大型车辆。在乘用车上只能使用高压氧气罐携带纯氧。此外还要考虑氧气的生产及流通如何解决。氧气的生产可以利用光伏发电电解水生产绿氢时附带产生的氧气，氧气的流通可与氢气的贮藏、运输、销售合并。所以可以认为，如果提早做出规划，那么在加氢站普及的同时“加氧”问题也可以得到解决。

携带氧气罐所产生的车辆内部空间的减少和车辆成本提高以及需要“加氧”产生的运行成本提高，在发动机能否继续生存的问题面前应该算是小事。只要认识到除了走Ar闭循环发动机这条路以外发动机有可能在不远的将来被淘汰，即使花费一点成本和努力也是值得的。以卡车的尿素水搭载为例，大约在1986年，有人提倡使用氨选择接触还原法（selectivecatalyticreduction，SCR）降低氮氧化物排放的时候，很多科研人员和企业的研发人员都认为这个技术不会普及，难道卡车除了加柴油还要“加尿素”吗。但时至今日由于排放法规过于严格，其他技术都无法满足NOx排放要求，只剩下SCR法一条路的时候，卡车和公交车以及工程机械的尿素水的搭载已成为常识。如果发动机被逼到将被淘汰的地步，“加氧”说不定也会成为常识。

1Ar闭循环氢发动机的发展史及研究动向

1948年11月2日，美国马萨奇特斯州Weston镇的F.M.Lewis向美国专利局申请了“内燃机的闭循环运行方法[1]”。这是世界上最早的Ar闭循环发动机的专利。图3给出了该系统的示意图。

内燃机燃烧中使用的氧气由液化氧供给，利用液化氧的气化热冷却发动机的废气，使废气中的CO2液化并除去。另外，如图3所示，除了用于CO2液化的冷凝器以外，还配置预冷器，在向进气管导入循环气体之前，使循环气体与废气进行热交换，防止循环气体的温度过低。关于发动机在何种场合下需要使用液化氧，以及为什么必须将CO2去除，在专利中没有给出相关信息。可能是针对应用于潜艇发动机并使用汽油或柴油为燃料。此外，该专利表述不使用纯氧而应该使用商业液化氧。其理由是不仅商业液化氧比较便宜，而且其中含有0.3%的Ar，如果使其积蓄起来的话，浓度可达到20%，可以作为工质使用。由于Ar分子量较大，因此发动机的升功率较高。另外，由于Ar是单原子，比热比较高，因此热循环的热学效率可得到提高，并在专利中给出了Brayton定压循环的理论热效率公式。该专利没有给出有关是否进行了台架试验和发动机性能的信息。因此可以认为该专利只是在原理上叙述了闭循环发动机的工作原理及热效率优势。

1976年，J.C.Fletcher根据E.A.Lauman等在美国宇航局（NationalAeronauticsandSpaceAdministration）的职务发明，申请了“氢燃料发动机”专利[2]，并于1978年获得专利。如图4所示，该发明以降低发动机的氮氧化物和提高热效率为目的，提出了利用Ar等惰性气体作为工质的，燃料为氢气的内燃机。该专利的内燃机为压缩点火方式。发动机的废气实质上不含污染物质，只有水蒸气和惰性气体。废气通过冷却将水分离出去只剩下惰性气体，再向惰性气体中添加氧气，返回发动机进行循环利用。惰性气体还具有在运行中从外部补偿损失的功能。该专利的所谓惰性气体涵盖所有单原子惰性气体He、Ne、Ar、Kr、Xe。Kr的热传导率最低，有利于冷却损失的降低可作为首选，但Kr在空气中仅存在万分之一，因此空气中的浓度为1%的Ar是最实用的。该专利指出压缩比为16，单原子气体的比热比为1.6，理论热效率可达到78%，而空气的比热比为1.4，理論效率约为63%。但是实际上这个压缩比是无法应用在Ar发动机上的。该专利给出的理由是这么高的压缩比会造成急剧燃烧和高温，以至于损伤发动机，因此，不能在理论空燃比条件下运行。该专利还具有除去润滑油的燃烧产生的CO2及未燃烃的机能，也可除去雾状润滑油。该专利还设想了为了提高燃烧效率而过剩供给氧气，过剩的氧气可循环利用；还提出了太阳光发电装置以及水电解装置的设想。晴天时太阳光发电装置向用户输电，并利用多余的电力在水电解装置中产生氢气和氧气并储存在耐压容器中，在多云的白天和夜间等必要时供应给发动机进行发电。而且发动机生成的水与惰性气体分离后在水电解装置中被循环利用。这实际上就是今天提倡的绿氢制造和利用以及昼夜电力供需缺口调整系统，很难想象这是46年前的人提出的方案。但是遗憾的是该专利只停留在设想阶段，并没有证据显示该专利有台架试验的记录。

1978-1980年，永井蒋等[3-4]（日立造船）报告了一系列闭循环柴油机的研究成果。这些研究的目的是研发一款可以在潜艇或海洋科学研究的水下或地下用的发动机。废气中的水蒸气通过废气冷却器除去，CO2通过化学吸收法除去。CO2气体吸收液的吸收性能及吸收装置的尺寸是最大的难点。虽然文献中没有明确说明吸收液的使用量，但是根据文献[4]所示的吸收液的损失数据进行计算，可发现发动机输出功率为28.5kW，吸收剂为单乙醇胺（MHA），吸收方法为洗气法，废气的处理能力为129m3/h，CO2质量为22.6kg/h，吸收剂的平均恢复时间为5h时，需要383kg吸收液，可知需要相当大的吸收装置。该研究报告还指出，由于该发动机可以在完全密闭的状态下运行，因此除了氮气以外，Ar、氦气、CO2、水蒸气也可以成为工质，并通过计算预测了将工质置换为Ar或氦气时的发动机性能。由于Ar和氦气的比热比比氮气高，压缩上死点的压力和温度显著上升，所以计算结果显示，如果用空气运行时的热效率为1的话，Ar为1.15，氦气为1.19。但遗憾的是文献中没有给出台架实验的结果。

同是1980年，Cornell大学Sibley分校，机械和航空航天工程学院的P.C.T.DeBoer等[5]对Ar闭循环氢发动机进行了台架实验。其主要目的是验证这种发动机与传统发动机相比，热效率能否大幅提高，敲缸和过早点火等问题是否严重。氢气、氧气和Ar的预混合气体被供给到美国材料与试验协会（AmericanSocietyforTestingMaterials-CooperativeFuelResearch，ASTM-CFR）单缸发动机，Ar为一次性使用，不进行循环。该研究得到了与Ar闭循环发动机的运行条件，热效率以及输出功率的实验数据。实验结果显示：如果Ar浓度高于75%，则指示热效率有显著改善。例如，在压缩比为7的条件下，Ar浓度为90%，指示热效率约为50.5%，空气工质运行压缩比8时指示热效率为37%，即Ar运行提高了36.5%。该研究指出：由于爆震，不得不降低压缩比，点火延迟也无法充分提前，因此无法得到最佳的热效率。在压缩比为10的条件下，虽然能够运行，但由于发生了严重的爆震，不得不使点火延迟大幅滞后，输出功率和热效率因而降低，Ar运行的优点消失殆尽。该项研究给出在Ar浓度为60%时，不发生爆震的压缩比为5.5～7.0，指示平均有效压力达到最大值的0.65MPa。该研究的结论是，Ar闭循环发动机无法避免爆震，从根本上解决爆震问题的唯一方法是缸内氢气直喷。在作者的文献调查所得到的信息中，该研究是世界上首次的Ar闭循环氢发动机的台架实验。

1982年，M.Ikegami等[6]（京都大学工学部）报告了Ar闭循环氢气压缩点火发动机的研究结果。氢气的压缩点火非常困难，即使将压缩比提高到29，也需要先导喷射和电热塞等点火辅助方法。如果将工质改为Ar，由于Ar的比热比高，比热小，压缩温度高，那么压缩比12.3就实现了稳定的氢气的压缩点火。压缩比为16.0时，指示热效率达到49%。但由于防漏型氢气喷嘴的性能限制，压缩比無法进一步提高。由于压力上升率的限制，必须随着负载的上升，延迟喷射时期。喷射时期延迟到上止点前（beforetopdeadcenter，BTDC）1.2°时，平均有效压力（brakemeaneffectivepressure，BMEP）达到0.94MPa。当然，由于热发生率重心延迟，因此牺牲了热效率。无论如何，该研究显示了Ar闭循环氢气压缩点火式发动机的可能性。另外，该研究是日本国内首次对Ar闭循环发动机进行实证研究。

1995-1997年，石田裕幸等[7]（三菱重工）报告了单原子气体闭循环压缩点火发动机的研究成果。该项研究是受新能源产业技术综合开发机构（TheNewEnergyandIndustrialTechnologyDevelopmentOrganization，NEDO）委托进行的。从研究报告的表述和引用的文献推测，该研究没有参考池上等人的研究，又一次提出了Ar闭循环氢气压缩点火发动机的方案。并于1997年申请了专利，1999年获得专利[8]。其特点是把涡轮增压器安装在封闭管路上。另一个特征是将废气中的水蒸气冷凝液化，排出系统外，同时把过剩供给的工质也排到系统外。该系统不需要供给或补充Ar，而是使供给氧气中存在的Ar在发动机闭循环系统中不断循环浓缩。如果氧气中存在的氮浓度低于Ar浓度，则闭循环系统内的氮浓度低于Ar浓度，该项研究提出用废气涡轮回收工质的剩余能量，驱动透平发电机，以提高热效率，同时，由于涡轮机的膨胀，工质的压力和温度降低，因此可以减小冷凝器的传热面积。遗憾的是，该研究没有进行台架试验验证。通过计算，该项研究指出与传统发动机相比，指示热效率可以提高20%。

2004年9月，三谷信一等（丰田汽车公司）申请了“工质循环氢发动机”的专利[9]，并于2006年3月获得专利。该发动机的基本原理与以往的Ar闭循环发动机相同，燃料为氢气，工质为Ar和氧气，通过冷凝器将废气中的水分离排出。2006年2月申请了周边专利[10]，2007年9月获得专利。在该专利中，追加了CO2吸收分离除去的机能。当循环气体中含有的润滑油燃烧产生的CO2浓度达到规定浓度以上时即触发CO2分离除去机能。此外，2008年4月申请了周边专利[11]，2009年11月获得专利。在该专利中，追加了除去未燃氢气以及未使用氧气的功能。因为如果循环Ar中氢气或氧气大量存在，则工质的比热比降低，压缩终点温度及压力降低，因此热效率降低。此外，三谷信一等还申请了三项外围专利。

在申请了上述一系列专利后，三谷信一等在2008—2013年发表了一系列研究报告，包括氢气预混合火花点火式发动机的性能、缸内直喷式压缩点火发动机的性能、用于分离Ar和水的冷凝器的容量以及Ar循环时润滑油燃烧产生的CO2积蓄、指示热效率等[12-14]。

首先，如图5所示，三谷信一等在氢气预混合火花点火发动机的性能的报告中[12]，给出了在Ar非循环利用时，把氢气和氧气混入Ar的实验结果。

由于温度上升导致过早点火和燃烧速度上升，因此，发生了剧烈的爆震。虽然通过尝试进气门的延迟关闭以降低实际压缩比，推迟点火延迟角，降低氧气浓度，以及避免氢气浓度的理论混合比运行等对策，但从图中可以看出，缸内压力震动依然非常严重，不仅推迟点火延迟角对降低爆震几乎没有效果，反而由于推迟点火延迟角牺牲了热效率，最大指示热效率仅为29%。在把氢气预混合变为氢气缸内直喷，并把火花点火变为压缩点火，实现了氢气扩散燃烧后，解决了爆震问题。通过氢气缸内直喷的压缩比的优化，喷孔数的增加以及喷射率的增加，最高指示效率达到54.0%（如图6所示）。

在后续报告文献[13]中，介绍了分离水蒸气的冷凝器的设计及性能实验及冷凝器性能的验证。另外，该研究中实现了Ar的循环利用，并且，给出了Ar循环运行时润滑油燃燒产生的CO2积蓄以及完全封闭运行时Ar中CO2的浓度变化。但是由于喷嘴的喷射压力的制约，该项实验限定为火花点火发动机。

在后续报告文献[14]中，介绍了压缩点火燃烧的实验，使指示热效率达到50%。另外，为了降低冷却损失，从型腔活塞变更为平顶活塞。如果喷流碰到壁面，就会增加热通量，因此为了避免这种情况，将喷射方向变更为中央喷射，采用了喷雾贯通距离短的24喷孔喷嘴。通过这些改良，作为小型发动机，实现了至今为止未达到的极高的指示热效率60.9%（如图7所示）。

但是，如图6和图7所示，虽然达到了很高指示热效率，但都是轻负载下的实验结果。文献[12]的平均指示压力（IMPE）仅为0.12～0.31MPa，虽然在文献[13-14]中没有明确记载负载信息，但是对于500cm3的排量（2L的4缸发动机中一个气缸的排量），氢气喷射量仅为每循环2.3mg（如图7所示），因此可以推测为轻负载。在高负载下，缸内压力上升率相当高，产生急剧的燃烧和较高的冷却损失，因此不得不降低压缩比；但是如果降低压缩比，理论热效率就会降低，Ar带来的优势就会减弱，因此，只能降低负载进行实验，也就是说爆震问题并没有得到实际解决。因此，今后Ar闭循环发动机的研发课题是如何维持压缩比的同时，控制燃烧速度，提高发动机负载。

2012年，京都大学MohdRadziAbuMansor等[15]与丰田合作，报告了Ar喷雾喷射的点火特性。主要结果是：关于喷雾前端速度，Ar环境下的氢喷雾到达气缸壁的速度比氮气气氛下慢；关于点火的温度依赖性，空气表现出同样的倾向，高温时点火延迟较短，低温下点火延迟较长；点火的压力依赖性也与空气相同，具有压力和负依存性。

2010年，NickJ.Killingsworth等[16]使用单缸可变压缩比发动机，比较了以氢气为燃料的Ar循环和空气循环。排量616cm3，发动机转速900r/min，氢气喷入进气歧管，火花点火。虽然Ar不是循环再利用，但对该项研究的负载范围和热效率实验没有影响。当量比为0.24时，即在轻负载的条件下，对于空气循环，在压缩比6～17的范围内可以正常运行，压缩比为13时，最大指示热效率达到35.9%。对于Ar循环，压缩比为5.5～7.0的范围内可以正常运行，可以说非常狭窄。压缩比高于7时发生爆震。压缩比为5.5，Ar浓度为86%时，最大指示热效率达到44.8%。

2014年8月，李理光等[17]申请了专利“循环型氩发动机的控制法”，并于2015年1月获得了专利。基本原理与以往的Ar闭循环发动机相同，但燃料设想为甲烷。为了解决Ar循环封闭系统没有压力控制功能以及排气的压力波影响进气的问题，追加了排气和进气的隔离装置和压力稳定装置。另外，还追加了Ar的供给量的调节装置以及Ar补充罐。由于燃料设想为甲烷，所以废气中的CO2的捕获和分离是一个重要课题，但是该专利没有叙述CO2捕捉和分离的原理、设备和捕捉率等任何详细信息。

2018年，LILiguang等[18]根据上述专利所述发明，使用GP-Power进行了性能模拟。比较空气循环和Ar循环，燃料为天然气，火花点火，压缩比为5.5～12.0。在空气循环的压缩比12中，相对于最大指示热效率38%，Ar循环的压缩比为8.5，达到最大指示热效率51%；另一方面，还发现Ar循环的缸内压力的最大值达到18MPa，约为空气循环的3倍。在如此高的缸内压力下，可能会发生爆震和摩擦增大、零件损伤等，因此成为Ar循环今后的课题。

自2018年以来，本文作者开始了Ar闭循环氢气发动机的研究。到目前为止主要在闭循环管路配置[19]、启动和燃料供应方式[20]、热效率和损失[21]、工质中水分的影响[22]、Ar浓度的影响[23]、爆震[24]、闭循环管路中压力的影响[25]和氢气和氧气的浓度的影响[26]等领域得到了一些实验数据。这里介绍4个研究成果。

研究中使用的台架实验发动机，一台为YAMAHA发电机上的79.8cm3四冲程汽油机，另一台为YANMAR638cm3四冲程单缸柴油机改造成的Ar闭循环氢发动机。选择YAMAHA发动机是为了得到一个系统简单、抗爆震性能强的闭循环系统。YANMAR发动机的选择是为了装备可变气门等先进实验设备。由于Ar闭循环运行时，压力和温度都高于空气运行，通过摸索实验，将YAMAHA发动机的压缩比从8.7降低到5.75，YANMAR发动机的压缩比从17.0降低到8.7。

如图8所示，东海大学的Ar闭循环氢气发动机的实验装置包括工质循环管路（蓝色）和测试系统（黑色）。在工质闭循环管路中，由于气体成分分析仪连续采样，会消耗掉一部分工质，所以需要连续补充Ar。另外，由于管路中没有装备CO2捕捉装置，来自润滑油燃烧产生的微量CO2会逐渐积蓄，所以需要以一定的流量置换闭循环管路内的工质。由于气体成分分析仪的采样流量约为4L/min，CO2置换Ar流量约为4L/min，所以向管路中连续补充流量为8L/min的Ar。为了排出置换的Ar，管路中设置了大气开放的溢流口。

1）有效热效率的提高。在YAMAHA发动机上进行了Ar闭循环氢气运行、空气汽油运行、空气氢气运行以确认Ar闭循环的热效率优势。首先在购买了这台发动机之后尚未对发动机改造之前，测试了汽油运行的有效热效率。压缩比为8.7，点火时期为BTDCCA23°，转速为3000r/min，结果是图9中的灰色线。在对发动机进行改造之后，压缩比为5.75时，点火时期为BTDCCA10.5°，从空气氢气运行（图中橘黄色线）改为Ar氢气运行（图中蓝色线），在有效功率425W时，有效热效率上升了41.7%。但与原厂压缩比（8.7）相比，热效率的提高没有那么多。这是因为Ar运行时的压缩比降为5.75，造成了理论热效率的降低。

另外，这台发动机的汽油运行的额定有效功率是700W，本次实验所得到的Ar闭循环氢气运行的最大有效功率仅为汽油运行额定有效功率的66.4%，这是因为Ar闭循环氢气运行容易产生爆震，即使将压缩比降低，点火时期延迟也仍然没有解决爆震问题。

2）利用当量比抑制爆震。在闭循环中，由于燃烧后没有用完的氢气或氧气会不断积蓄，所以工质中的氢气或氧气可以达到很高的浓度。作者利用这一特征，尝试了通过改变氢气或氧气的浓度，也就是通过改变当量比抑制爆震。实验范围设定在当量比在0.09～7.96（氧气浓度为60.9%～5.7%）的范围内。压缩比5.75，转速3000r/min，点火时期14°。

图10给出了各当量比下的工质成分。以当量比1为分界线，左边为氧气过剩，即氧气浓度通过积蓄逐渐增大；右边为氢气过剩，即氢气浓度通过积蓄逐渐增大。

在所有试验结果中，以有无爆震、最大缸内压力抑制效果为基准选定4条缸内压力曲线，如图11所示。这4条曲线的实验条件列于表1中，其中发生爆震的条件只有②。结合图11和表1可知，试验条件②的当量比为1.23，有效功率为432W，Ar浓度为76.81%，最高缸内压力为2.70MPa——在4个条件的实验中最大，产生的爆震最多。条件③、条件④具有同等的最高缸内压力，但Ar浓度有很大差异，④的最大缸内压力的产生时期较早。由此可知，氢气过剩和氧气过剩在燃烧上存在差异，氢气过剩的燃烧速度较快。在本实验中，由于转速固定，可以假定紊流强度是一定的。

从图12[26]可知，氫气层流燃烧速度在当量比1.6附近达到最大值，比热比越高，比热越小，Ar的浓度越高，燃烧速度就越快。

基于图12，将图11、表1的结果整理如下。在爆震最多的②中，Ar浓度相对于①仅减少约1.8个百分点，当量比最接近1.6。因此，比热小所导致的温度容易上升，当量比接近1.6所导致的燃烧速度快而引发快速燃烧，进而产生爆震。

从图12可知，层流燃烧速度在条件③的当量比0.30时约为0.5m/s，条件④的当量比4.06时约为1.5m/s，④明显较高.因此，在条件④中，在上止点附近发生燃烧，最高缸内压力容易上升，条件④为了降低到与条件③同等的最高缸内压力，所需的Ar的减少量较多，即④的Ar浓度较低。由此，从表1可知，③和④中氧气过剩的③的有效功率较高。因此，从上述原因来看，③在保持Ar浓度高的状态下能够抑制爆震，并且热效率的降低较少。可以说，在点火时期固定条件下，氧气过剩是作为爆震抑制的有效方法。

3）利用工质中的水蒸气控制爆震。如果增加Ar闭循环氢气发动机的工质中的水蒸气分压，则由于工质的平均比热的增加，燃烧温度降低，就会减轻爆震（如图13），相当于空气发动机的废气再循环（exhaustgasrecirculation，EGR）。而Ar闭循环氢气发动机中控制工质中水分的方法非常简单，只需要控制冷凝器的温度，得到不同的饱和蒸汽压力。

实验条件为压缩比、氢气供给量、点火时期一定，冷凝器出口Ar温度分别设定为25、40、55、70℃，在这些温度条件下，循环Ar中的水蒸气分压分别为3.0、7.9、15.2、30.1kPa。通过记录100个工作循环的缸内压力，并进行高速Fourier变换（fastfouriertransform，FFT），求出爆震强度。

实验首先将循环Ar温度保持在25℃，逐渐增加氢气供给量，在根据噪音判断发生了爆震时，得到了25℃时的爆震发生的氢气供给量，并在其他温度条件下保持这个氢气供给量进行实验。图14给出了4种温度条件（4种水蒸气分压）下连续100个工作循环的爆震强度。在本项实验中，凡是爆震强度超过25kPa的工作循环就判断是发生了爆震，并将发生爆震的工作循环数相对于100个工作循环的比例定义为爆震率，如图14所示。循环Ar中水蒸气分压为3.0Pa时约有一半（49个）工作循环发生了爆震，而循环Ar中水蒸气分压为15.2kPa时减少到4个，30kPa时减少到1个。由此可见增加水蒸气分压会减轻爆震效果显著。

4）闭循环管路对爆震的影响。火花点火发动机爆震的发生主要是由于负载增大引起的压力上升，所以进气压力变动时就会影响压缩压力和燃烧压力，从而影响爆震的发生。在闭循环条件下，由于排气管连接着进气管，排气压力可能会影响进气压力，引起进气压力的变动，进而影响爆震的发生。因此，在本研究中，通过在闭循环管路上安装压力传感器，分析排气管压力与进气管压力的相关性，搞清闭循环管路对爆震的影响。

图15给出了进气压力、排气压力以及缸内压力的闭循环和开放循环的比较，从上到下依次为，缸内压力、排气压力、进气压力。各图中的红色表示闭循环，蓝色表示开放循环。另外，用竖红线将排气行程、进气行程、压缩行程区分出来。横轴为曲轴转角（CA），压缩上死点定为上止点后（aftertopdeadcenter，ATDC）0℃。IVO372表示进气门开启时期为ATDCCA372°。EVO159表示排气门开启时期为ATDCCA159°。

在排气行程的前半部分，可以观察到闭循环和开放循环的缸内压力均为上升趋势（见①段），并在ATDC300°附近达到峰值而转为下降趋势（见②段），该上升和下降分别是由于排气行程前半部分活塞的推进而产生的正压和后半部分的排气的惯性效果产生的负压引起的。在ATDC200～300°，开放循环的缸内压力比闭循环稍高（见③段），原因不明；在ATDC300°之后，闭循环的缸内压力渐渐超过开放循环的缸内压力（见④段），这是由于闭循环的废气都憋在排气管中，而开放循环直接排出到大气中。同理，这个区间内闭循环的排气管压力和进气管压力均比开放循环高（见⑤段）；闭循环的缸内压力在进气门开启附近（IVO372）突然出现压力上升（见⑥段），这是因为进气门开启时的进气管压力（110.91kPa）高于缸内压力很多，进气门一旦开启就有高压气体涌入气缸造成的。而在开放循环中缸内压力观察不到如此明显的压力上升（见⑦段），这是因为开放循环的进气门开启时，进气管压力（100.79kPa）比缸内压力（93.22kPa）高得不是很多，没有高压气体涌入气缸。所以可以认为在进气行程的前半程，闭循环的进气量比开放循环多。

在进气行程的后半程，即从ATDC450°开始，随着活塞下降速度的降低，进气的惯性效果显现出来，闭循环和开放循环的缸内压力出现反转，开放循环高于闭循环（见⑧段）。这是因为闭循环和开放循环的进气管压力出现反转（见⑨段）。进气管压力出现反转的理由是，在闭循环的情况下，由于闭循环管路的体积不变，进气管压力与流入缸内的进气量成比例地降低，而在开放循环的情况下，由于与大气相连，因此进气管压力不会降低。所以可以认为在进气行程的后半程，闭循环的进气量比开放循环少。

从以上分析可知，闭循环的进气量在进气行程的前半程多而后半程少，而开放循环的进气量则相反。所以可以认为总体上闭循环和开放循环的进气量基本相同。因而，当进气行程结束时闭循环和开放循环的缸内压力基本不发生变化⑩。通过以上的分析可知，闭循环管路内的排气压力虽然影响闭循环管路内的进气压力，但不影响最终的进气行程的缸内压力，所以可以认为不对爆震产生影响。

2Ar闭循环氢气发动机的优势，课题及发展前景

Ar闭式循环氢气发动机的优势及劣势可大致归纳如下：

1）由于Ar的比热容比高于空气，Ar闭循环发动机的理论热效率高于空气循环。在前言中已做介绍，这里不再赘述。

2）运行期间没有CO2排放。Ar闭循环发动机只能使用氢气。如果使用汽油、柴油、天然气等含有碳元素的燃料，那么从废气中分离Ar就将变得十分困难。目前的技术还不能制造小型高效的CO2捕捉器。相反利用氢气作为燃料不仅没有CO2生成，只需将废气冷却到100℃以下就能分离出Ar，而且利用氢能也符合未来社会走向清洁能源的发展趋势。

3）不产生NOx、未燃烃、CO、微粒子等，所以不需要后处理系统，可以节约大量贵金属及稀有金属，也可以减轻整车重量。

4）进气成分、温度、压力、流量都可以自由控制。氧气及氢气的任何一方过剩时都可以和Ar一起从水分中分离出来循环利用。特别是氢气，在传统发动机中如果过剩将造成燃料损失，降低发动机经济性。而闭循环发动机不仅不存在这个问题，甚至可以有意增加氫气供给量以控制工质的成分达到控制燃烧的目的。同样氧气也可以任意调节浓度用以控制燃烧。水分也可以通过冷凝器的温度任意调节，在发动机高负载运行时适当增加水蒸气浓度可以缓解爆震的发生。增压压力（或减压）可以自由设定，只需要调节封入闭循环系统的Ar压力而无需涡轮增压器，节约了增压器的耗能。

5）可以方便地制造二冲程闭循环发动机。二冲程发动机有体积小、功率高等优势，但是由于扫气会带走一部分燃料因而降低发动机的经济性及造成污染环境，所以除了船用发动机，二冲程发动机已经销声匿迹。而闭循环发动机不存在扫气的燃料损失问题，一旦Ar闭循环氢气发动机得到普及，二冲程发动机可能会卷土重来。

6）Ar闭循环氢气发动机可以完全实现无排气，也不消耗环境中的氧气，所以可以在密闭的空间运行，包括矿山机械、涵洞施工、地下交通网、燃油车辆禁止行驶地域、水下交通观光产业、军用等，应用前景非常广阔。

7）Ar闭循环氢气发动机的噪音较小，非常适合作为城市交通网的动力装置。因为发动机的噪音源有很大一部分发生在排气口的排气管出口与大气的界面上，而闭循环没有大气界面，排气的冲击波几乎完全在闭循环管路内消耗掉，所以不需要消声器，减轻了整车重量。

8）不需要空气过滤器，可以在极端恶劣的，特别是粉尘污染严重的事故现场、火灾现场、火山灰降落区域执行救援任务。同时由于不导入外界空气并可以自我增压，可以在高原、高海拔、高寒地域使用。循环的Ar自身可以保有废气中的热能，有利于在高寒地区启动发动机，不需要预热塞，所以特别适合高寒地区使用。

9）需要携带氧气。由于富氧技术还未成熟而且在短期内也没有取得重大进展的可能性，设备庞大耗能惊人，所以只能靠携带氧气解决供氧问题。具体构想已在前言中作了介绍，这里不再赘述。

10）需要一个大型冷凝器和散热器，不仅要满足传统发动机的水冷系统的散热，还要将发动机的废气全部冷却到100℃以下，如果发动机的输出功率为100kW，有效热效率为55%，自然散热为5%的话，那么散热器的散热功率至少要达到66.7kW，散热器本身的尺寸及重量和散热风扇的能耗都是要解决的问题。另外，散热器的热风也会给上述在密闭空间的使用带来一定限制。

11）Ar的比热比高，比热低，所以压缩温度和压力，燃烧温度和压力都要高于空气发动机。这就需要在发动机的强度、结构和材料等方面采取相应措施，保证发动机的运行安全和耐久性。如何抑制由此造成的成本提高也是需要解决的课题。

上述1）-8）是Ar闭循环氢气发动机的优势，9）-11）是劣势。

Ar闭式循环氢气发动机的研发课题可大致列举如下：

1）启动和停止控制：由于发动机停车时闭循环管路中的气体成分必然是停车时的工况下的气体成分，所以不一定适于发动机启动要求。所以停车前要将闭循环管路中的气体成分置换成适合启动工况。这就需要研发一套传感器和控制系统。

2）燃烧、负载、爆震控制：如上所述，即使是丰田汽车公司的研究报告，也只给出了最高0.31MPa的平均指示压力的实验数据。这里面有2个因素，一个是高负载将影响到热效率值的完美，不能达到前述的60.9%；另一个是高负载工况受爆震的限制很难实现。将来的研究方向应该是应用氢气缸内直喷，最大限度地减缓爆震发生。结合点火提前角的调节，Ar浓度和氢氧浓度及水蒸气浓度的调节，通过Ar压力的调节产生增压效果，在维持较高压缩比的前提下达到空气发动机的设计负载指标。这是一个亟待解决的研发课题。

3）回火和早期点火控制问题：空气发动机应用氢气为燃料时会发生回火和早期点火，其主要原因可以分为2种情况：一个是高负载时，由于壁面温度升高，在进气门开启时首先进入气缸的氢气被高温壁面点燃，然后燃烧逆流而上，一直发展到整个进气道甚至整个进气管；另一个是低负载时，由于燃烧速度缓慢，燃烧一直持续到排气行程结束，进气行程开始，于是首先进入到气缸的氢气被上一个循环的火焰点燃并逆流而上。Ar发动机的燃烧温度高于空气发动机，所以上述第1种原因的回火更加明显，第2种原因的回火自然得到改善。但Ar发动机还有第3种原因产生回火，就是在氧气循环积蓄时，会产生高浓度的氧气，使壁面点火所需要的壁面温度降低，壁面点火更容易发生。

4）氧气和氢气的循环积蓄控制：任何一个工作循环中的氧气或氢气的一方如有剩余就会进入后续的工作循环中，如果不及时调整供给量，将在数s时间内积蓄到50%以上的浓度。所以要建立一套氧气、氢气、Ar传感器和流量控制系统，这套系统需要具有极短的反应时间，最好能够进行单循环控制。

5）润滑油的燃烧和乳化问题：润滑油会少量附着在气缸壁以及进气门背面，在进气行程中蒸发并进入气缸。另外油底壳内的润滑油飞沫也会通过窜气进入进气道，并在进气行程中进入气缸。这些润滑油被燃烧并产生CO2。这些CO2如果不及时除去就会在闭循环管路中积蓄。另外为了减轻爆震，闭循环中的Ar中有意留下一些水分，也就是说Ar氢发动机比空气氢发动机的进气中含有更多的水分。这些水分的一部分会通过活塞开口间隙进去油底壳从而使润滑油乳化。

6）上述研发课题是Ar闭循环发动机特有的，除此之外氢发动机的一般性课题也要得到解决。比如氢气的燃烧速度较高引起的冷却损失增大，氢气对金属的脆化作用，氢气喷嘴的泄漏等问题。

基于上述Ar闭循环氢气发动机的优劣及课题，作者尝试分析一下其发展前景。Ar闭循环氢气发动机的发展应该取决于氢能、燃料电池车、Ar闭循环氢气发动机车三者的相互制约。Ar闭循环发动机的概念被提出至今已有74年了。由于CO2分离技术和氮氧分离技术的滞后，可以认为Ar闭循环发动机在今后相当长的时间内，其燃料必然是氢气而不可能是含碳燃料或氨燃料。所以讨论Ar闭循环氢气发动机就要以讨论今后氢能如何发展为前提。

以日本的氢能发展为例，虽然日本在发展氢能源布局较早但最近的进展并不顺利。首先回顾一下日本的氢能源发展历程。

1973年发生的第1次次石油危机促使日本决心发展氢能等新能源以应对长期能源供应和环境问题。1974年启动了“日光计划”项目[27]，这个项目以政府机关，国立研究所和高校为主体，预计持续到2000年，旨在发展太阳能，地热，煤炭气化液化，氢能4项技术。到1992年共投入了4400亿日元，平均每年244亿日元，而同一时期的科研费（相当于中国的自然科学基金）共7100亿日元，平均每年394亿日元，可见日本对新能源发展的投入力度之大。再加上1978年启动的“月光计划”项目的1400亿日元，以及1993年启动的“新日光计划”项目的1.5兆日元的预算，使得日本在新能源方面有了坚实的技术储备。有了这个底气，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，通产省于2003年制定了“能源基本计划”[29]，而且每3年更新1次，从2003年的第1版到目前的2021年的第6版。通过这个“能源基本计划”，通产省有权在量化未来的能源供求关系的前提下，提出能源政策并制定量化目标。

具体到氢能产业上就是2013年成立了“氢能及燃料电池战略协议会”并于2014年发布《氢能与燃料电池路线图》[30]。这个路线图给出了日本实现氢能社会的3个阶段。

第1阶段，极大地扩大固定式燃料电池和燃料电池汽车的使用，并占领氢气和燃料电池的全球市场；第2阶段，推动氢能发电和氢能供热以扩大对氢气的需求；第3阶段，结合CO2回收与利用技术实现绿氢生产和供应体系。通过这张路线图可以看出日本意欲引领全球氢能产业而当时日本也的确有引领全球的实力。

以燃料电池车专利数量为例，当时（2014年）日本约持有65000项，比美国（3000项），中国（15000项），德国（12000项）[31]加起来还多。由于2014年版的路线图没有设定具体的量化目标，所以2016年日本发布“改定版氢能与燃料电池路线图”[32]，设定了诸如到2020年实现普及燃料电池车4万辆，2025年20万辆，2030年80万辆等目标值。2017年发布了“氢能基本战略”[33]，计划2030年氢能产量达每年30万t，发电装机容量100万kW，加氢站320座。2019年日本再次更新“氢能与燃料电池路线图”[34]，将加氢站数量提高到900座。2021年为了达到碳中和目标又宣布计划2030实现氢气供应量每年300万t[35]。可是实际情况却是，2021年丰田第2代燃料电池车MIRAI售出2447辆，日本国内燃料电池车保有量8157辆，氢气年产量5.8万t，加氢站162座，燃料电池车的氢气年消费量200t[35]。氢能无法快速形成生产规模的主要原因应该是消费不能形成规模所至，而限制消费的则是燃料电池车的价格过高（起价710万日元），是普通乘用车的3倍，混合动力车的2倍。此外，加氢站少也是燃料电池车卖不动的另一个重要原因。而氢气消费量小又使得加氢站无法形成商业扩大模式，无法投资新的加氢站建设，形成一个死循环。所以，Ar闭循环氢气发动机的定位应该是扮演扩大氢气消费量的角色而不是等待靠燃料电池车引领的氢能产业链的成熟。Ar闭循环氢气发动机的技术门槛低，传统发动机的大部分技术都能够得以继承，成本只比传统车多了储气罐而且由于不需要排气后处理系统而有望基本持平，经济性却一下子提高大约40%，可以说是有百利而无一害。所以Ar闭循环氢气发动机应该比燃料电池车容易普及，是促进氢能产业进入扩大再生产的正循环模式的新动力。

在应用领域上，因为乘用车以短途为主，正在快速的被电动车替代，即使Ar闭循环氢气发动机热效率能够与电动车匹敌，也会因为加氢站的成本和数量无法与充电桩竞争而失去优势，所以应该避开乘用车，即避开电动车。可以考虑首先将Ar闭循环氢气发动机应用于商用车领域，特别是干线物流的重载卡车和长途城际公交客车。现在这2种车型的动力仍然是柴油机，能耗高排放严重，亟待找到解决方案。如果用电动车代替，为保证续航需要搭载的电池将更大更重，充电时间也更长。如果用Ar闭循环氢气发动机替代，因为这2种车型站点固定，不需要广泛建设加氢站，只需要在固定干线两端建加氢站，甚至可也就地建设光伏发电制氢，不仅降低了氢气转运成本还可以同时解决氧气供应问题。如果Ar闭循环氢气发动机在重载卡车得到应用，即使不计入长途城际公交客车，以日本经济产业省的试算为例[36]，2019年日本国内的载重6t以上的重载卡车保有台数为62.7万台，按每台每年消耗氢气6.88t计算，那么氢气需求总量可达到431万t。即使只有1/10的重载卡车应用Ar闭循环氢气发动机，也远远超过了氢能基本战略中的2030年氢能产量达每年30万t的目标，足以成为促进氢能产业进入扩大再生产的正循环模式的强势推动力。

3总结

发动机在碳中和潮流势不可挡，新能源车日新月异的时代，背腹受敌，几乎失去了反击的力量。所幸发动机130多年历史的技术积累，甚至可以说是文化沉淀，使发动机自身获得了一线生机，那就是Ar闭循环氢发动机。本文比較系统的介绍了这种发动机的原理，特征和发展史以及研究动向，也尽可能地比较客观地分析了其发展前景。希望对中国的读者有一点参考价值，也希望有更多的同事们参与研究。