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燃料改质发动机，转用“束之高阁”的FCV技术

发布：liuxianglong 作者: 清水直茂来源：日经技术在线

PostTime：4-5-2016 17:30

作者：清水直茂作为新一代的发动机技术，燃料改质技术愈发受到关注。各大型汽车企业都在大力发展这项技术。改变燃料性质，使其更易燃烧。

以下为文章全文：(本站微信公共账号:cartech8)

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作为新一代的发动机技术，燃料改质技术愈发受到关注。各大型汽车企业都在大力发展这项技术。改变燃料性质，使其更易燃烧。通过结合EGR（废气再循环），可以大幅提高发动机的热效率，而且成本不高。解决实用化课题的路子也逐渐明确。最早将会在2018～2019年投入实用。
“非常期待这项技术。正在（为技术人员们）鼓劲”。
在马自达统管发动机开发的人见光夫（常务执行董事）这样激励员工，也透露出了该公司正在暗中开发采用燃料改质技术的发动机。马自达在“SKYACTIV” 技术上实现飞跃，如今可以号称发动机开发的先驱。人见作为发动机业务的核心人物，在他看来，燃料改质技术掌握着未来发动机开发的关键。
这项技术的主流是利用催化剂，使燃料与废气反应生成氢气。通过与吸入的空气混合，加快燃烧速度。与废热回收效果相加，可以大幅提高发动机的热效率。

（燃料改质掌握着提高热效率的关键。燃料改质技术能够以比较低廉的成本，大幅提高最高热效率。与改善增压技术、降低摩擦损失等相结合，能够使最高热效率从目前的40％，提高到接近45％。括号内是热效率增加的幅度）
关注这项技术的不只是马自达。日本国内的大型汽车企业其实都在开发。日产汽车近年来一直在积极发布研究成果。丰田也认为，要实现使汽油发动机的热效率达到50％的技术蓝图，燃料改质是重要技术。本田则与改质为氢的主流方法不同，更热衷于开发其他类型的技术。

（各公司发展燃料改质的目的各异。日产与国家项目“SIP”是将一般的汽油燃料改质为氢气，提高燃烧速度。丰田虽然也是改质为氢气，但使用的是含乙醇的汽油燃料。本田特立独行，希望将HCCI的燃烧区域扩大到几乎全部负载区域。）
日本政府也在推动燃料改质技术的实用化。国家项目“战略性创新创造项目（SIP）”中的“革新性燃烧技术”，将燃料改质指定为一项基础技术。正在由早稻田大学教授大圣泰弘领导开展研究。
各汽车公司关注燃料改质技术，是因为这项技术能够以比较低廉的成本，大幅提高燃效性能。日产宣布，在使用单缸汽油发动机的实验中，热效率增幅高达6％。丰田尽管没有公布最近的成果，但表示热效率在2011年提高了4.6％。本田走自主路线，实用化可能需要比较长的时间，但也提出了提高20％以上的惊人目标。
燃料改质的成本还不算高。比如说，日产采用的方法只需要为汽油发动机普遍配备的EGR（废气再循环）增加重整器。具体做法是在通往废气吸入侧的管路（EGR管路）中，设置由催化剂和燃料喷射装置组成的重整器。

（实现燃料改质技术的结构的概要（汽油方式）。利用改质催化剂使汽油燃料与废气反应生成氢气，将氢气输入进气侧，提高燃烧速度。在EGR管路中设置催化剂和燃料喷射装置。图中没有标出，EGR管路的催化剂之后还配备了EGR冷却器。）
改质使用的催化剂与汽油发动机常见的废气后处理装置——三元催化剂类似。主要成分是铑（Rh），去掉了三元催化剂中的铂（Pt）和钯（Pd）。制作方法也与三元催化剂基本相同。成本因排量和贵金属的价格而异，对于排量为1～2L的发动机，催化剂与燃料喷射装置相加，成本估计可以降低到1万日元以下。
现在，提高发动机的热效率需要以0.1％为单位，一点一滴地积累。如果只增加不到1万日元的成本，就能使热效率一举提高2％以上，可以说具备极高的“性价比”。解决耐久性的课题也有了眉目。最早有望在2018～2019年投入实用。
转用“束之高阁”的FCV技术
燃料改质技术能加速发展，是因为在开发燃料电池车（FCV）的过程中，改质技术实现了进化。各公司一直热衷于推进将汽油燃料改质为氢气的研究。希望利用 FC（燃料电池）单元，将改质得到的氢气转换成电能，用来驱动FCV。其卖点是使用汽油燃料驱动FCV，能直接沿用现有的基础设施。
然而，现在投入实用的FCV使用的是基础设施供应的氢气，没有采用将汽油改质为氢气的技术。FCV配备了昂贵的FC堆栈，用来将氢气转换成电能。如果再搭载将燃料转化成氢气的重整器，价格就很难控制在普及价位。
而且，向FC堆栈供应的氢气不仅用量大，而且必须纯度高。在对燃料进行改质时，需要去除与氢气同时生成的其他气体。这会导致重整器变大、变复杂，而且价格飙升。
而改善发动机燃烧使用的氢气用量小，还可以直接使用改质后的“混合”气体。原本为FCV开发的“简易版”重整器完全可以满足需要。为开发FCV的过程中被“束之高阁”的改质技术提供了最佳的转用途径。
R极限值达到惊人的36％
在着手进行开发的厂商中，日产瞄准的是汽油燃料改质。该公司希望通过对氢气进行改质，加快燃烧速度，增加EGR量。SIP也在沿这个方向进行研究。
增加EGR量，使输入进气侧的废气增多，可以降低燃烧温度。这是因为吸入的空气（氧气）量会减少。在这种情况下，即使提高压缩比，使热效率增加，也不容易发生爆震（异常燃烧）。
但增加EGR量之后，氧气会减少，使燃料变得不易燃烧，对于现在投入实用的汽油发动机而言，废气占进气的比例，即EGR率只要超过最大20％，就属于极高水平。
比如说，新款“普锐斯”配备的发动机的EGR率最大约为25％。为了达到这个比例，该车做出了许多改进。例如为便于点燃而增加火花塞的能量，为加快燃烧速度而强化滚流。
使用氢气可以在兼用上述技术的同时，进一步提高EGR率。这是因为氢气容易点燃，而且燃烧速度快。氢气的最小点火能量极小，仅为0.02mJ左右。燃烧速度据说是汽油燃料的4～5倍。
日产通过使用改质技术，在进气中混合氢气，使EGR极限值提高到了36％，如果再继续提高EGR率，就会变得不易燃烧。与发动机原本的EGR极限值20％相比，提升幅度非常惊人。

（燃料消费率提高近6％（汽油方式）。为EGR率最大为20％的发动机加装重整器后，EGR率提高到了36％。这是在发动机转速为1200rpm、IMEP为700kPa的低转速、中负载区域测试得到的结果，在容易发生爆震的区域实现了良好的EGR率。）
该公司使用排量为0.55L、压缩比设定为12的进气口喷射单缸发动机进行了确认。36％的EGR极限值换算成发动机热效率，相当于增加了6％。假设应用于最高热效率为40％的发动机，EGR极限值将达到42.4％。
得到这个结果不需要借助在实用环境下难以达到的特殊条件。实验时的发动机转速仅为1200rpm，指示平均有效压力（IMEP）为700kPa，是发动机负载较大的区域。虽然比较容易发生爆震，但却是人们希望提高EGR率的区域。

燃料改质的威力在于废热回收
按照实验设计，排气管分出的与进气管相连的EGR管路中配置了催化剂。催化剂前方设置燃料喷射装置。
改质流程如下。废气通过EGR管路后，向催化剂喷射汽油燃料。废气中的水蒸气（H2O）与汽油燃料的主要成分碳化氢（CmHn）在催化剂的作用下发生反应，生成氢气（H2）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）。这些“混合”气体直接与发动机吸入的空气混合。混入了氢气的空气与进气口喷射的燃料再次混合并用来燃烧。混合气体中掺杂的氢气有助于加快燃烧速度，可以提高EGR率。

（重整器生成氢气的机制（汽油方式）。（a）废气中的水蒸气（H2O）与汽油燃料（CmHn）在催化剂的作用下发生反应，生成氢气（H2）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）。（b）日产开发的催化剂的照片。主要成分是贵金属铑（Rh）。制作方法与三元催化剂基本相同。）
燃料消耗量与现有发动机相同。这是因为重整器使用的燃料可以从进气口喷射的燃料中扣除。虽然随着废气量的增多，改质用燃料也会增加，但与进气口喷射用燃料相加，总量始终保持固定。在总燃料消耗量中，改质大约用去了1成。
水蒸气与碳化氢在重整器中发生反应时，会吸收废气的热量。也就是说，燃料改质技术也是废热回收技术。是利用废热的能量进行改质，增加汽油燃料的能量。废热回收理论上可以增加约25％能量（发热量）。马自达的人见特别看好废热回收效果，对燃料改质技术寄予了厚望。
但吸收废气热量的能力，还不足以取代最近常用的EGR冷却器。最多只能使废气的温度降低100℃。而发动机全开时，废气的温度约为900℃，在输入EGR的进气侧时，最好降低到100℃左右。这单靠重整器是不够的，还需要使用EGR冷却器。
生成氢气的重整器配备的催化剂，是将铑掺入氧化铝（Al2O3）粉末中烧成粉末，然后烧制成蜂窝结构的陶瓷。与制造三元催化剂的工序几乎一样。主要成分虽然是铑，但也使用极少量的铂等物质。铑等贵金属的量估计比三元催化剂少或是相同。
能否与稀薄燃烧组合？
燃料改质技术虽然能够实现高性能，但并不是总能发挥出真正的实力。这是因为氢气的生成量依赖于废气的温度。氢气的生成量从400℃以上开始增加，在600～700℃达到顶峰。在这个温度区域生成的氢气约占总重量的6％。

（从670K（约400℃）开始，氢气的生成量增加（汽油方式）。废气的温度与生成气体量（单位为摩尔）中各种气体的比例关系。在970K（约700℃）左右，氢气的生成量最多。日产分析的结果。）
而在400℃下生成氢气只占约2％，在低于400℃的温度下几乎不生成氢气。因此，在实用时需要采取措施，将催化剂配置在废气温度高的地方。
对于今后的实用化，其重点在于提高耐久性。必须防止汽油燃料中含有的少量硫磺成分随着时间的推移，逐渐堆积在催化剂表面。堆积的硫磺越多，催化剂的活性越低，越容易生成碳。从而妨碍生成氢气。

（添加镧提高耐久性（汽油方式）。（a）汽油燃料中的硫磺成分阻碍燃料与水蒸气发生反应。（b）日产研究确认，通过添加镧活化水蒸气，可以促进水蒸气与燃料的反应。）
硫磺成分堆积在催化剂表面，会妨碍烃（碳氢化合物）与水蒸气的反应，主要使烃活性化。使烃（碳氢化合物）失去H（氢原子），只留下C（碳原子）。
为此，日产开发出在催化剂中添加稀土元素镧（La）的方法，为提高耐久性指明了道路。在铑与氧化铝之间插入镧，可以活化水蒸气，促进氢气生成。而且，将制造催化剂的粘合剂从氧化铝溶胶改换为硅溶胶也是一种有效方法。经确认可以大幅遏制碳的析出量。
放眼2020年以后的未来，到那时，使用汽油燃料的燃料改质技术很难与稀薄燃烧相结合的短板，可能会成为亟待解决的课题。稀薄燃烧时，废气中含有大量氧气。氧气会与改质使用的汽油燃料发生反应，妨碍氢气生成。
而且，氧气与燃料反应会产生热量，大幅削弱燃料改质技术的优势——废热回收效果。茨城大学教授金野满分析认为，当代表燃料稀薄程度的空气过剩率达到1.6时，废热回收效果将会消失。

（稀薄燃烧时，燃料改质的效果降低（汽油方式）。（a）茨城大学教授金野满通过计算确认，以空气过剩率（λ）为1.0的理论空燃比燃烧时，随着废气温度上升，能量平衡的增幅会超过1，废热回收效果提高。而在空气过剩率约为1.6的稀薄燃烧状态下，增幅小于1，废热回收效果消失。（b）金野正在进行准备，希望通过实验确认燃料改质技术对燃烧产生的影响等。）
现在，SIP正在对组合使用稀薄燃烧与燃料改质技术进行研究。提出了“氧气选择催化剂”的技术构想。通过遏制废气中的氧气与燃料的反应，“选择性”促进燃料与水蒸气的反应。这项技术目前还在构想阶段，一旦投入实用，使燃料改质技术与稀薄燃烧成功结合，将能够进一步提高燃效性能。
着眼乙醇的丰田和本田
日产将着眼点放在汽油燃料改质，丰田和本田发展的则是乙醇改质。含乙醇的汽油燃料在北美和巴西等地的使用量很大。虽然应用范围小，但具有在废气温度较低的情况下也可使用的优点。
丰田与丰田中央研究所于2011年公布了对含乙醇的汽油燃料进行改质，通过改质制备氢气的成果。催化剂与日产一样，以铑为主要成分，添加了氧化铈和氧化锆等。丰田使用这种催化剂，对含有85％乙醇的汽油燃料（E85）进行改质，成功生成了大量氢气。乙醇改质与汽油燃料改质相比，能够以低150℃的废气温度，生成等量的氢气。
本田研究的是对乙醇进行改质，生成低辛烷值燃料。该公司于2015年12月，在日本汽车技术会与日本机械学会联合举办的“第26届内燃机研讨会”上发布了这项技术。
改质的对象是低辛烷值的乙醚。通过区分使用乙醚和高辛烷值的汽油、乙醇，稀薄燃烧下的HCCI（均质压燃）行驶区域几乎覆盖了所有负载区域。改质时的温度仅为200℃左右，还具有设计限制少的特点。
当然，这项技术必须使用尚未投入实用的HCCI，实现的难度比较高。但提升燃效性能的效果极佳。虽然乙醚改质属于发热反应，不能回收废热，但本田预测热效率可以提高20～25％。应用于最高热效率为40％的发动机，可以使热效率一举达到50％。

（可以大幅提高热效率（乙醇方式）。本田的实验结果。通过配备重整器，对乙醚进行改质，在发动机的几乎全部负载区域实现HCCI。与通常没有重整器的火花点火发动机相比，热效率提高了20～25％。）
HCCI是使空气与燃料混合后，不进行火花点火，而是通过活塞压缩点火的技术。能够点燃不易火花点火、空气过剩率超过2的超稀薄混合气体。虽然各公司都在长年进行研究，但一直攻克不了可燃区域狭窄的课题。在高负载下，燃料点燃后燃烧速度过快，会发生异常燃烧。在低负载下则不易点燃。

（可以实现HCCI行驶的范围有限（乙醇方式）。本田的实验结果。在辛烷值高、IMEP小的低负载区域不易点着。相反情况下则会急剧燃烧。本田正在着手进行研究，希望通过对乙醇进行改质，生成低辛烷值的燃料，扩大HCCI的燃烧区域。）
本田在高负载区域使用汽油和乙醇作为主要燃料，以防止燃烧速度过快。乙醇的辛烷值高达110左右，不易点燃。在低负载区域则使用辛烷值为负、极易点燃的乙醚。
改质催化剂使用沸石。使用两个燃料喷射装置，一个喷射汽油或乙醇，一个喷射乙醚。空气过剩率可以达到极稀薄的水平，在高负载下为2，低负载下为3～4。在这样稀薄的状态下，燃烧时几乎不会产生氮氧化物（NOX）。预计可以简化废气后处理装置。