基于氢燃料的船舶动力研究与应用

　　摘要：传统能源不可再生且燃烧后的产物会对环境造成破坏，开发新型能源迫在眉睫。氢燃料的能源转化率较高且燃烧后的产物不会污染环境，氢燃料内燃发动机是在传统石油化燃料内燃机的基础上进行的优化设计，节省研发设计周期和成本是船舶新能源动力系统的不二选择。

　　因传统能源不可再生且燃烧后的产物会对环境造成巨大的污染，世界各国都开始转向新型能源的研究与开发。

　　1.氢燃料能源的优势

　　氢燃料能源作为新型能源的研究与开发项目之一，具有众多的优点：①相较于传统的石油类能源，氢燃料能源在收集、转化方面更加方便快捷且具有可再生的特点；②氢燃料能源的热量转化率较高，在重量相同的情况下，氢气燃料释放的热量是石油燃料释放的3倍；③氢燃料燃烧后的产物不是CO2、CO等物质，而是清洁的水，因此不会对环境造成污染；④氢燃料作为能量的储能载体，可以将风能、水能、生物能、太阳能以及地热能等可再生能源转化成氢能源储存、运输和使用；⑤氢燃料内燃发动机是在传统石油化燃料内燃机的基础上进行的优化改进设计，可以节省新能源发动机的研发设计周期和成本，还可以加速新型能源的使用时间。

　　2.氢氧燃料动力系统的发展

　　一些发达国家正在对氢燃料的船舶动力系统进行研究和应用，为低碳航运提供助力。20世纪90年代，德国的船舶公司在海军潜艇上装配应用了氢氧燃料动力系统，成为世界上第一艘使用氢氧燃料动力系统的潜艇；2003年，美国推出了首艘氢燃料和蓄电池的混合动力系统船舶；2008年，欧盟展开了氢燃料动力系统船舶的可靠性、安全性以及产品生命周期性应用研究，并成功制造了全球首艘进入运营的氢燃料动力系统船舶客船；2018年之后，日本洋马动力科技、日本发动机以及日本川崎重工共同组建了一家关于远洋以及沿海船舶氢燃料动力内燃发动机设计开发的公司，并力求在2025年前将氢燃料内燃发动机推向市场，实现船舶内燃机发动机污染物零排放目标，以利用氢燃料发动机技术来促进社会可持续发展。

　　与国外相比，我国的氢燃料动力系统在船舶上的应用与研究起步比较晚，发展也比较缓慢。如今，国家非常重视环境保护，为了实现自然环境的可持续发展，已经从多方面进行了改革，例如加大在氢燃料动力系统船舶投入力度，开展氢燃料应用在船舶上的研究并取得了不小的成绩。本文通过基于氢燃料的船舶动力系统内燃发动机的设计，阐述了船舶氢燃料发动机传输系统的设计和控制系统的设计，介绍了氢燃料发动机工作原理。

　　3.氢燃料传输系统技术设计

　　3.1氢气传输系统设计

　　氢燃料的燃点较高，现有石油燃料内燃机的压缩比无法正常点燃氢燃料，需要重新设计氢燃料内燃机发动机的燃料传输系统，符合氢燃料点火要求的传输系统。这种新型的氢燃料传输系统可以保存传统石油能源能燃机的总体架构优点，还能保证氢燃料的点火稳定性，从而避免氢燃料失火，达到稀薄燃烧的目的。

　　氢燃料的传输系统的主要组成部分有：电动控制单元系统、减压阀系统、高压电磁阀系统、压力测试系统、氢燃料流量计量系统、氢燃料存储系统、过滤器、传感器系统、传输管路系统等。氢燃料传输系统使用电动控制系统进行操作，对氢燃料的喷射管嘴进行单点式喷射点火控制，可以灵活地通过内燃机发动机的工况判断、控制氢气喷射器的喷发时间和喷射量。

　　3.2氢燃料发动机燃烧设计

　　由于氢燃料的着火点比石油类燃料的着火点还要广，前者燃烧的速度也比较快，可以在稀薄的混合气体中燃烧运作且氢燃料发动机的排放废气为清洁水，不排放有害物质。但是，氢燃料在燃烧过程中比较容易出现异常燃烧的现象，这一现象容易影响到内燃机发动机的性能发挥，严重时还会影响发动机的正常运作，甚至使内燃机发动机熄火。氢燃料内燃机发动机的异常燃烧的主要原因有3种：①氢燃料传输系统管路中的进气管出现回火情况；②氢燃料在燃烧的过程中出现较早的燃烧情况；③氢燃料在燃烧早期，因燃烧的压力瞬间升高到了零界点发生暴震。

　　4.氢燃料动力系统的控制系统设计

　　4.1控制系统的设计

　　氢燃料动力系统的控制系统的主要组成部分是电动控制单元系统、执行器系统以及传感器系统等。

　　电动控制单元系统又称ECU系统，它是整个控制系统的核心部件，负责接收、处理、分析信息，然后输入信息指令至执行器系统中，调整内燃发动机的动作或工况。工作原理是将传感器收集到的发动机运行工况以信息的形式进行传输、滤波、整形和放大处理，根据提前设置好的运算程序进行运算分析处理，确定当前发动机在不同负荷、温度以及转速情况下所需要的氢燃料喷射量，将所需的喷射量信息以控制形式的脉冲信号输出至执行器系统中，让执行器系统控制氢燃料的喷射量。电动控制单元可以自动诊断发动机的异常现象或是异常工况，瞬时调整发动机的相关运行参数，保证发动机的正常运行工作。执行器系统接收电动控制单元ECU的控制指令，按照指令去执行动作命令。传感器系统执行氢燃料动力系统的监测工作，检测发动机的工作运行情况以及其工况，并将这些信息传输至电动控制单元系统中。

　　控制系统的控制流程是：①传感器系统监测采集内燃机发动机系统工况中的各种参数指标，传感器系统将各项参数指标传递到电动控制单元系统；②电动控制单元系统对传感器传输的数据信息进行分析处理，如电动控制单元系统根据传感器系统输入的发动机的转速、角速度、进气温度或压力值、循环水温度以及节气门的开关情况等发动机工况参数来分析处理氢燃料的喷射时间、喷射量以及点火的时间等，并将分析处理的结果以脉冲信号的方式传输给执行器系统；③执行器系统按照接收到的脉冲信号控制发动机，如驱动点火器的点火动作、喷射器的氢燃料喷射动作等。

　　4.2控制系统的工作原理

　　氢燃料发动机的电动控制单元控制系统的工作原理是根据发动机的负荷、转速等相关参数判断分析，输出相应的信号进入执行器中，由执行器系统对发动机进行对应的工况控制。

　　电动控制单元系统的设计主要分为3部分：①氢燃料控制系统，主要是控制瞬态工况空燃比、喷氢器以及稳定工况空燃比；②转速控制系统，主要是控制怠速转速、加速转速以及减速转速；③硬件预留控制功能系统，主要是控制点火闭环、空燃闭环以及暴震闭环。

　　氢燃料发动机的废气排放中，氧气的含量可以直接表明氢燃料发动机的空燃比，所以，可以通过直接检测发动机的废气氧含量来控制混合气体中的空燃比，电动喷射系统使用氧气传感器检测就可以进行闭环控制，并将检测采集到的信息反馈给电动控制单元系统，便于电动控制单元系统控制喷氢器喷量。

　　氢燃料传输系统的主要形式是燃烧缸内的氢燃料直喷，这种直接缸内喷射的方式可以大幅度地提高缸内气体的填充效率，新进的空气可以降低缸内换气时燃烧的温度，从而有效降低异常表面点火现象，让内燃发动机平稳地运行。空气中含有大量的氮气，高温燃烧时会与氧气结合，当达到一定混合气体的比例时产生有害气体，因此必须严格控制氢燃料的喷射量的空燃比，既保证内燃发动机功率的动力需求输出，又不会出现有害气体。

　　5.结语

　　传统能源不可再生且燃烧后的产物会严重污染环境，船舶动力系统内燃机新能源的发展和电动控制喷射技术的研究与应用成为了必然趋势，本文从氢燃料传输系统和控制系统两个方面进行了研究，提出了设计思路，以期为氢燃料新能源动力系统发动机的绿色环保研究提理论知识方面的帮助。

　　（作者单位：大连中远海运川崎船舶工程有限公司）