湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划

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而我们创新提出的水氢机动车减排技术，则是基于水氢气体发生器对水的电解从而生产水氢气。在其与燃料混合燃烧过程中，改良发动机燃烧环境与条件。从而达到去除积碳和减少废气排放的效果。根据哈尔滨工业大学^[13] 对水氢气体除碳的研究，水氢除碳在现有的测试中有着良好的表现，其研究表明其除碳效果也较明显，能让发动机恢复动力降低油耗 10%左右，废气排放显著降低。下表为用水氢气体对某尼桑2005年款2.0车的发动机（车辆里程：78 088 km）的积碳清洗前后的数据。

水氢气体与掺氢燃料对发动机除碳减排的效果

早在60年代，由Bockris JO’MA发表的文章中就对燃料电池式气体发生器进行了构想。而在2010年由Al-Rousan等进行的两项研究表明，水氢(水氢)气体混合燃料在节能和燃料消耗方面的改进。^{[3] [4]}

2011年，约旦的Mutah University 的机械工程部门就对水氢气体在HONDAG200 (197CC单缸)中对燃烧排放产生的影响进行了实验。研究装置如图1所示，其通过气体发生器产（图2）生水氢气体与空气与汽油通入到燃烧室中。并用排放采样器（称为气体分析仪）测量五种气体^[5]。 这些气体是HC，NO_X，O₂，CO和CO₂[6]。并且对转速、发动机温度、热效率和具体的燃料消耗等参数进行了记录。

图1 水氢气体产生器照片和示意图

图2 实验系统示意图

                   图3 发动机参数表

文章中指出，通过水氢气体对发动机的处理^[5]:水氢cell和发动机可以简便高效方式整合在一起。 用水氢气体引入空气/燃料混合物对发动机时，燃烧效率得到了提高，从而降低了燃料消耗。 使用水氢气体对发动机进行处理后，氮氧化物的浓度平均降低到接近50％。 使用水氢气体对发动机进行处理后，一氧化碳的平均浓度已经降低到使用空气/燃料混合物的情况下的近20％（无水氢）。 OX平均浓度已经降低到没有发加入到发动机时的情况下的约54％。 C浓度受发动机转速和对发动机进行处理时间与水氢浓度的高度影响。现有的对小型水氢气体发生器的研究是现有的小型水氢气体发生器产气量小，气量不稳定，在2010年由Al-Rousan进行的研究中，水氢 FC产气量仅有18.3~19.4L/h^[4]，而在2011年，Mutah University的实验中自行设计的水氢 FC达到了23.5~23.8L/h^[5]。其采用的Honda G 200引擎（数据见图3）排量小，功率低，对气量要求较低，无安全维护装置。故其发生器无法推广到大中型内燃机中使用。

而采用电解产氢设备对其进行替代时，其能耗过高，经济效益低下。并且体积巨大无法达到除碳过程对发生器的需求。1996年，法国的sagim公司推出的MP-BP500-7型发生器，一小时能生产500L左右的氢气。但是，其产品体积巨大，无法应用在汽车减排中。^[7]。而现在市面上的电解产氢设备产气量得到了一定的改良，但是其体积与能耗问题始终得不到改良。单位体积的气体电解耗能都处在4.0Kw*h到6.82Kw*h每立方米。而每立方的水氢气体的热值约为8571.4kj相当于2.38Kw*h与水氢气体的实际燃烧热值相对比，其在电解过程中就产生了40%-65%的能量损耗。经过调查，我们选取了市面上的几种常用的电解产氢设备进行调查。

得到体积重量小，操作安全，产气量高，输出稳定的水氢气体发生器成为了我们研究的主要问题。在2010年亢彪,王志忠,常学斌研发的便携式电解水水氢发生器，相对于传统产品，通过对对美国 Vicor 公司和日本 Lambda 公司生产的 VI-200 系列和 PH 系列 DC-DC 变换模块的应用，降低了发生器的质量与体积提高了便携性。但是，其产气量仅仅有80L/h。^[8]

本项目拟在目前已有的研究基础上，设计一种新型的高效率水氢气体发生器，并且通过软件分析以及实验的方法获取装置相关参数，并进行再次优化设计。然后基于设计的水氢气体发生器，通过产生的水氢气体改良发动机燃烧环境与运行工况。从而达到节能减排的效果。

参考文献

[1]Eastern Asia Soc Transp Stud, 5 (2003), pp. 2398-2407

[2] Bockris JO’M, Srinivasan S. Fuel cells: their electrochemistry. New York: McGraw-Hill; 1969.

[3] Yilmaz AC, Uludamar E, Aydin K. Effect of  hydroxy (水氢) gas addition on performance and exhaust emissions in compression ignition engines. Int J Hydrogen Energy 2010;35:11366–72.

[4] Al-Rousan AA. Reduction of fuel consumption in gasoline engines by introducing 水氢 gas into intake manifold . Int J Hydrogen Energy 2010;35(23):12930–5.

[5] Sa’ed A. Musmar, Ammar A. Al-Rousan. Effect of 水氢 gas on combustion emissions in gasoline engines [J]. Fuel,2011,(10): 3066-3070

[6] Heywood JB. Internal combustion engine fundamentals. McGraw Hill; 1988.

[7]. 新型电解氢发生器MP－BP500－7[J]. 中国科技产业,1996,(07):62.

[8]亢彪,王志忠,常学斌. Vicor模块在便携式电解水水氢发生器电源上的应用[J]. 兵器材料科学与工程,2010,33(02):94-98.

[9]http://www.wzcoch.com/Catalogue/CHOsdjzqsb_ID1.html

[10]http://www.sqhec.com/index.php?g=&m=Page&a=index&id=52

[11]http://www.bjzdfy.com.cn/index.php/Home/Product/content/id/34/n/0.html#product

[12]Wang C，Xu H，Herreros J M，et al. Impact of fueland injection system on particleemissions from a GDIengine[J]. Applied Energy，2014，132(11)：178-191.

[13] 李成龙.新型氢氧除碳机关键技术的研究[D].哈尔滨：哈尔 滨工业大学，2014.

mcgsTpc在与除碳装置进行通讯设计

我们的操作系统将不仅能够实现除碳车辆、除碳时间、电压、密码等级的设置、监控和数据处理功能。还能通过局域网实现强大的通讯功能。如图所示

图1 除碳的远程控制

通过上位机与下位机局域网地址连接，使用标准RUT数据转发驱动，可以实现跨区域的局域网控制，让我们可以对各个除碳机进行实时的监控作用。真正实现智能系统与mcgsTpc触摸屏的完美结合。

第三阶段，第10-12个月，对水氢气体在发动机节能减排效果上测试

在第三个阶段，我们将会对水氢气体在发动机节能减排效果上的测试。测试将会分为三部分：1.验证水氢燃料对发动机的节能减排效果2.找出水氢燃料混合燃烧的最优组合。

内燃机中，汽油机和柴油机是最受到广泛应用的两类。而小排量汽油机与柴油机都因为其恶劣的排放情况而饱受诟病。

在我们的测试当中，我们计划分别采用一台125CC的钱江牌小型汽油发动机与常州ZS1100型15马力柴油发动机进行测试。

因为水氢气体节能减排是通过HHO与燃料的混合燃烧从而达到改良发动机工况的目的。所以如果要对发动机进行测试的前提条件就是发动机中要有一定程度的积碳。为了保障试验的准确性，我们将会采用人工堵塞排气管，长期高负荷低转速运作的方式。产生一定量的发动机积碳从而进行定量实验。

计划测试参数：CO HC NO 烟度

第四阶段，第13-14个月数据采集，论文撰写与对设备进行改良

论文的撰写，水氢气体发生设备的改良都少不了数据的收集与支持。在第四阶段，我们计划和企业合作，将氢能源发动机投入市场。通过在市场中的应用从而实现对大量数据的采集。并且对机器的稳定性与实用性进行测试。从而根据反馈的数据对操作流程进行改良。并根据实用者反馈的意见与实际出现的问题对机器进行改良。

并且组织相关材料，收集数据对论文进行撰写。

技术路线示意图

技术路线分析

除碳需求分析：通过在线的背景调查，资料采集与理论采集，结合数学建模对发动机内部的气体扩散燃烧模型与积碳的分解过程进行分析，得到发动机除碳过程对水氢气体的需求。

数学模型理论分析：建立数学模型，从原理上分析影响水氢气体发生器产气效率的因素，并提出切实可行的方法以提高产气效率。依据提出的改进方法，设计并且建立可行的水氢气体发生器产气模型

软件仿真分析： 采用建模软件与可视化分析软件，对水氢气体的发生过程进模拟和分析。

水氢气体发生器部分：依据数学计算、仿真分析、试验结果反馈进行结构的多次调整，使其达到最佳效果，以满足需求。

稳压控制部分：通过组合分析和对功率、散热、质量、与体积等实际需求选取合适的直流稳压电源。

安全保护部分：依据数学计算、仿真分析、试验结果反馈进行结构的多次调整，使其达到最佳效果，以满足需求。

自动化控制部分：运用PLC技术，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的工作过程。最终实现整个机器工作的全自动  

人机操控界面部分：通过触摸屏显示操纵按钮、位指示灯、数值显示从而实现对机器的操控、监视。

小型水氢气体节能减排设备整机装置：通过反复试验以及多次调整之后，得到优化结构，并设计与发动机的组合连接部分，能够达到实际应用的效果。

试验平台：试验平台为实验样机提供实验保障，测得相关数据并进行分析反馈 给设计环节以及理论分析。

预期成果

1.制作一台氢能源节能减排装置样机。

2.发表一篇关于氢能源除碳在内燃机节能减排技术上的应用的的论文到国内重点期刊。

3.争取申请关于水氢气体发生器的发明或实用新型专利1件。