壓縮天然氣和氫氣作為點燃式發動機替代燃料的對比研究

付玉生　楊振中　劉永輝　孫永生

摘 要：本文介紹了點燃式發動機的兩種替代燃料（壓縮天然氣、氫氣）的物化特性，分析了二者在點燃式發動機中的常見應用，最后從使用性能和全生命周期角度比較了二者在發動機中應用的優劣。

關鍵詞：壓縮天然氣;氫氣;燃料特性;使用性能;全生命周期

中圖分類號：TK407.9 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）26-0123-03

Comparative Study of Compressed Natural gas and Hydrogen

as Alternative Fuels for Ignited Engines

FU Yusheng YANG Zhenzhong LIU Yonghui SUN Yongsheng

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： This paper described the physicochemical properties of two alternative fuels （compressed natural gas， hydrogen） for ignited engines， and analyzed their common applications in ignited engines， finally compared the advantages and disadvantages of the two in the engine from the perspective of performance and life cycle.

Keywords： CNG;H2;fuel characteristics;applied performance;full life cycle

當前，全球溫室效應不斷加劇，《巴黎氣候協議》[1]的目標是將上升溫度限制在2℃以下。以CO2為主的溫室氣體是溫室效應不斷加劇的源頭，運輸業排放的CO2約占總CO2排放量的四分之一，運輸部門所采用的動力源以化石能源為主，這成為溫室氣體排放的主要來源。據預測，2016—2040年，全球運輸相關的能源需求將增加近30%[2，3]，這意味著為避免CO2等排放物過量增長，尋找環境友好化的可替代燃料勢在必行。

1 壓縮天然氣與氫氣的物化特性

1.1 壓縮天然氣物化特性

CNG主要由甲烷組成，具有高H/C比和高辛烷值的化學性質，被認為是最有前途的替代燃料之一。在點燃式發動機中，與使用汽油相比[4-6]，CNG具有以下突出物化特性。

一是高H/C比，CNG易與空氣形成均勻混合氣，燃燒較充分，SO2排放量低;二是高辛烷值，CNG抗爆震性能好，可使用較高壓縮比，提高熱效率;三是高自燃溫度，CNG燃燒溫度高，火焰傳播速度低，混合氣著火濃度范圍窄;四是高點火能量，CNG擊穿電壓大，對火花塞燒蝕性強，工作可靠性低;五是低容積效率，在混合氣體中，CNG容積效率較低，難以達到著火極限。

1.2 氫氣物化特性

氫氣在發動機中應用時僅產生NOx。在點燃式發動機中，與使用汽油相比[7-8]，氫氣具有以下突出物化特性。

一是高辛烷值，氫氣在小負荷時可實現更大的點火提前角，有利于提高壓縮比、提升熱效率;二是高層流火焰速度，氫氣與空氣混合速度更快，具有更高的熱效率;三是低點火能量，氫氣不易失火，容易實現稀薄燃燒，提高熱效率和降低排放;四是寬著火極限，氫氣著火范圍廣，有利于在部分負荷下工作;五是高自燃溫度，氫氣的自燃溫度是汽油的1.6倍，不易造成爆炸危害。

2 兩種替代燃料在點燃式發動機中的應用

2.1 壓縮天然氣在發動機中的應用

天然氣儲量豐富，抗爆性好，但甲烷的火焰傳播速度慢，CNG發動機存在熱效率低、稀燃能力差、循環變動大和失火率高等缺點[9]。甲烷本身含有碳元素，通過摻氫可有效降低CO和HC的排放，但NOx排放顯著增加，平均容積效率降低約11%[10]。通過改變噴射時刻、噴射方式，CNG發動機可以有所改進。

研究表明，進氣門即將關閉時噴入燃料，其具有更強的湍流強度，加快了燃燒速度，提升了燃燒效率。缸內直噴（DI）比進氣道噴射（PFI）的容積效率高，扭矩輸出效果更佳[11]，在總當量比一致的情況下，分層后火花塞附近當量比更高，壓力升高率和放熱率提升顯著，燃燒速度加快有利于減少循環變動、維持發動機穩定運行、提升稀燃能力。同時，NOx的形成不僅與溫度有關，也與局部當量比有關，總NOx排放減少[12]。

2.2 氫燃料在發動機中的應用

氫燃料發動機擁有其他燃料發動機無法比擬的優勢，但應用時會出現早燃、回火等異常燃燒的問題，特別是在中低轉速下，氫氣回流現象比較嚴重。針對這些問題，人們可以通過改變噴射方式、點火時刻、噴氫壓力和噴氫時刻等進行改進。

對于PFI氫發動機，相比其他噴射方式，雙路分截面噴射方式的氣體空間分布更佳，進氣道殘余氫氣量更少，缸內混合氣均勻性更好，進氣道質量流量提升更加顯著，發動機的指示功率和指示熱效率最高分別可提高28.6%和3.01%，但NOx排放有所增加[13]。

推遲點火提前角，有助于降低NOx的排放量，這是因為隨著點火提前角推遲，混合氣變濃，NOx排放增加，但是燃料著火較晚，壓縮導致的溫升較低，總溫度下降，總體導致NOx排放減少。適當增大噴氫壓力和噴孔面積，有利于形成均勻的混合氣，降低氫氣在進氣道的滯留量和回流量，有利于抑制早燃和回火的發生。合理的噴氫時刻也很重要，噴氫過早，進氣道內混合氣停留時間長，易造成回火，噴氫過晚，缸內壓力過大，易造成回流[14]。

3 兩種替代燃料在發動機中應用的對比

3.1 從使用性能的角度對比

從辛烷值和汽化潛熱角度分析，由于氫的點火能量最小、著火范圍最寬，所以其冷啟動性能更佳。從低熱值角度分析，氫的低熱值約為天然氣的2.4倍，因此氫發動機的有效熱效率更高，燃油消耗率更低。從H/C比角度分析，氫燃料中只含有氫原子，在發動機中只生成水、NOx，不排放SO2、CO、HC、硫化物及其他顆粒物，是點燃式發動機中最清潔的替代燃料，因此其排放性更佳。綜合而言，氫氣燃料具有更佳的使用優勢[15]。

3.2 從全生命周期角度對比

從原料階段到燃料階段，再到燃料在車輛中的應用階段，顯然，每個階段都會向環境中排放污染物。目前，從經濟、能源和環境三個方面對汽車燃料進行生命周期EEE（又稱“3E”）分析正逐漸成為全面的評價方法[16]。

由表1可知，以中國清潔能源為例，從溫室氣體的排放、標準排放物的排放、能源轉換效率等角度來看，氫氣都比CNG燃料更加具有使用優勢，但成本問題是制約其發展的關鍵。

氫能在陸地運輸方面具有十分顯著的優勢，航空業和航運業也可以利用碳捕捉技術生產的氫能，其在降低溫室氣體排放、減少臭氧消耗、調整能源結構以及環境保護等方面都凸顯出巨大優勢[17，18]。

4 結論

替代燃料的物化特性很大程度上決定了發動機的使用性能，人們可以通過改變結構參數和運轉參數等進行改進。對于替代燃料而言，不同的燃料來源影響著燃料的全生命周期，先進的生產方式可以進一步降低燃料整個生命周期的污染。與CNG相比，氫燃料在降低溫室效應、減少有害物質排放、提高能源轉換效率等方面均有十分明顯的優勢，具有十分光明的發展前景。

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