壓縮天然氣和氫氣作為點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的常見應(yīng)用，最后從使用性能和全生命周期角度比較了二者在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的優(yōu)劣。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dāng)前，全球溫室效應(yīng)不斷加劇，《巴黎氣候協(xié)議》[1]的目標(biāo)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(yīng)不斷加劇的源頭，運(yùn)輸業(yè)排放的CO2約占總CO2排放量的四分之一，運(yùn)輸部門所采用的動(dòng)力源以化石能源為主，這成為溫室氣體排放的主要來源。據(jù)預(yù)測，2016—2040年，全球運(yùn)輸相關(guān)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(huán)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(xué)性質(zhì)，被認(rèn)為是最有前途的替代燃料之一。在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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?zhèn)鞑ニ俣鹊停旌蠚庵饾舛确秶?四是高點(diǎn)火能量，CNG擊穿電壓大，對火花塞燒蝕性強(qiáng)，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(dá)到著火極限。

1.2 氫氣物化特性

氫氣在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用時(shí)僅產(chǎn)生NOx。在點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)荷時(shí)可實(shí)現(xiàn)更大的點(diǎn)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(diǎn)火能量，氫氣不易失火，容易實(shí)現(xiàn)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(fù)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(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

2.1 壓縮天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

天然氣儲(chǔ)量豐富，抗爆性好，但甲烷的火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷珻NG發(fā)動(dòng)機(jī)存在熱效率低、稀燃能力差、循環(huán)變動(dòng)大和失火率高等缺點(diǎn)[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(shí)刻、噴射方式，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)可以有所改進(jìn)。

研究表明，進(jìn)氣門即將關(guān)閉時(shí)噴入燃料，其具有更強(qiáng)的湍流強(qiáng)度，加快了燃燒速度，提升了燃燒效率。缸內(nèi)直噴（DI）比進(jìn)氣道噴射（PFI）的容積效率高，扭矩輸出效果更佳[11]，在總當(dāng)量比一致的情況下，分層后火花塞附近當(dāng)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(huán)變動(dòng)、維持發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、提升稀燃能力。同時(shí)，NOx的形成不僅與溫度有關(guān)，也與局部當(dāng)量比有關(guān)，總NOx排放減少[12]。

2.2 氫燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)擁有其他燃料發(fā)動(dòng)機(jī)無法比擬的優(yōu)勢，但應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)早燃、回火等異常燃燒的問題，特別是在中低轉(zhuǎn)速下，氫氣回流現(xiàn)象比較嚴(yán)重。針對這些問題，人們可以通過改變噴射方式、點(diǎn)火時(shí)刻、噴氫壓力和噴氫時(shí)刻等進(jìn)行改進(jìn)。

對于PFI氫發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jìn)氣道殘余氫氣量更少，缸內(nèi)混合氣均勻性更好，進(jìn)氣道質(zhì)量流量提升更加顯著，發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)火提前角，有助于降低NOx的排放量，這是因?yàn)殡S著點(diǎn)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(dǎo)致的溫升較低，總溫度下降，總體導(dǎo)致NOx排放減少。適當(dāng)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(jìn)氣道的滯留量和回流量，有利于抑制早燃和回火的發(fā)生。合理的噴氫時(shí)刻也很重要，噴氫過早，進(jìn)氣道內(nèi)混合氣停留時(shí)間長，易造成回火，噴氫過晚，缸內(nèi)壓力過大，易造成回流[14]。

3 兩種替代燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)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(diǎn)火能量最小、著火范圍最寬，所以其冷啟動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)中只生成水、NOx，不排放SO2、CO、HC、硫化物及其他顆粒物，是點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(yōu)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(yīng)用階段，顯然，每個(gè)階段都會(huì)向環(huán)境中排放污染物。目前，從經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境三個(gè)方面對汽車燃料進(jìn)行生命周期EEE（又稱“3E”）分析正逐漸成為全面的評價(jià)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(biāo)準(zhǔn)排放物的排放、能源轉(zhuǎn)換效率等角度來看，氫氣都比CNG燃料更加具有使用優(yōu)勢，但成本問題是制約其發(fā)展的關(guān)鍵。

氫能在陸地運(yùn)輸方面具有十分顯著的優(yōu)勢，航空業(yè)和航運(yùn)業(yè)也可以利用碳捕捉技術(shù)生產(chǎn)的氫能，其在降低溫室氣體排放、減少臭氧消耗、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)以及環(huán)境保護(hù)等方面都凸顯出巨大優(yōu)勢[17，18]。

4 結(jié)論

替代燃料的物化特性很大程度上決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能，人們可以通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)等進(jìn)行改進(jìn)。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(jìn)的生產(chǎn)方式可以進(jìn)一步降低燃料整個(gè)生命周期的污染。與CNG相比，氫燃料在降低溫室效應(yīng)、減少有害物質(zhì)排放、提高能源轉(zhuǎn)換效率等方面均有十分明顯的優(yōu)勢，具有十分光明的發(fā)展前景。

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