压缩天然气和氢气作为点燃式发动机替代燃料的对比研究

工作可靠性低;五是低容积效率，在混合气体中，CNG容积效率较低，难以达到着火极限。

1.2 氢气物化特性

氢气在发动机中应用时仅产生NOx。在点燃式发动机中，与使用汽油相比[7-8]，氢气具有以下突出物化特性。

一是高辛烷值，氢气在小负荷时可实现更大的点火提前角，有利于提高压缩比、提升热效率;二是高层流火焰速度，氢气与空气混合速度更快，具有更高的热效率;三是低点火能量，氢气不易失火，容易实现稀薄燃烧，提高热效率和降低排放;四是宽着火极限，氢气着火范围广，有利于在部分负荷下工作;五是高自燃温度，氢气的自燃温度是汽油的1.6倍，不易造成爆炸危害。

2 两种替代燃料在点燃式发动机中的应用

2.1 压缩天然气在发动机中的应用

天然气储量丰富，抗爆性好，但甲烷的火焰传播速度慢，CNG发动机存在热效率低、稀燃能力差、循环变动大和失火率高等缺点[9]。甲烷本身含有碳元素，通过掺氢可有效降低CO和HC的排放，但NOx排放显著增加，平均容积效率降低约11%[10]。通过改变喷射时刻、喷射方式，CNG发动机可以有所改进。

研究表明，进气门即将关闭时喷入燃料，其具有更强的湍流强度，加快了燃烧速度，提升了燃烧效率。缸内直喷（DI）比进气道喷射（PFI）的容积效率高，扭矩输出效果更佳[11]，在总当量比一致的情况下，分层后火花塞附近当量比更高，压力升高率和放热率提升显著，燃烧速度加快有利于减少循环变动、维持发动机稳定运行、提升稀燃能力。同时，NOx的形成不仅与温度有关，也与局部当量比有关，总NOx排放减少[12]。

2.2 氢燃料在发动机中的应用

氢燃料发动机拥有其他燃料发动机无法比拟的优势，但应用时会出现早燃、回火等异常燃烧的问题，特别是在中低转速下，氢气回流现象比较严重。针对这些问题，人们可以通过改变喷射方式、点火时刻、喷氢压力和喷氢时刻等进行改进。

对于PFI氢发动机，相比其他喷射方式，双路分截面喷射方式的气体空间分布更佳，进气道残余氢气量更少，缸内混合气均匀性更好，进气道质量流量提升更加显著，发动机的指示功率和指示热效率最高分别可提高28.6%和3.01%，但NOx排放有所增加[13]。

推迟点火提前角，有助于降低NOx的排放量，这是因为随着点火提前角推迟，混合气变浓，NOx排放增加，但是燃料着火较晚，压缩导致的温升较低，总温度下降，总体导致NOx排放减少。适当增大喷氢压力和喷孔面积，有利于形成均匀的混合气，降低氢气在进气道的滞留量和回流量，有利于抑制早燃和回火的发生。合理的喷氢时刻也很重要，喷氢过早，进气道内混合气停留时间长，易造成回火，喷氢过晚，缸内压力过大，易造成回流[14]。

3 两种替代燃料在发动机中应用的对比

3.1 从使用性能的角度对比

从辛烷值和汽化潜热角度分析，由于氢的点火能量最小、着火范围最宽，所以其冷启动性能更佳。从低热值角度分析，氢的低热值约为天然气的2.4倍，因此氢发动机的有效热效率更高，燃油消耗率更低。从H/C比角度分析，氢燃料中只含有氢原子，在发动机中只生成水、NOx，不排放SO2、CO、HC、硫化物及其他颗粒物，是点燃式发动机中最清洁的替代燃料，因此其排放性更佳。综合而言，氢气燃料具有更佳的使用优势[15]。

3.2 从全生命周期角度对比

从原料阶段到燃料阶段，再到燃料在车辆中的应用阶段，显然，每个阶段都会向环境中排放污染物。目前，从经济、能源和环境三个方面对汽车燃料进行生命周期EEE（又称“3E”）分析正逐渐成为全面的评价方法[16]。

由表1可知，以中国清洁能源为例，从温室气体的排放、标准排放物的排放、能源转换效率等角度来看，氢气都比CNG燃料更加具有使用优势，但成本问题是制约其发展的关键。

氢能在陆地运输方面具有十分显著的优势，航空业和航运业也可以利用碳捕捉技术生产的氢能，其在降低温室气体排放、减少臭氧消耗、调整能源结构以及环境保护等方面都凸显出巨大优势[17，18]。

4 结论

替代燃料的物化特性很大程度上决定了发动机的使用性能，人们可以通过改变结构参数和运转参数等进行改进。对于替代燃料而言，不同的燃料来源影响着燃料的全生命周期，先进的生产方式可以进一步降低燃料整个生命周期的污染。与CNG相比，氢燃料在降低温室效应、减少有害物质排放、提高能源转换效率等方面均有十分明显的优势，具有十分光明的发展前景。

参考文献：

[1]新华网.巴黎气候协定要点[EB/OL].（2015-12-14）[2019-08-02].http：///world/2015-12/14/c_128528392.htm.

[2]Sarah P，Oliver S，Yasel C.Acceptance of LNG as an alternative fuel：Determinants and policy implications[J].Energy Policy，2018（120）：259-267.

[3]Exxon Mobil.2018 Energy Outlook Publication Book[Z].2018.

[4]Khan M I，Yasmin T，Shakoor A.Technical overview of compressed natural gas （CNG） as a transportation fuel[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015（51）：785-797.

[5]胡春明，侯圣智，赵文锋，等.低压缸内直喷CNG发动机燃烧特性的影响因素[J].燃烧科学与技术，2010（5）：446-451.

[6]周龙保，刘忠长，高宗英.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[7]Niaz S，Manzoor T，Pandith A H.Hydrogen storage：Materials，methods and perspectives[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015（50）：457-469.

[8]杨振中，王丽君，熊树生.氢经济时代的车用H2燃料发动机的研究与展望[J].车用发动机，2005（2）：1-5.

[9]宋昌庆，陈文淼，李君，等.不同当量比下单双点火对天然气燃烧特性的影响[J].吉林大学学报（工学版），2019（5）：1-7.

[10]R S Lather，L M Das.Performance and emission assessment of amulti-cylinder S.I engine using CNG & HCNG as fuels[J].International Journal of Hydrogen Energy，2019（44）：21181-21192.

[11]Jingeun Song，Minhu Choi，Sungwook Park.Comparisons of the volume tric efficiency and combustion characteristics between CNG-DI and CNG-PFI engines[J].Applied Thermal Engineering，2017（121）：595-603.

[12]Manish Garg，R V Ravikrishna.In-cylinder flow and combustion modeling of a CNG-fuelled stratified charge engine[J].Applied Thermal Engineering，2019（149）：425-438.

[13]Yang Z，Zhang F，Wang L，et al.Effects of injection mode on the mixture formation and combustion performance of the hydrogen internal combustion engine[J].Energy，2018（147）：715-728.

[14]Wang L，Yang Z，Huang Y，et al.The effect of hydrogen injection parameters on the quality of hydrogen-air mixture formation for a PFI hydrogen internal combustion engine[J].International Journal of Hydrogen Energy，2017（42）：23832-23845.

[15]楊光，杨振中，李清博，等.浅谈点燃式发动机的替代燃料[J].天然气化工（C1化学与化工），2012（4）：51-55.

[16]陈胜震，陈铭.中国清洁能源汽车全生命周期的3E分析与评论[J].汽车工程，2008（6）：465-469.

[17]Bicer Y，Dincer I.Life cycle evaluation of hydrogen and other potential fuels for aircrafts[J].International Journal of Hydrogen Energy，2017（42）：10722-10738.

[18]Paul Gilbert，Conor Walsh，Michael Traut，et al.Assessment of full life-cycle air emissions of alternative shipping fuels[J].Journal of Cleaner Production，2018（172）：855-866.

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