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摘 要：本文介绍了点燃式发动机的两种替代燃料（压缩天然气、氢气）的物化特性，分析了二者在点燃式发动机中的常见应用，最后从使用性能和全生命周期角度比较了二者在发动机中应用的优劣。

关键词：压缩天然气;氢气;燃料特性;使用性能;全生命周期

中图分类号：TK407.9文獻标识码：A文章编号：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

当前，全球温室效应不断加剧，《巴黎气候协议》[1]的目标是将上升温度限制在2℃以下。以CO2为主的温室气体是温室效应不断加剧的源头，运输业排放的CO2约占总CO2排放量的四分之一，运输部门所采用的动力源以化石能源为主，这成为温室气体排放的主要来源。据预测，2016—2040年，全球运输相关的能源需求将增加近30%[2，3]，这意味着为避免CO2等排放物过量增长，寻找环境友好化的可替代燃料势在必行。

1 压缩天然气与氢气的物化特性

1.1 压缩天然气物化特性

CNG主要由甲烷组成，具有高H/C比和高辛烷值的化学性质，被认为是最有前途的替代燃料之一。在点燃式发动机中，与使用汽油相比[4-6]，CNG具有以下突出物化特性。

一是高H/C比，CNG易与空气形成均匀混合气，燃烧较充分，SO2排放量低;二是高辛烷值，CNG抗爆震性能好，可使用较高压缩比，提高热效率;三是高自燃温度，CNG燃烧温度高，火焰传播速度低，混合气着火浓度范围窄;四是高点火能量，CNG击穿电压大，对火花塞烧蚀性强，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。

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