一、 發(fā)展HCNG、CNG汽車的背景和意義

發(fā)展HCNG、CNG汽車的背景
        1、 環(huán)保節(jié)能
        前些年，世界各國(guó)為了發(fā)展各自的經(jīng)濟(jì)，忽略了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)環(huán)境的影響，付出了嚴(yán)重的代價(jià)。隨著二氧化碳排放的不斷增加，全球變暖的趨勢(shì)也越來越明顯。因此，如何減輕汽車尾氣污染甚至是零排放，成了世界各大汽車集團(tuán)共同關(guān)注的主題，所以，氫能源、天然氣、電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力等新型能源的出現(xiàn)，為未來環(huán)境的改善提供了有利的保障。

        2、 石油依賴性和汽車保有量的增加
目前，我國(guó)已經(jīng)成為繼美國(guó)之后的第二大石油進(jìn)口國(guó)，隨著我國(guó)汽車保有量的增加，對(duì)石油的需求量將進(jìn)一步加大，這種加大不僅僅是帶來經(jīng)濟(jì)問題，而且已經(jīng)成為關(guān)系我國(guó)能源安全的政治問題。因此，新能源的開發(fā)，已經(jīng)迫在眉睫。

　　3、 未來氫能發(fā)展提供機(jī)遇
　　由于可再生資源的儲(chǔ)量不斷減少，而我國(guó)對(duì)能源需求也在逐年增加，我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度也越來越高，北京、上海等大城市已經(jīng)率先實(shí)施了國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)，并提出在2010年后逐步與國(guó)際接軌。

　　就國(guó)外而言，歐洲及一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)機(jī)動(dòng)車的排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，前一段時(shí)間的一篇報(bào)道稱，歐洲將于2015年左右實(shí)施歐VI排放標(biāo)準(zhǔn)。由此可以看出，不論國(guó)內(nèi)國(guó)外，對(duì)汽車尾氣排放的要求越來越嚴(yán)格，新能源的研發(fā)勢(shì)在必行，在這種大環(huán)境下，就為氫能源的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。

發(fā)展HCNG、CNG汽車的意義

　　所謂HCNG，就是在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中加入適量的氫氣（即氫氣/天然氣混合氣，簡(jiǎn)稱“HCNG”），可以提高混合氣燃燒速度、擴(kuò)大稀燃極限，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率、降低排放，這是目前國(guó)內(nèi)外正在研究的熱點(diǎn)問題。

HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的研究成果

　　近年來，國(guó)外開展了HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究，其中美國(guó)、加拿大、歐盟、日本等國(guó)的研究最為活躍。在美國(guó)能源部（DOE）等支持下，美國(guó)Colorado州立大學(xué)；HCI公司(Hydrogen Components Inc.)、加拿大Westport等單位早就開始了氫氣/天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，取得了許多研究開發(fā)及示范應(yīng)用成果。

二、 我國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)過渡路線圖
對(duì)于氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)制定了一套由HCNG到CNG的過渡路線，即通過對(duì)HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的研究和產(chǎn)業(yè)化，能盡可能利用現(xiàn)有設(shè)備同時(shí)促進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。下圖是我國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)過渡路線圖：

 

我國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)過渡路線圖

從天然氣汽車到氫能汽車的發(fā)展路徑

三、 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開發(fā)
　　在CNG的研發(fā)過程中，需要解決各種各樣的技術(shù)難題，如發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燃?xì)獾膰娚?、點(diǎn)火時(shí)間的控制、尾氣的催化氧化問題，等等。針對(duì)這些問題，清華大學(xué)從以下幾個(gè)方面對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)作出了具體的詮釋。

電子控制CNG進(jìn)氣管噴射
空燃比開環(huán)控制
電控高能點(diǎn)火
稀薄燃燒
水冷式增壓器
氧化型催化器

下面我們通過一組圖片來具體了解一下CNG發(fā)動(dòng)機(jī)：

發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)設(shè)計(jì)

CNG噴射燃料供給系統(tǒng)

點(diǎn)火系統(tǒng)

電控噴射系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定、匹配及臺(tái)架性能排放試驗(yàn)
 
1、 臺(tái)架、道路標(biāo)定試驗(yàn)
2、 歐III ETC循環(huán)試驗(yàn)方法
3、 不同市場(chǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和整車進(jìn)行專項(xiàng)標(biāo)定
4、 全面性能試驗(yàn)
5、 排放認(rèn)證工作
6、 怠速、過渡工況和低溫起動(dòng)標(biāo)定

四、 HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開發(fā)
前面我們已經(jīng)介紹過，所謂HCNG，就是在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中加入適量的氫氣，因此摻氫的多少會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生重要影響。下面我們通過幾張性能圖，來具體看一下?lián)綒淞颗c稀薄燃燒、燃燒持續(xù)期、熱效率和排放之間的關(guān)系、最佳點(diǎn)火提前角時(shí)摻氫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響以及不同點(diǎn)火提前角時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的變化。

1、 摻氫量與稀薄燃燒、燃燒持續(xù)期、熱效率和排放之間的關(guān)系

　　然而，當(dāng)過量空氣系數(shù)超過1.5后，由于傳熱損失量的減小，摻氫對(duì)熱效率的改善效果還是很明顯的。由于氫氣的良好的稀燃能力，使提即使燃料很稀的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)依然可以高效運(yùn)行。

2、 最佳點(diǎn)火提前角時(shí)摻氫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

 結(jié)論：
◆ 由于氫氣的更寬的稀燃極限和更快的燃燒速度，發(fā)動(dòng)機(jī)的稀燃極限可得到拓寬。
◆ 在動(dòng)力最佳點(diǎn)火提前角下，摻氫比增加可提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。在此點(diǎn)火提前角下，NOx排放差別不明顯。
◆ 摻氫可減緩Nox排放與HC排放的相互矛盾程度

3、 不同點(diǎn)火提前角時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能變化

結(jié)論：

　　1、 隨著摻氫比的提高，最佳點(diǎn)火提前角越接近上止點(diǎn)，指示熱效率也有所提高。
　　2、 燃燒持續(xù)期和點(diǎn)火延遲期隨著摻氫比增加而線性減小
　　3、 在相同的點(diǎn)火提前角下，摻氫比的增加會(huì)使得Nox排放和CO排放增加，而HC排放則減少。因此，摻氫在稀燃的情況下可避免高Nox和CO的排放

五、 結(jié)論與展望

　　1、 稀燃、推遲點(diǎn)火是HCNG內(nèi)燃機(jī)行之有效的先進(jìn)技術(shù)
　　2、 HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比和點(diǎn)火必須進(jìn)行精確控制，以保證在原機(jī)性能前提下進(jìn)一步降低排放
　　3、 HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)摻氫比在20-30%范圍內(nèi)時(shí)，可使HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)性能最優(yōu)
　　4、 HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性（燃料消耗量）保持不變的情況下，大幅度減少排放（尤其是Nox排放），HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)排放能夠滿足國(guó)（歐）IV排放，并使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性得到一定的改善（5%左右）
　　5、 天然氣摻氫（HCNG）燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)將是氫能在內(nèi)燃機(jī)上應(yīng)用最有前途和最具可行性的技術(shù)方案。為了應(yīng)對(duì)越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，和解決石油能源緊缺的現(xiàn)狀，HCNG發(fā)動(dòng)機(jī)必然沿著稀燃、進(jìn)一步降低排放（尤其是Nox）、提高熱效率的技術(shù)目標(biāo)不斷邁進(jìn)。

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