一、引言

HCNG是將氫氣與天然氣按一定比例混合而得到的一種代用氣體燃料。它綜合了氫氣燃燒速率快，著火極限寬，是可再生永久性能源的特點(diǎn)，以及天然氣體積熱值高（較純氫），儲(chǔ)量豐富，排放低等優(yōu)勢(shì)而發(fā)展起來的新型汽車動(dòng)力燃料。

1983年Nagalingam等人針對(duì)點(diǎn)火提前角和排放關(guān)系,首先在AVL單缸機(jī)上從純天然氣、80/20、50/50、到純氫氣不同燃料進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率較純甲烷為燃料時(shí)下降了23%，主要是由于氫氣的體積熱值低于甲烷的體積熱值。但是由于氫氣的燃燒速度很快，使得最佳點(diǎn)火提前角減小[1]。推遲點(diǎn)火提前角所帶來的火焰溫度下降對(duì)降低NOx十分有利[2]。

1990年Yusuf等人使用尼桑公司生產(chǎn)的510型2.0升、四缸發(fā)動(dòng)機(jī)研究了體積摻氫比20％的HCNG混合氣的當(dāng)量空燃比和燃燒稀限的關(guān)系，得到的結(jié)論是最佳循環(huán)熱效率時(shí)HCNG的當(dāng)量空燃比由純甲烷燃燒時(shí)的1.29升高到1.67[3]。1993年Yusuf等人通過試驗(yàn)表明低負(fù)荷時(shí)HCNG與純甲烷相比增加了NOx，降低了未燃HC和CO，并且使天然氣的燃燒稀限由1.64的空燃比升高到1.85，燃燒范圍擴(kuò)大了38％，當(dāng)量空燃比也升高了13%[4]。

1994年Hoekstra等人使用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)體積混合比為100/0，89/11，80/20，72/28和64/36的HCNG燃料進(jìn)行研究[5,6]，所得結(jié)論為：隨著當(dāng)量燃空比的降低，NOx排放增加，而HC有所下降。他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空燃比為1.6時(shí)，摻氫比為28%和36%的混合氣有相當(dāng)?shù)偷?/SPAN>NOx排放。

2000年Sierens和Rosseel等人研究了體積混合比為100/0, 90/10和80/20的HCNG混合氣的燃燒排放性[7]。他們認(rèn)為只有HCNG有較低的摻氫比才能實(shí)現(xiàn)低排放性，若有實(shí)現(xiàn)超低排放，則必須進(jìn)行尾氣后處理。

2006年黃佐華、汪金華等人在直噴發(fā)動(dòng)機(jī)上研究了混合比為95/5，90/10，82/18的HCNG燃料[8]，其結(jié)論為點(diǎn)火提前角對(duì)HCNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響極大，當(dāng)點(diǎn)火提前角增大時(shí)HC排放將降低，而NOx排放會(huì)升高，CO排放只有一些波動(dòng)。

二、不同體積摻氫比HCNG燃料的對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為東風(fēng)EQD210N-20天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，主要性能參數(shù)見表１。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用DELIPH公司ITMS-6F電控單元，采用單點(diǎn)電控噴射，水冷式渦輪增壓中冷，分組高能點(diǎn)火系統(tǒng)，空燃比開環(huán)控制。

表１EQD210-20主要性能參數(shù)

型  號(hào)

EQD210N-20

型  式

立式、直列、四沖程

進(jìn)氣方式

增壓中冷

氣缸數(shù)缸徑×行程

6×105×120

活塞總排量

6.234L

壓縮比

10:1

額定功率/轉(zhuǎn)速

154 kW /2800r/min

最大扭矩/轉(zhuǎn)速

620 Nm/1600r/min

全負(fù)荷最低燃油耗

198g/ kW？h

在發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器排氣出口處安裝有日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA- 720NOx空燃比分析儀。該儀器可以顯示空燃比、過量空氣系數(shù)、氧濃度和NOx。

因燃料是氣體燃料，不同體積摻氫比HCNG燃料的體積低熱值不同等因素，對(duì)比試驗(yàn)沒有采用傳統(tǒng)的相同轉(zhuǎn)速相同負(fù)荷試驗(yàn)，而是改為相同轉(zhuǎn)速相同能量輸入試驗(yàn)。相同能量輸入是指采用不同HCNG燃料時(shí)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣的低熱值是相同。采用此試驗(yàn)方法可以使不同的HCNG燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)具有相同的低熱值、相同的過量空氣系數(shù)，處在相同點(diǎn)火提前角的條件下，這樣便于比較發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率（動(dòng)力性）和經(jīng)濟(jì)性。

整個(gè)對(duì)比試驗(yàn)選定了三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即800r/min、1200 r/min、2400 r/min，分別來對(duì)比燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速、低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下的性能。在各轉(zhuǎn)速燃料的輸入能量是用CNG燃料做為基礎(chǔ)燃料確定的。

2.1 怠速條件下（800r/min）的對(duì)比試驗(yàn)

具體的工況條件為：轉(zhuǎn)速800r/min，節(jié)氣門關(guān)閉，旁通步進(jìn)馬達(dá)為150步（全范圍為0～254步），各HCNG燃料的輸入能量等于相同工況條件下CNG燃料的輸入能量。因怠速條件下原發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)為1.1，采用小于1.1的過量空氣系數(shù)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)排放較差，而大于1.1的過量空氣系數(shù)會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故試驗(yàn)中所有燃料的過量空氣系數(shù)都保持在1.1。各燃料的性能對(duì)比如下：

圖1 怠速條件（800r/min）燃料的動(dòng)力性比較

從圖1可知在低點(diǎn)火提前角時(shí)各HCNG燃料的修正轉(zhuǎn)矩要比CNG燃料要大，但在較大的點(diǎn)火提前角時(shí)，CNG燃料的修正轉(zhuǎn)矩最大。其主要原因是HCNG燃料的燃燒速度較CNG燃料要快，所以采用較低的點(diǎn)火提前角時(shí)HCNG燃料的修正轉(zhuǎn)矩要高，但由于怠速時(shí)缸內(nèi)燃燒條件惡劣，不同HCNG燃料的動(dòng)力性區(qū)別不明顯。因?yàn)槭堑饶芰枯斎?，所以從上圖中也可是看出HCNG燃料的經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于CNG燃料。

圖2 怠速條件（800r/min）甲烷排放率比較

圖2給出了不同燃料在不同點(diǎn)火提前角下的甲烷排放率，HCNG燃料明顯低于CNG燃料，主要原因是加入的氫氣加快了燃燒速度，使燃燒更充分，同時(shí)也使HCNG燃料的淬熄距離比CNG燃料要小。在較低或較高點(diǎn)火提前角時(shí)CNG燃料MHC排放率極大，主要是CNG燃料在這些點(diǎn)火提前角時(shí)燃燒惡化，而HCNG燃料在怠速下受點(diǎn)火提前角的影響較小，這一特性使HCNG燃料在怠速時(shí)有較強(qiáng)的低MHC排放優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵诘∷贂r(shí)為保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，點(diǎn)火提前角是不斷變化的。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)環(huán)境的原因，不同摻氫比的HCNG燃料的MHC排放率區(qū)別不明顯，在較低或較高點(diǎn)火提前角時(shí)可以看出摻氫量越大MHC排放率越小。

圖3怠速條件（800r/min）CO排放率比較

從圖3可以看出在低點(diǎn)火提前角時(shí)，摻氫量越大CO排放率越低。主要原因是摻入的氫氣優(yōu)化了燃燒，且在怠速條件下缸內(nèi)的燃燒溫度較低，基本上沒有發(fā)生CO2被H2還原成CO的反應(yīng)。

圖4怠速條件（800r/min）NOX排放率比較

圖4中NOX排放的規(guī)律十分明顯。在點(diǎn)火提前角θig較大時(shí)（為12°CA～23°CA）時(shí)HCNG燃料的NOX排放率要高于CNG燃料，HCNG燃料的摻氫量越大NOX排放率越高，主要是因?yàn)楦變?nèi)的燃燒溫度的原因。隨著點(diǎn)火提前角的推遲缸內(nèi)的燃燒溫度不斷降低，HCNG燃料的NOX排放率逐漸降低。推遲點(diǎn)火提前角是降低HCNG燃料NOX排放的一個(gè)有效措施。

2.2 非怠速條件下（1200r/min,2400r/min）的對(duì)比試驗(yàn)

選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為1200r/min和2400r/min。確保不同摻氫比的HCNG燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作循環(huán)時(shí)輸入低熱值等于相同工況條件下CNG燃料的低熱值。使用CNG燃料在兩個(gè)轉(zhuǎn)速確定不同摻氫比HCNG燃料的輸入能量時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)1200r/min轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣管絕對(duì)壓力為100KPa,2400r/min轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣管絕對(duì)壓力為80KPa，過量空氣系數(shù)分別為1.3、1.5。使用不同燃料的性能數(shù)據(jù)如下：

a)1200r/min                               b）2400r/min

圖5 過量空氣系數(shù)為1.3時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的動(dòng)力性比較

a)1200r/min                                  b)2400r/min

圖6過量空氣系數(shù)為1.5時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的動(dòng)力性比較

從圖5、圖6可以看出在相同燃料低熱值相同過量空氣系數(shù)條件下HCNG燃料摻氫量越大，MBT（Maximum Brake Torque Timing）點(diǎn)越靠近上止點(diǎn)，最大修正轉(zhuǎn)矩越大，主要原因是摻入的氫氣提高了燃料的燃燒速度，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的等容度，從而增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率。同CNG燃料相比，推遲點(diǎn)火提前角時(shí)，HCNG燃料的修正轉(zhuǎn)矩降幅較小，這一特點(diǎn)使HCNG燃料可以通過推遲點(diǎn)火提前角來降低NOX排放。

a)1200r/min                                  b)2400r/min

圖7過量空氣系數(shù)為1.3時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的經(jīng)濟(jì)性比較

a)1200r/min                                  b)2400r/min

圖8過量空氣系數(shù)為1.5時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的經(jīng)濟(jì)性比較

因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)是采用不同燃料相同低熱值輸入的，所以動(dòng)力性越好的燃料經(jīng)濟(jì)性越好。圖7、圖8給出了燃料經(jīng)濟(jì)性比較情況，在計(jì)算HCNG燃料經(jīng)濟(jì)性時(shí)將氫氣的流量用等低熱值的方式換算成天然氣流量，再加到HCNG燃料中天然氣的流量上得出HCNG燃料的總流量的，而不是直接將氫氣的流量加上天然氣的流量得出HCNG燃料的總流量，這樣HCNG燃料就可以同CNG燃料比較經(jīng)濟(jì)性了。可以看出HCNG燃料摻氫量越大，經(jīng)濟(jì)性越好，經(jīng)濟(jì)性最好的點(diǎn)越靠近上止點(diǎn)。上述的試驗(yàn)中40％HCNG經(jīng)濟(jì)性最好的點(diǎn)要比同工況下CNG燃料節(jié)能5.07％。

a)1200r/min                              b)2400r/min

圖9 過量空氣系數(shù)為1.3時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的MHC排放比較

a)1200r/min                                 b)2400r/min

圖10過量空氣系數(shù)為1.5時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的MHC排放比較

從圖9、圖10可知，HCNG燃料的MHC排放率要低于CNG燃料，摻氫量越大，HCNG燃料的MHC排放率越低，HCNG燃料的MHC排放都隨點(diǎn)火提前角的推遲而降低。CH4是一種化學(xué)穩(wěn)定性較強(qiáng)的氣體，通過后處理不易去除，所以使用HCNG燃料在CH4排放上有較大的優(yōu)勢(shì)。

a)1200r/min                                   b)2400r/min

圖11過量空氣系數(shù)為1.3時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的CO排放比較

過量空氣系數(shù)為1.3時(shí)HCNG燃料的CO排放率在較大點(diǎn)火提前角時(shí)都要高于CNG燃料，只在高轉(zhuǎn)速低點(diǎn)火提前角時(shí)會(huì)低于CNG燃料，且摻氫量越大，CO排放率越高。摻入的氫氣優(yōu)化了燃燒，增加了缸內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度高于2000K以后，CO2被H2還原成CO，從而增加了CO排放，當(dāng)溫度低于2000K時(shí)，這一反應(yīng)極弱[9]。

a)1200r/min                           b)2400r/min

圖12過量空氣系數(shù)為1.5時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的CO排放比較

過量空氣系數(shù)為1.5時(shí)HCNG燃料的CO排放率隨點(diǎn)火提前角的推遲下降極快，在較低點(diǎn)火提前角時(shí)都小于CNG燃料，且摻氫量越大，CO排放率越小。主要原因是較稀的燃燒環(huán)境和較低的點(diǎn)火提前角使缸內(nèi)的溫度有所降低，上述的還原反應(yīng)沒有發(fā)生或較少發(fā)生，在較低的點(diǎn)火提前角時(shí)HCNG燃料的動(dòng)力性又較高，所以CO排放率較低。

a)1200r/min                           b)2400r/min

圖13過量空氣系數(shù)為1.3時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的NOX排放比較

a)1200r/min                           b)2400r/min

圖14過量空氣系數(shù)為1.5時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用不同燃料的NOX排放比較

圖13、圖14給出了各燃料的NOX排放率。NOX排放與缸內(nèi)溫度有很大關(guān)系，摻氫量越大，缸內(nèi)燃燒溫度越高，NOX排放越多。在相同的過量空氣系數(shù)條件下，推遲點(diǎn)火提前角能有效的降低HCNG燃料NOX排放率。為得到較低的NOX排放率，有效的方法是增加稀燃程度的同時(shí)推遲點(diǎn)火提前角[10]。

三、結(jié)論

從上面等轉(zhuǎn)速等能量輸入的試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

3.1.在怠速條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用HCNG燃料在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放三個(gè)方面要比CNG燃料有優(yōu)勢(shì)，但不同體積摻氫比HCNG燃料（20％～40％）之間區(qū)別不明顯；

3.2.非怠速條件下，HCNG燃料在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性上要優(yōu)于CNG燃料，且摻氫量越大，MBT點(diǎn)越靠近上止點(diǎn)，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性越好；

的MHC排放率明顯低于CNG燃料的MHC排放率，摻氫量越大，點(diǎn)火提前角越小，HCNG燃料的MHC排放率越低；

3.4.在非怠速條件下，因?yàn)楦變?nèi)高溫造成的還原反應(yīng)使HCNG燃料的CO排放率要高于CNG燃料，摻氫量越大，CO排放率越高。通過增加稀燃程度和推遲點(diǎn)火提前角來降低缸內(nèi)溫度的方法可以減少HCNG燃料的CO排放，在過量空氣為1.5的稀燃條件下，低點(diǎn)火提前角時(shí)摻氫量越大，CO排放率越??；

3.5. HCNG燃料的摻氫量越大， NOX排放率越高。HCNG燃料降低NOX排放率的有效方法是增加稀燃程度，推遲點(diǎn)火提前角；

3.6.從經(jīng)濟(jì)性和MHC排放角度出發(fā)，摻氫量越高越好，但過高的摻氫量會(huì)造成CO、NOX排放過大。在稀燃條件下，可以用氧化型催化器大幅度降低CO排放物，但NOX排放物很難消除，所以過高的摻氫比是不可取的。