氢气和天然气作为车用燃料的特性分析

2018-03-20李培文

汽车实用技术 2018年4期

李培文

（华北水利水电大学机械学院，河南郑州 450003）

1 车用替代燃料的必要条件

“十三五”以来，我国新能源汽车产业从2016年起进入加速阶段。新能源汽车的政策导向为研究和推广氢气和天然气作为车用替代燃料提供必要条件。

在汽车领域，氢能的使用主要有燃料电池和氢内燃机两种方式。氢燃料电池是汽车动力系统转型升级和新能源汽车的重要方向，我国提出氢能与燃料电池技术创新、先进储能技术创新等重点创新任务。2016年新能源汽车补贴政策中，氢燃料电池客车补贴达30-50万元/辆。国内一些科研院所也对氢发动机开展研究，如浙江大学对氢气燃料发动机的优化控制，华北水利水电大学对氢内燃机燃烧过程的数值模拟等。

天然气汽车也是新能源汽车的重点发展方向，我国提出加快推进天然气在交通运输等领域的高效利用及天然气车船发展。支持具备条件的加油站增加加气功能，鼓励建设天然气加气站。在大气污染防治地区推广天然气汽车代替柴油车。天然气作为车用燃料主要有压缩天然气(Compressed Natural Gas，CNG)和液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)两种形式。2016年末，我国天然气汽车的保有量约557.6万辆，许多城市推广了压缩天然气公交车和出租车，载货汽车则应用液化天然气。

其他国家对新能源汽车也出台了大量政策支持。例如德国，在新能源汽车方面致力于在电动汽车和氢动力汽车的大力发展[1]。例如日本，实施汽车“绿色税制”政策，适用于混合动力车、纯电动汽车、天然气车等。

2 两种替代燃料的物理性质及应用分析

表1为四种车用燃料的部分理化性质，根据理化性质对燃料初步分析可得到氢气和天然气作为车用替代燃料的特点。

表1 车用燃料的理化性质

2.1 氢气的来源

在能源供给方面，氢气主要从石油、煤炭、天然气等矿物燃料中转化制取，如甲醇裂解制氢。矿物燃料转化制氢约占氢气来源的90%。也可通过工业产品如氯气、纯碱生产过程中的“副产品”中提取。还可通过电解水制氢，但耗电量大应用较少。氢能源的推广依靠于合理的低碳制氢技术、高能量密度储氢技术、完备加氢站网络建设等。

2.2 氢气作为车用燃料的特点

2.2.1 氢气在燃料电池上的应用特点

氢燃料电池汽车和普通化学电池类电动车相比，通常是补充氢气 3-5分钟就能充满高压储气罐(约为 70Mpa)，其维护保养成本较高。氢燃料电池车的大规模应用受到质子交换膜价格昂贵、电池续航能力及车载液态储氢技术等限制。

2.2.2 氢气在氢内燃机上的应用特点

氢气在发动机上的应用包括纯氢燃料发动机和混氢燃料发动机。对现有汽油机适当改装后直接燃用氢气是较理想的氢能源利用方式[2]。

在发动机适应性方面，氢的自燃温度高，适用于电火花点火发动机。在混合气形成方面，氢气的扩散速率约为0.65 cm2/s，汽油的扩散速率约为0.08cm2/s，混氢后利于形成均匀可燃混合气。在发动机寿命方面，由于氢气热值高，氢气过多时易引起缸压迅速上升，活塞负荷增大，影响发动机寿命。在发动机零部件方面，由于氢气的高扩散率，对零部件的密封性要求较高。

2.3 天然气的来源

在能源供给方面，天然气是从油田、气田和煤层中开采的可燃气体，主要成分为甲烷。西部地区天然气储存量丰富，2016年末全国天然气产量约1371亿立方米，同比增长1.5%，保障车用天然气的可持续性。

2.4 天然气作为车用替代燃料的特点

在发动机结构方面，天然气辛烷值高抗爆性好，发动机可采用较高压缩比。在燃料价格方面，相比汽油、柴油上涨的价格，天然气较成本油低15%-40%，以郑州为例，目前车用天然气价格在 4.36元/m³左右。在安全性方面，自燃温度高于汽油和柴油，安全性优于传统燃油车。在天然气网络建设方面，具有存储难度大、加气站数量较少等缺点。

2.4.1 天然气在CNG汽车的应用特点

在车载存储方面，CNG是通过压缩机对天然气施加20Mpa～25Mpa的压力储存在气瓶中，通过减压装置减压后进入发动机燃烧。在设备方面，原厂CNG车改装技术成熟，设备完善，多应用于出租车。在运输距离方面，CNG能量密度小，所需储存压力大，适合短途运输。

2.4.2 天然气在LNG汽车的应用特点

在车载存储方面，LNG通常在超低温(－162℃)和低压状态下储存，体积缩小约600倍，节约储运空间。蒸发后进入发动机燃烧，安全性较CNG好。在运输距离方面，LNG的能量密度高，相同容积压力瓶下行驶里程远，多用于重卡。在燃气价格方面，由于 LNG将天然气进一步纯化，深冷过程能耗高，且一般采取陆运，较 CNG管道运输价格更高。因此LNG的市场价格较CNG高。

3 燃烧特性

3.1 氢气作为车用燃料的燃烧特性

3.1.1 氢燃料电池汽车的燃烧特性

氢燃料电池汽车是将氢气送入发动机缸中，与燃料电池中氧气发生化学反应，转换为电能驱动汽车行驶，氢燃料电池汽车尾气仅排放水，清洁环保。

3.2.2 氢内燃机的燃烧特性

在实现点火方面，氢气的点火能量小，空气中体积分数范围为 4%-75%均可燃烧，掺氢混合气更易着火，火焰传播速度快，缩短滞燃期。在起动性能方面，混氢后发动机稀燃能力提高，改善起动性能，有利于减少发动机循环变动，提高工作稳定性。在燃油消耗方面，混氢后可燃混合气传播迅速，传热损失减少，氢气作为燃料参与燃烧放热做功。发动机做功能力提高，燃油消耗率下降。在燃烧热效率方面，由于燃烧持续期短，氢燃烧时放热率峰值在上止点附近，更接近理想等容热力学循环，提高燃烧热效率。在燃烧排放方面，混氢燃烧后产物主要是水和NOx，火焰传播接近气缸壁、活塞余隙等，燃烧更加完全，减少CO和HC排放。氢气热值高，油气混合气快速燃烧，单位时间放热量多，NOx排放增加。在异常燃烧方面，掺氢混合气更易着火，缸内炽热点易被点燃，引起早燃、回火、缸内压力快速升高易引起爆燃等异常燃烧。

3.2 天然气作为车用燃料的燃烧特性

天然气的燃烧特点是着火温度高，火焰发展期长，燃烧峰值偏离上止点[3]。在同等条件下，天然气的火焰传播速度较汽油低10%-20%[4]。天然气密度较低，燃烧初期放热率低，使得燃烧最高温度降低，减少NOx的生成。在燃烧后处理方面，天然气汽车无需选择性催化还原技术(SCR)，比燃油车容易达到国V排放要求。