李培文

（華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450003）

1 車(chē)用替代燃料的必要條件

“十三五”以來(lái)，我國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)從2016年起進(jìn)入加速階段。新能源汽車(chē)的政策導(dǎo)向?yàn)檠芯亢屯茝V氫氣和天然氣作為車(chē)用替代燃料提供必要條件。

在汽車(chē)領(lǐng)域，氫能的使用主要有燃料電池和氫內(nèi)燃機(jī)兩種方式。氫燃料電池是汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)和新能源汽車(chē)的重要方向，我國(guó)提出氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新、先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新等重點(diǎn)創(chuàng)新任務(wù)。2016年新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策中，氫燃料電池客車(chē)補(bǔ)貼達(dá)30-50萬(wàn)元/輛。國(guó)內(nèi)一些科研院所也對(duì)氫發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展研究，如浙江大學(xué)對(duì)氫氣燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化控制，華北水利水電大學(xué)對(duì)氫內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬等。

天然氣汽車(chē)也是新能源汽車(chē)的重點(diǎn)發(fā)展方向，我國(guó)提出加快推進(jìn)天然氣在交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的高效利用及天然氣車(chē)船發(fā)展。支持具備條件的加油站增加加氣功能，鼓勵(lì)建設(shè)天然氣加氣站。在大氣污染防治地區(qū)推廣天然氣汽車(chē)代替柴油車(chē)。天然氣作為車(chē)用燃料主要有壓縮天然氣(Compressed Natural Gas，CNG)和液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)兩種形式。2016年末，我國(guó)天然氣汽車(chē)的保有量約557.6萬(wàn)輛，許多城市推廣了壓縮天然氣公交車(chē)和出租車(chē)，載貨汽車(chē)則應(yīng)用液化天然氣。

其他國(guó)家對(duì)新能源汽車(chē)也出臺(tái)了大量政策支持。例如德國(guó)，在新能源汽車(chē)方面致力于在電動(dòng)汽車(chē)和氫動(dòng)力汽車(chē)的大力發(fā)展[1]。例如日本，實(shí)施汽車(chē)“綠色稅制”政策，適用于混合動(dòng)力車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)、天然氣車(chē)等。

2 兩種替代燃料的物理性質(zhì)及應(yīng)用分析

表1為四種車(chē)用燃料的部分理化性質(zhì)，根據(jù)理化性質(zhì)對(duì)燃料初步分析可得到氫氣和天然氣作為車(chē)用替代燃料的特點(diǎn)。

表1 車(chē)用燃料的理化性質(zhì)

2.1 氫氣的來(lái)源

在能源供給方面，氫氣主要從石油、煤炭、天然氣等礦物燃料中轉(zhuǎn)化制取，如甲醇裂解制氫。礦物燃料轉(zhuǎn)化制氫約占?xì)錃鈦?lái)源的90%。也可通過(guò)工業(yè)產(chǎn)品如氯氣、純堿生產(chǎn)過(guò)程中的“副產(chǎn)品”中提取。還可通過(guò)電解水制氫，但耗電量大應(yīng)用較少。氫能源的推廣依靠于合理的低碳制氫技術(shù)、高能量密度儲(chǔ)氫技術(shù)、完備加氫站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等。

2.2 氫氣作為車(chē)用燃料的特點(diǎn)

2.2.1 氫氣在燃料電池上的應(yīng)用特點(diǎn)

氫燃料電池汽車(chē)和普通化學(xué)電池類電動(dòng)車(chē)相比，通常是補(bǔ)充氫氣 3-5分鐘就能充滿高壓儲(chǔ)氣罐(約為 70Mpa)，其維護(hù)保養(yǎng)成本較高。氫燃料電池車(chē)的大規(guī)模應(yīng)用受到質(zhì)子交換膜價(jià)格昂貴、電池續(xù)航能力及車(chē)載液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)等限制。

2.2.2 氫氣在氫內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用特點(diǎn)

氫氣在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用包括純氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和混氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)現(xiàn)有汽油機(jī)適當(dāng)改裝后直接燃用氫氣是較理想的氫能源利用方式[2]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性方面，氫的自燃溫度高，適用于電火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)。在混合氣形成方面，氫氣的擴(kuò)散速率約為0.65 cm2/s，汽油的擴(kuò)散速率約為0.08cm2/s，混氫后利于形成均勻可燃混合氣。在發(fā)動(dòng)機(jī)壽命方面，由于氫氣熱值高，氫氣過(guò)多時(shí)易引起缸壓迅速上升，活塞負(fù)荷增大，影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命。在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件方面，由于氫氣的高擴(kuò)散率，對(duì)零部件的密封性要求較高。

2.3 天然氣的來(lái)源

在能源供給方面，天然氣是從油田、氣田和煤層中開(kāi)采的可燃?xì)怏w，主要成分為甲烷。西部地區(qū)天然氣儲(chǔ)存量豐富，2016年末全國(guó)天然氣產(chǎn)量約1371億立方米，同比增長(zhǎng)1.5%，保障車(chē)用天然氣的可持續(xù)性。

2.4 天然氣作為車(chē)用替代燃料的特點(diǎn)

在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方面，天然氣辛烷值高抗爆性好，發(fā)動(dòng)機(jī)可采用較高壓縮比。在燃料價(jià)格方面，相比汽油、柴油上漲的價(jià)格，天然氣較成本油低15%-40%，以鄭州為例，目前車(chē)用天然氣價(jià)格在 4.36元/m3左右。在安全性方面，自燃溫度高于汽油和柴油，安全性優(yōu)于傳統(tǒng)燃油車(chē)。在天然氣網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，具有存儲(chǔ)難度大、加氣站數(shù)量較少等缺點(diǎn)。

2.4.1 天然氣在CNG汽車(chē)的應(yīng)用特點(diǎn)

在車(chē)載存儲(chǔ)方面，CNG是通過(guò)壓縮機(jī)對(duì)天然氣施加20Mpa～25Mpa的壓力儲(chǔ)存在氣瓶中，通過(guò)減壓裝置減壓后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。在設(shè)備方面，原廠CNG車(chē)改裝技術(shù)成熟，設(shè)備完善，多應(yīng)用于出租車(chē)。在運(yùn)輸距離方面，CNG能量密度小，所需儲(chǔ)存壓力大，適合短途運(yùn)輸。

2.4.2 天然氣在LNG汽車(chē)的應(yīng)用特點(diǎn)

在車(chē)載存儲(chǔ)方面，LNG通常在超低溫(－162℃)和低壓狀態(tài)下儲(chǔ)存，體積縮小約600倍，節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間。蒸發(fā)后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，安全性較CNG好。在運(yùn)輸距離方面，LNG的能量密度高，相同容積壓力瓶下行駛里程遠(yuǎn)，多用于重卡。在燃?xì)鈨r(jià)格方面，由于 LNG將天然氣進(jìn)一步純化，深冷過(guò)程能耗高，且一般采取陸運(yùn)，較 CNG管道運(yùn)輸價(jià)格更高。因此LNG的市場(chǎng)價(jià)格較CNG高。

3 燃燒特性

3.1 氫氣作為車(chē)用燃料的燃燒特性

3.1.1 氫燃料電池汽車(chē)的燃燒特性

氫燃料電池汽車(chē)是將氫氣送入發(fā)動(dòng)機(jī)缸中，與燃料電池中氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)換為電能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛，氫燃料電池汽車(chē)尾氣僅排放水，清潔環(huán)保。

3.2.2 氫內(nèi)燃機(jī)的燃燒特性

在實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火方面，氫氣的點(diǎn)火能量小，空氣中體積分?jǐn)?shù)范圍為 4%-75%均可燃燒，摻氫混合氣更易著火，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，縮短滯燃期。在起動(dòng)性能方面，混氫后發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃能力提高，改善起動(dòng)性能，有利于減少發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)，提高工作穩(wěn)定性。在燃油消耗方面，混氫后可燃混合氣傳播迅速，傳熱損失減少，氫氣作為燃料參與燃燒放熱做功。發(fā)動(dòng)機(jī)做功能力提高，燃油消耗率下降。在燃燒熱效率方面，由于燃燒持續(xù)期短，氫燃燒時(shí)放熱率峰值在上止點(diǎn)附近，更接近理想等容熱力學(xué)循環(huán)，提高燃燒熱效率。在燃燒排放方面，混氫燃燒后產(chǎn)物主要是水和NOx，火焰?zhèn)鞑ソ咏鼩飧妆?、活塞余隙等，燃燒更加完全，減少CO和HC排放。氫氣熱值高，油氣混合氣快速燃燒，單位時(shí)間放熱量多，NOx排放增加。在異常燃燒方面，摻氫混合氣更易著火，缸內(nèi)熾熱點(diǎn)易被點(diǎn)燃，引起早燃、回火、缸內(nèi)壓力快速升高易引起爆燃等異常燃燒。

3.2 天然氣作為車(chē)用燃料的燃燒特性

天然氣的燃燒特點(diǎn)是著火溫度高，火焰發(fā)展期長(zhǎng)，燃燒峰值偏離上止點(diǎn)[3]。在同等條件下，天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^汽油低10%-20%[4]。天然氣密度較低，燃燒初期放熱率低，使得燃燒最高溫度降低，減少NOx的生成。在燃燒后處理方面，天然氣汽車(chē)無(wú)需選擇性催化還原技術(shù)(SCR)，比燃油車(chē)容易達(dá)到國(guó)V排放要求。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車(chē)工業(yè)是我國(guó)支柱產(chǎn)業(yè)之一，在環(huán)保節(jié)能的大環(huán)境下，氫氣和天然氣作為車(chē)用替代燃料有廣闊的發(fā)展空間，優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)有助于其在市場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用。

[1] 莫樹(shù)懂.國(guó)內(nèi)外新能源汽車(chē)技術(shù)創(chuàng)新政策的梳理與評(píng)價(jià)[J].廣西教育,2014,(19).

[2] 閆皓,紀(jì)常偉,鄧福山.氫及混氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē),2008,(3).

[3] 余旭東,蒲紅梅.淺析車(chē)用代用燃料[J].黑龍江科技信息,2008, (26)：25,174.

[4] 葉旭東.單一燃料天然氣內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力循環(huán)過(guò)程的數(shù)值模擬與優(yōu)化研究[D].重慶大學(xué),2014.