天然氣-氫氣混合燃料（HCNG）是將天然氣與氫氣按一定比例混合而獲得的代用氣體燃料，它是綜合了氫氣燃燒速度快、著火界限寬以及天然氣體積熱值高等優點的車用動力新燃料。
基本介紹
- 中文名：天然氣-氫氣混合燃料發動機
- 領域：汽車
背景,優勢,研究現狀,特點,
背景
優勢
由於天然氣燃燒速率較低，導致天然氣發動機燃燒持續期長，燃燒等容度低，熱效率低。天然氣稀燃條件下火焰傳播速率低，燃燒不穩定，循環變動大，限制了天然氣發動機套用稀燃技術進一步提高熱效率的潛力。而氫氣燃燒速率快，稀燃極限寬，圖 1 表明氫氣在寬廣的當量比範圍內具有很高的火焰傳播速率，往天然氣里摻混少量氫氣可以提高天然氣燃燒速率，擴展天然氣的穩定稀燃極限。由於目前氫氣的規模化製備、氫氣儲存和氫氣加氣站基礎設施建設不全等原因，純氫氣內燃機的大規模套用條件還不成熟。
圖 1甲烷和氫氣層流火焰速率
圖 1甲烷和氫氣層流火焰速率研究表明含20%體積比氫氣的天然氣-氣混合燃料可以直接使用目前的天然氣輸運管道，無需任何改造。氫氣輸運網路基礎設施建設需要巨大的投入和很長的建設周期，在目前氫氣分配基礎設施還不完善的條件下，天然氣-氫氣混合燃料可以作為向氫能源過渡的可行性方式。同時，天然氣-氫氣混合燃料的研究和套用可以為氫氣燃料的推廣使用積累經驗。
天然氣-氫氣混合燃料的優勢在於：
（1）天然氣-氫氣混合燃料燃燒速率較快，燃燒等容度高，發動機熱效率高。
（2）天然氣-氫氣混合燃料點火能量低，不用採用高能點火系統，不會出現失火循環，燃燒穩定性高。
（3）天然氣-氫氣混合燃料稀燃極限寬，可以採用稀薄燃燒，從而提高熱效率，降低 NOx排放。
（4）天然氣-氫氣混合燃料可以利用比較完善的天然氣基礎設施，具有實際套用價值。
研究現狀
國內外對於天然氣-氫氣混合燃料開展了大量的試驗研究工作，包括發動機試驗研究、在燃燒彈等實驗裝置上開展的基礎燃燒特性研究、用雷射測試技術開展甲烷-氫氣混合燃料火焰研究、以及化學反應動力學研究等。
德國亞琛理工大學的研究結果表明摻混氫氣可以提高天然氣發動機熱效率，但 NOx排放有所增加，為了降低 NOx 排放，向氣缸內噴水來降低燃燒溫度。由於氫氣-空氣化學計量比混合氣體積低熱值比天然氣低，摻混氫氣後，發動機功率下降。但由於摻混氫氣提高了缸內混合氣火焰傳播速率，可以推遲點火提前角，摻氫比為 20%時，平均最佳點火提前角從 40 ºBTDC 推遲到36 ºBTDC。
Hoekstra 的研究結果表明採用摻氫比為 28%和 36%的天然氣-氫氣混合燃料，在稀燃條件下，NOx 排放很低，同時 HC排放增加不大。一般來說，摻混氫氣會加快天然氣混合氣燃燒速率，提高燃燒溫度，導致NOx 排放增加。為了研究摻混氫氣對NOx 排放和發動機性能的影響。Hoekstra 在一台 V8 天然氣發動機上開展了天然氣-氫氣混合燃料發動機試驗研究，結果表明 NOx 排放隨摻氫比增加而增大，同時，摻混氫氣可以明顯擴展天然氣發動機稀燃極限，天然氣發動機稀燃極限從φ=0.7 擴展到φ=0.58(摻氫比為30%)。美國 Sandia國家實驗室(Sandia National Laboratory)的研究結果表明由於氫氣的火焰傳播速率高，在稀混合氣和廢氣再循環條件下，天然氣-氫氣混合燃料發動機熱效率得到提高，NOx 排放達到美國加州環保局(California Air Resources Board)提出的超低排放車輛標準。
特點
(1)天然氣摻混氫氣之後可以有效擴展燃料的稀燃極限。純天然氣的稀燃極限是1.606摻混10%、30%、50%氫氣後，其稀燃極限分別是1.753、1.853、2.453。
(2)隨著摻氫量的增加，平均指示壓力變動係數降低，發動機運行狀況更加穩定，指示熱效率和平均指示壓力提高。尤其在稀燃時，摻氫量加大，其動力性和經濟性比相同過量空氣係數下低摻氫比的燃料明顯提高。
(3)隨著摻氫比的增加，發動機燃燒過程的火焰發展期和快速燃燒期縮短。摻氫比超過30%時，隨過量空氣係數的增大，火焰發展期和快速燃燒期增加的趨勢比低摻氫比的燃料緩慢。
(4)隨著摻氫比的增加，缸內氣體溫度增加，NOx排放增加,在混合氣相對較濃時增加幅度較大,在混合氣較稀時增加幅度很小。
(5)在稀燃極限之前，隨著摻氫比的增加，CH4排放較低，CO則較高。稀燃極限之後，CH4和CO濃度都出現增大趨勢。
