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，世界各國為了發(fā)展各自的經(jīng)濟，忽略了經(jīng)濟的發(fā)展對環(huán)境的影響，付出了嚴重的代價。隨著二氧化碳排放的不斷增加，全球變暖的趨勢也越來越明顯。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共同關(guān)注的主題，所以，氫能源、天然氣、電動汽車、混合動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，我國已經(jīng)成為繼美國之后的第二大石油進口國，隨著我國汽車保有量的增加，對石油的需求量將進一步加大，這種加大不僅僅是帶來經(jīng)濟問題，而且已經(jīng)成為關(guān)系我國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)展提供機遇
由于可再生資源的儲量不斷減少，而我國對能源需求也在逐年增加，我國對環(huán)境保護的重視程度也越來越高，北京、上海等大城市已經(jīng)率先實施了國IV標(biāo)準，并提出在2010年后逐步與國際接軌。
就國外而言，歐洲及一些發(fā)達國家對機動車的排放標(biāo)準更加嚴格，前一段時間的一篇報道稱，歐洲將于2015年左右實施歐VI排放標(biāo)準。由此可以看出，不論國內(nèi)國外，對汽車尾氣排放的要求越來越嚴格，新能源的研發(fā)勢在必行，在這種大環(huán)境下，就為氫能源的發(fā)展提供了良好的機遇。
發(fā)展HCNG、CNG汽車的意義
所謂HCNG，就是在天然氣發(fā)動機燃料中加入適量的氫氣（即氫氣/天然氣混合氣，簡稱“HCNG”），可以提高混合氣燃燒速度、擴大稀燃極限，從而提高發(fā)動機的熱效率、降低排放，這是目前國內(nèi)外正在研究的熱點問題。
HCNG發(fā)動機的研究成果
近年來，國外開展了HCNG發(fā)動機的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究，其中美國、加拿大、歐盟、日本等國的研究最為活躍。在美國能源部（DOE）等支持下，美國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)動機的研究，取得了許多研究開發(fā)及示范應(yīng)用成果。
二、 我國氫能經(jīng)濟過渡路線圖
對于氫能經(jīng)濟的發(fā)展，我國制定了一套由HCNG到CNG的過渡路線，即通過對HCNG發(fā)動機的研究和產(chǎn)業(yè)化，能盡可能利用現(xiàn)有設(shè)備同時促進氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。下圖是我國氫能經(jīng)濟過渡路線圖：
我國氫能經(jīng)濟過渡路線圖
從天然氣汽車到氫能汽車的發(fā)展路徑
三、 CNG發(fā)動機的研究開發(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)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、燃氣的噴射、點火時間的控制、尾氣的催化氧化問題，等等。針對這些問題，清華大學(xué)從以下幾個方面對CNG發(fā)動機的研發(fā)作出了具體的詮釋。
電子控制CNG進氣管噴射
空燃比開環(huán)控制
電控高能點火
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)動機：
發(fā)動機結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)
發(fā)動機系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)設(shè)計
CNG噴射燃料供給系統(tǒng)
點火系統(tǒng)
電控噴射系統(tǒng)
發(fā)動機的標(biāo)定、匹配及臺架性能排放試驗
1、 臺架、道路標(biāo)定試驗
2、 歐III ETC循環(huán)試驗方法
3、 不同市場的發(fā)動機和整車進行專項標(biāo)定
4、 全面性能試驗
5、 排放認證工作
6、 怠速、過渡工況和低溫起動標(biāo)定
四、 HCNG發(fā)動機的研究開發(fā)
前面我們已經(jīng)介紹過，所謂HCNG，就是在天然氣發(fā)動機燃料中加入適量的氫氣，因此摻氫的多少會對發(fā)動機的性能產(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、最佳點火提前角時摻氫對發(fā)動機性能的影響以及不同點火提前角時發(fā)動機性能的變化。
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)動機依然可以高效運行。
2、 最佳點火提前角時摻氫對發(fā)動機性能的影響
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)動機的稀燃極限可得到拓寬。
◆ 在動力最佳點火提前角下，摻氫比增加可提高發(fā)動機效率。在此點火提前角下，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、 不同點火提前角時發(fā)動機的性能變化
結(jié)論：
1、 隨著摻氫比的提高，最佳點火提前角越接近上止點，指示熱效率也有所提高。
2、 燃燒持續(xù)期和點火延遲期隨著摻氫比增加而線性減小
3、 在相同的點火提前角下，摻氫比的增加會使得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、推遲點火是HCNG內(nèi)燃機行之有效的先進技術(shù)
2、 HCNG發(fā)動機的空燃比和點火必須進行精確控制，以保證在原機性能前提下進一步降低排放
3、 HCNG發(fā)動機摻氫比在20-30%范圍內(nèi)時，可使HCNG發(fā)動機性能最優(yōu)
4、 HCNG發(fā)動機能夠在動力性、經(jīng)濟性（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)動機排放能夠滿足國（歐）IV排放，并使發(fā)動機經(jīng)濟性得到一定的改善（5%左右）
5、 天然氣摻氫（HCNG）燃燒發(fā)動機將是氫能在內(nèi)燃機上應(yīng)用最有前途和最具可行性的技術(shù)方案。為了應(yīng)對越來越嚴格的排放法規(guī)要求，和解決石油能源緊缺的現(xiàn)狀，HCNG發(fā)動機必然沿著稀燃、進一步降低排放（尤其是Nox）、提高熱效率的技術(shù)目標(biāo)不斷邁進。
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