一、 发展HCNG、CNG汽车的背景和意义
发展HCNG、CNG汽车的背景
1、 环保节能
前些年，世界各国为了发展各自的经济，忽略了经济的发展对环境的影响，付出了严重的代价。随着二氧化碳排放的不断增加，全球变暖的趋势也越来越明显。因此，如何减轻汽车尾气污染甚至是零排放，成了世界各大汽车集团共同关注的主题，所以，氢能源、天然气、电动汽车、混合动力等新型能源的出现，为未来环境的改善提供了有利的保障。
2、 石油依赖性和汽车保有量的增加
目前，我国已经成为继美国之后的第二大石油进口国，随着我国汽车保有量的增加，对石油的需求量将进一步加大，这种加大不仅仅是带来经济问题，而且已经成为关系我国能源安全的政治问题。因此，新能源的开发，已经迫在眉睫。
3、 未来氢能发展提供机遇
由于可再生资源的储量不断减少，而我国对能源需求也在逐年增加，我国对环境保护的重视程度也越来越高，北京、上海等大城市已经率先实施了国IV标准，并提出在2010年后逐步与国际接轨。
就国外而言，欧洲及一些发达国家对机动车的排放标准更加严格，前一段时间的一篇报道称，欧洲将于2015年左右实施欧VI排放标准。由此可以看出，不论国内国外，对汽车尾气排放的要求越来越严格，新能源的研发势在必行，在这种大环境下，就为氢能源的发展提供了良好的机遇。
发展HCNG、CNG汽车的意义
所谓HCNG，就是在天然气发动机燃料中加入适量的氢气（即氢气/天然气混合气，简称“HCNG”），可以提高混合气燃烧速度、扩大稀燃极限，从而提高发动机的热效率、降低排放，这是目前国内外正在研究的热点问题。
HCNG发动机的研究成果
近年来，国外开展了HCNG发动机的基础研究及应用研究，其中美国、加拿大、欧盟、日本等国的研究最为活跃。在美国能源部（DOE）等支持下，美国Colorado州立大学；HCI公司(Hydrogen Components Inc.)、加拿大Westport等单位早就开始了氢气/天然气发动机的研究，取得了许多研究开发及示范应用成果。
二、 我国氢能经济过渡路线图
对于氢能经济的发展，我国制定了一套由HCNG到CNG的过渡路线，即通过对HCNG发动机的研究和产业化，能尽可能利用现有设备同时促进氢能基础设施的建设。下图是我国氢能经济过渡路线图：
我国氢能经济过渡路线图
从天然气汽车到氢能汽车的发展路径
三、 CNG发动机的研究开发
在CNG的研发过程中，需要解决各种各样的技术难题，如发动机的结构设计、燃气的喷射、点火时间的控制、尾气的催化氧化问题，等等。针对这些问题，清华大学从以下几个方面对CNG发动机的研发作出了具体的诠释。
电子控制CNG进气管喷射
空燃比开环控制
电控高能点火
稀薄燃烧
水冷式增压器
氧化型催化器
下面我们通过一组图片来具体了解一下CNG发动机：
发动机结构和性能参数
发动机系统构成及技术设计
CNG喷射燃料供给系统
点火系统
电控喷射系统
发动机的标定、匹配及台架性能排放试验
1、 台架、道路标定试验
2、 欧III ETC循环试验方法
3、 不同市场的发动机和整车进行专项标定
4、 全面性能试验
5、 排放认证工作
6、 怠速、过渡工况和低温起动标定
四、 HCNG发动机的研究开发
前面我们已经介绍过，所谓HCNG，就是在天然气发动机燃料中加入适量的氢气，因此掺氢的多少会对发动机的性能产生重要影响。下面我们通过几张性能图，来具体看一下掺氢量与稀薄燃烧、燃烧持续期、热效率和排放之间的关系、最佳点火提前角时掺氢对发动机性能的影响以及不同点火提前角时发动机性能的变化。
1、 掺氢量与稀薄燃烧、燃烧持续期、热效率和排放之间的关系
然而，当过量空气系数超过1.5后，由于传热损失量的减小，掺氢对热效率的改善效果还是很明显的。由于氢气的良好的稀燃能力，使提即使燃料很稀的情况下，发动机依然可以高效运行。
2、 最佳点火提前角时掺氢对发动机性能的影响
结论：
◆ 由于氢气的更宽的稀燃极限和更快的燃烧速度，发动机的稀燃极限可得到拓宽。
◆ 在动力最佳点火提前角下，掺氢比增加可提高发动机效率。在此点火提前角下，NOx排放差别不明显。
◆ 掺氢可减缓Nox排放与HC排放的相互矛盾程度
3、 不同点火提前角时发动机的性能变化
结论：
1、 随着掺氢比的提高，最佳点火提前角越接近上止点，指示热效率也有所提高。
2、 燃烧持续期和点火延迟期随着掺氢比增加而线性减小
3、 在相同的点火提前角下，掺氢比的增加会使得Nox排放和CO排放增加，而HC排放则减少。因此，掺氢在稀燃的情况下可避免高Nox和CO的排放
五、 结论与展望
1、 稀燃、推迟点火是HCNG内燃机行之有效的先进技术
2、 HCNG发动机的空燃比和点火必须进行精确控制，以保证在原机性能前提下进一步降低排放
3、 HCNG发动机掺氢比在20-30%范围内时，可使HCNG发动机性能最优
4、 HCNG发动机能够在动力性、经济性（燃料消耗量）保持不变的情况下，大幅度减少排放（尤其是Nox排放），HCNG发动机排放能够满足国（欧）IV排放，并使发动机经济性得到一定的改善（5%左右）
5、 天然气掺氢（HCNG）燃烧发动机将是氢能在内燃机上应用最有前途和最具可行性的技术方案。为了应对越来越严格的排放法规要求，和解决石油能源紧缺的现状，HCNG发动机必然沿着稀燃、进一步降低排放（尤其是Nox）、提高热效率的技术目标不断迈进。
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