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当前关注：《文献综述：重型CNG车辆用CNG、H2混合气》

2023-02-14 10:57:56来源：卡车技术前线

Concawe之前委托DNV进行了一次

文献审查，以评估在内燃机中使用H2与CNG混合气体的益处、缺点和障碍，重点是重型车辆

(相关资料图)

。

/背景信息/

可持续生产的氢气（H2）被视为运输的低碳燃料。同样，压缩天然气（CNG）可以减少车辆的二氧化碳排放，特别是如果它是由生物甲烷等可再生资源生产时。H2和CNG都是气态的，很容易形成混合物（H2/CNG），现有的天然气网络有可能用于从化石天然气平稳过渡到可再生CH4和H2的混合物，从而实现内燃机（ICE）的低碳能源供应。

该报告显示，欧洲重型CNG汽车市场正在从稀薄燃烧（lean burn）（过量空气，这是欧盟V期之前车辆中最常用的技术）转向化学计量发动机（stoichiometric engine）（目前欧盟VI期车辆的选择技术）。一般而言，文献主要集中于稀燃发动机中向CNG中添加H2的影响，化学计量重型发动机的可用信息有限。

EU市场重载燃气车辆列表

/主要结论/

当20%体积H2与CNG混合时，文献显示：

火花点火稀燃发动机的发动机效率提高了0%-13%，这主要取决于发动机参数设置；在化学计量发动机中，效率增益是未知的；

温室气体排放减少8%（如果没有效率提高）至20%（效率提高13%）

CNG中氢含量对碳排放的影响函数

由于H2与CH4相比具有不利的压缩系数，车辆行驶减少里程介于24%（如果没有效率增益）至14%（13%效率增益）之间。

一家大型重型发动机制造商表示，根据他们的经验，少量添加氢不需要重新校准ECU，直到氢气体积百分比达到20%。超过20 vol.%需要不同的发动机MAP，对于超过40 vol.%的百分比，尚无经验。

原始设备制造商表示，只有当甲烷值不超出发动机规格时，才允许向天然气中添加氢气。此外，尚不清楚CNG部件（燃料管路、喷射器、压力调节器、燃料阀等）是否能够处理超过2体积%的氢气。

/混氢策略/

在欧洲，天然气供应系统中H2含量的偏差是不均匀的，范围在0.1%（比利时、英国）-10%（德国，根据具体情况，取决于供应系统的具体情况）之间。

在连接到天然气网络的整个供应链中，CNG车辆是对H2添加耐受性最低的最终用途（最大体积2%），因为传统车队中使用的钢罐（1型）可能会发生氢脆。因此，欧洲标准EN 16723-2中规定了作为汽车燃料的CNG中的H2最大值为2%。然而，由于采用非钢复合材料制成的新型储罐，新型车辆不再关注这一问题。

该报告确定了与发动机和具有较高的CNG H2含量的零售站的兼容性相关的知识差距和研究需求，涉及后处理系统、火花塞、润滑油、CNG油箱和燃油管路、喷油器、爆震管理和评级、发动机校准和传感器；还列出了对发动机排放和燃烧稳定性的影响。

目前天然气中只允许最大2体积%的氢气。为了最大限度地增加氢气注入量，应找到具有更多氢气鲁棒性设备的不同注入位置（短期策略）或采取缓解措施（长期策略）。例如，对于CNG车辆，这意味着应更换CNG钢储罐（1型），应对储罐外围部件进行测试或更换为耐氢部件，如果需要，应重新校准发动机MAP。当氢气在天然气网格中混合时，可以预期CNG中的氢气百分比会波动。气体成分波动的缺点是，发动机应处理管网中允许的整个氢气范围，这可能导致保守的发动机参数设置。在整个CNG/H2气体质量范围内实现最佳发动机的潜在解决方案是应用前馈发动机控制。

对于重型CNG车辆，最大化氢气混合的替代方案是在燃料站使用CNG中固定百分比的氢气混合氢气。当以固定的氢气百分比供应CNG/H2时，发动机设计者可以优化利用CNG/H2的燃烧财产，例如与CNG发动机相比，具有更高的燃料效率和更低的污染物形成。例如，这一策略对于24/7的市内配送和城市公交车来说很有意思。这种氢气混合策略需要单独的氢气供应链、加油站的现场储存和混合设施，以及开发专用的CNG/H2发动机。另一个优势是，该选项已被研究并成功测试。

下图示意了不同的氢气混合策略：1）将氢气注入燃气网，2）在燃料站使用固定量的氢气混合氢气。

不同的氢混合策略

/氢内燃机VS氢燃料电池/

该

报告还比较了纯H2在燃料电池电动汽车（FCEV）和内燃机中的优点

。

一方面，与内燃机相比，FCEV表现出更好的燃油经济性和无污染物排放。

但另一方面，它们在零售站需要非常高的H2纯度，并且具有较高的总拥有成本（TCO）。

氢内燃机与氢燃料电池对比

点燃、压燃内燃机与燃料电池负载效率对比

/前线观点/

前提是可再生天然气和可再生氢气，天然气管网适配，车载设备适配，难度较高。