淺談我國(guó)天然氣汽車(chē)技術(shù)創(chuàng)新的幾個(gè)選項(xiàng)

　　一、前言

　　自1989年我國(guó)開(kāi)始批量推廣CNG汽車(chē)，2006年開(kāi)始批量LNG汽車(chē)以來(lái)，已經(jīng)分別走過(guò)了2個(gè)年頭和10個(gè)年頭。目前，天然氣汽車(chē)業(yè)已遍布全國(guó)31個(gè)省、市、自治區(qū)的300多個(gè)地級(jí)及其以上行政區(qū)域。截至2015年底，全國(guó)天然氣汽車(chē)的保有量已達(dá)506萬(wàn)輛（其中LNG汽車(chē)保有量約23萬(wàn)輛），加氣站約7400座，年耗天然氣逾300多億立方米。無(wú)論是CNG汽車(chē)及其加氣站保有量，LNG汽車(chē)及其加注站保有量，還是車(chē)用天然氣消耗量均居世界第一位。這對(duì)于治理以霧霾為代表的大氣污染和提高天然氣在我國(guó)一次能源消費(fèi)量中的占比，改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)都作出了十分顯著的貢獻(xiàn)。天然氣業(yè)已成為我國(guó)第一車(chē)用替代能源。理應(yīng)不斷地加以總結(jié)、改進(jìn)，推動(dòng)其技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)升級(jí)，以期取得更佳的業(yè)績(jī)。

　　二、不足與問(wèn)題

　　毋庸諱言，我國(guó)天然氣汽車(chē)推廣應(yīng)用實(shí)踐中也存在一些不足和問(wèn)題，制約了天然氣汽車(chē)向更大范疇和更高層次進(jìn)軍，也影響了與其它車(chē)用天然氣替代能源，如電能之間的競(jìng)爭(zhēng)力。值得我們認(rèn)真面對(duì)，深入研究。初步歸納一下，目前我國(guó)天然氣汽車(chē)存在著以下不足之處和問(wèn)題：

　　1、油氣兩用車(chē)燃用天然氣的動(dòng)力性低于原汽油車(chē)

　　發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)表明：燃用天然氣較燃用汽油的最大功率一般要下降10%-15%；最大扭矩下降10%左右。此外，車(chē)輛的最高車(chē)速和加速性能也有所下降。

　　2、CNG汽車(chē)能量密度低，續(xù)行里程短

　　目前，燃用CNG的公交車(chē)和出租車(chē)，充氣一次的續(xù)行里程僅有200公里左右。

　　3、油氣兩用汽車(chē)的實(shí)際尾氣排放情況不佳

　　按照規(guī)定，對(duì)油氣兩用汽車(chē)進(jìn)行環(huán)保檢測(cè)的需要分別對(duì)燃油和燃?xì)鈨杉r進(jìn)行檢測(cè)。不少地方的檢測(cè)機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，兩種工況的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果往往均比同類(lèi)型的汽油車(chē)差。簡(jiǎn)言之，很難達(dá)到國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)。

　　4、LNG汽車(chē)的氣耗偏高

　　從理論上講，LNG較CNG氣質(zhì)更純、熱值更高，至少CO2等成份在液化過(guò)程應(yīng)該清除掉；可實(shí)際使用結(jié)果往往卻出現(xiàn)氣耗反而高于CNG汽車(chē)的情況。究其原因，不外二條，一是行駛過(guò)程中或停放情況下，因LNG氣瓶絕熱性能變差而導(dǎo)致產(chǎn)生“BOG”現(xiàn)象，LNG蒸汽即從安全閥溢出，造成氣耗高；二是LNG供給系統(tǒng)的壓力和溫度均為變量，容易出現(xiàn)天然氣供給量跟發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的需求量不相匹配的情況，從而也會(huì)導(dǎo)致氣耗高。

　　5、LNG部分零件的工作可靠性欠佳

　　如安全閥開(kāi)啟后回位不到位，引起冰堵現(xiàn)象（見(jiàn)照片）；又如自增壓器工作不可靠，導(dǎo)致LNG泄漏，甚至醞成安全事故。

　　6、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失和存在弊端

　　如至今尚未見(jiàn)“車(chē)用LNG氣質(zhì)”標(biāo)準(zhǔn)和“LNG車(chē)用瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)判”標(biāo)準(zhǔn)

　　又如GB18047-2000《車(chē)用壓縮天然氣》中的熱值要求等同于民用氣實(shí)在太低。

　　三、技術(shù)進(jìn)步和升級(jí)的預(yù)期目標(biāo)

　　1、動(dòng)力性：燃用天然氣時(shí)，動(dòng)力性不低于同類(lèi)型的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　2、燃料經(jīng)濟(jì)性：油氣兩用汽車(chē)：1Nm3天然氣代油量不低于1.1L汽油

　　天然氣單燃料汽車(chē)：1Nm3天然氣代油量不低于0.9L汽油

　　3、排放：新車(chē)不低于國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)

　　在用車(chē)不低于國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)

　　4、續(xù)行里程：CNG乘用車(chē)不低于300公里

　　CNG商用車(chē)不低于500公里

　　四、選項(xiàng)和舉措

　　1、適度提高CNG汽車(chē)供氣系統(tǒng)工作壓力等級(jí)

　　為了彌補(bǔ)CNG汽車(chē)的量密度低、續(xù)行里程短的這一突出缺點(diǎn)，擬將目前20MPa的工作壓力提升至25MPa-30MPa.

　　20MPa的工作壓力是上世紀(jì)三十年初意大利開(kāi)創(chuàng)CNG汽車(chē)時(shí)選定的壓力等級(jí)。一直沿用至今已達(dá)80多年之久。現(xiàn)在氣瓶制造的技術(shù)水平，氣瓶材質(zhì)的技術(shù)性能已有長(zhǎng)足的進(jìn)步。適當(dāng)提高氣瓶及其配備供氣系統(tǒng)的工作壓力，應(yīng)當(dāng)說(shuō)在技術(shù)上是完全可行的。美國(guó)已有25MPa、德國(guó)已有30 MPa的CNG汽車(chē)使用先例。而國(guó)內(nèi)氫氣儲(chǔ)氣瓶的壓力等級(jí)據(jù)了解為35MPa。目前主要問(wèn)題是需要修改《汽車(chē)加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（GB50156-2012）等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　2、適度提高CNG槽車(chē)氣瓶后力等級(jí)

　　即便是對(duì)目前工作壓力為20MPa的CNG汽車(chē)，為了CNG運(yùn)輸效率和槽車(chē)對(duì)子站內(nèi)加氣車(chē)輛的充氣效率，也應(yīng)將槽車(chē)上氣瓶的工作壓力提高至25MPa，據(jù)了解工信部汽車(chē)產(chǎn)品目錄中已經(jīng)有了25MPaCNG槽車(chē)品種，只需修改GB50156中的20MPa的限制了。若今后CNG汽車(chē)上的氣瓶壓力提高了；槽車(chē)上的工作壓力也應(yīng)作相應(yīng)提高。

　　3、研發(fā)乘用車(chē)用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)

　　國(guó)家《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020）》中明確提出要“穩(wěn)妥發(fā)展天然氣轎車(chē)”。而現(xiàn)在乘用車(chē)推廣天然氣汽車(chē)方面客觀存在如上述的“油氣兩用”汽車(chē)的排放性能和動(dòng)力性不佳與續(xù)行里程短等突出問(wèn)題。需要一方面提高車(chē)用氣瓶壓力等級(jí)，同時(shí)也需要研發(fā)小排量的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)上可充分發(fā)揮天然氣辛烷值高的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)提高壓縮比的辦法來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。從而同時(shí)改善其動(dòng)力性與燃料經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)天然氣排氣溫度高、排氣閥門(mén)座圈易燒蝕的缺點(diǎn)，選配耐熱材料，來(lái)解決的問(wèn)題；此外，還可根據(jù)天然氣的燃燒特性來(lái)設(shè)計(jì)燃燒室形狀，匹配最佳而不是兼顧油氣兩種工況的電控系統(tǒng)。從而為家族轎車(chē)使用天然氣提供可靠的發(fā)動(dòng)機(jī)支撐。

　　4、進(jìn)一步減輕CNG汽車(chē)與LNG汽車(chē)及CNG槽車(chē)的氣瓶重量

　　其實(shí)，國(guó)內(nèi)一些制造企業(yè)近年來(lái)也在車(chē)用II型和III型瓶和槽車(chē)氣瓶作了不少“減肥”工作，且取得一定效果，重容比可達(dá)0.35?？上驳氖悄壳疤祭w維材料的國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格有走低走勢(shì)。這就為上述氣瓶的減重提供了有利條件。

　　某LNG制造商最近將重卡上的兩個(gè)LNG氣瓶合并為一個(gè)大容積氣瓶，據(jù)說(shuō)重量可減少15%以上，還可以減少一套瓶上的閥門(mén)管道附件，也算得上是一種技術(shù)上的創(chuàng)新。

　　5、提高LNG汽車(chē)供氣系統(tǒng)的技術(shù)性能

　　5.1提高LNG車(chē)用氣瓶的絕熱情況，研究氣瓶真空度檢驗(yàn)的合理周期和補(bǔ)抽真空標(biāo)準(zhǔn)

　　5.2提高LNG供氣系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)工況之間的匹配性能

　　5.3推薦一種不帶自增壓系統(tǒng)的LNG供氣方案

　　目前，LNG汽車(chē)加注站對(duì)車(chē)輛的充裝一般有高飽和蒸氣壓力（0.7-0.8MPa）和低飽和蒸氣壓力（約0.4MPa）等兩種方式。前者雖然可以省去自增壓系統(tǒng)（因?yàn)閷?duì)常規(guī)天然氣單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)而言燃料噴射裝置的工作壓力正好也是（0.7-0.8 MPa），但是過(guò)高的充裝壓力會(huì)導(dǎo)致LNG加注站BOG數(shù)量增加也不利于安全。因此，這種充裝方式不受加注站管理者的歡迎，同時(shí)由于LNG瓶?jī)?nèi)的壓力偏高，LNG的溫度也較高，致使氣瓶?jī)?nèi)實(shí)際儲(chǔ)存的LNG質(zhì)量減少，續(xù)行里程自然也會(huì)隨之減少，因此這種方式也不受駕駛員歡迎。

　　而后者的主要問(wèn)題在于多了一套自增壓系統(tǒng)可能造成LNG泄露甚至釀成安全事故。

　　筆者推薦的這種方法兩全齊美。既采用了低飽和蒸氣壓力進(jìn)行充裝，又不需要配備自增壓系統(tǒng)。該項(xiàng)技術(shù)的決竅在于將天然氣的噴射裝置的壓力選擇為0.35MPa左右。當(dāng)然還需要考慮增大噴嘴口徑。以確保天然氣的噴射量能夠滿足各種發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況的需要。

　　6、車(chē)載式天然氣加氫技術(shù)

　　眾所周知，天然氣加氫摻燒，可以提高天然氣的燃燒速度和熱效率，改善天然在氣汽車(chē)的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和排放性。一舉數(shù)得。

　　加氫方式主要有先按一定比例（例如20%）與天然氣混合后再加到25Mpa與先將氫加壓到25Mpa再和同為25Mpa的CNG混和等二種方式。。但二種方式究竟何種更優(yōu)，尚待通過(guò)經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面的試驗(yàn)后才能得出令人信服的結(jié)論。

　　7、開(kāi)發(fā)中長(zhǎng)途CNG公路客車(chē)和CNG重卡

　　即使在目前20MPa工作壓力和II型車(chē)用氣瓶的現(xiàn)實(shí)條件下也可以嘗試開(kāi)發(fā)紅續(xù)行里程不低于500公里的CNG公路客車(chē)和重卡。國(guó)內(nèi)已有新疆、山東等地嘗試使用了CNG公路客車(chē)。此外，印尼雅加達(dá)到萬(wàn)隆的長(zhǎng)途客車(chē)使用的CNG客車(chē)；俄羅期嘎斯集團(tuán)的CNG長(zhǎng)途客車(chē)的續(xù)行里程為400公里，車(chē)上裝有5支氣瓶，水容積共計(jì)為123L；美國(guó)菲亞特克萊斯特公司于2015年12月宣布擬投資4000萬(wàn)美元將約200輛柴油卡車(chē)改為CNG。

　　公路客車(chē)和重卡使用CNG與使用LNG相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　7.1新車(chē)購(gòu)置費(fèi)至少低2萬(wàn)元以上。

　　7.2沒(méi)有BOG現(xiàn)象

　　7.3多數(shù)地區(qū)CNG氣價(jià)比LNG低

　　7.4CNG加氣站數(shù)量較LNG加氣站更多

　　7.5如果偶然出現(xiàn)拋氣錨現(xiàn)象很容易通過(guò)車(chē)對(duì)車(chē)的充氣方式處理

　　由此可見(jiàn)，以上諸多優(yōu)點(diǎn)足可以彌補(bǔ)CNG能量密度比LNG低約一半的這一缺點(diǎn)。如果今后CNG氣瓶壓力等級(jí)升級(jí)后則續(xù)行里程還可以有較大幅度地增加。

　　8、研發(fā)高性能的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)

　　目前我國(guó)中高擋天然氣汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)幾乎是北美、西歐、日本的，其中較為著名的意大利的美塔特龍公司和郎第公司、加拿大的西港公司、德國(guó)的波許公司、美國(guó)德?tīng)栜焦?、美?guó)伍德沃德公司、日本電裝公司。

來(lái)源：中國(guó)能源網(wǎng)

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