淺談我國天然氣汽車技術創(chuàng)新的幾個選項

中國汽車工程學會特聘專家

四川省清潔能源汽車協(xié)會副秘書長 李永昌

一、前言

自1989年我國開始批量推廣CNG汽車，2006年開始批量LNG汽車以來，已經分別走過了2個年頭和10個年頭。目前，天然氣汽車業(yè)已遍布全國31個省、市、自治區(qū)的300多個地級及其以上行政區(qū)域。截至2015年底，全國天然氣汽車的保有量已達506萬輛（其中LNG汽車保有量約23萬輛），加氣站約7400座，年耗天然氣逾300多億立方米。無論是CNG汽車及其加氣站保有量，LNG汽車及其加注站保有量，還是車用天然氣消耗量均居世界第一位。這對于治理以霧霾為代表的大氣污染和提高天然氣在我國一次能源消費量中的占比，改善我國能源結構都作出了十分顯著的貢獻。天然氣業(yè)已成為我國第一車用替代能源。理應不斷地加以總結、改進，推動其技術創(chuàng)新和技術升級，以期取得更佳的業(yè)績。

二、不足與問題

毋庸諱言，我國天然氣汽車推廣應用實踐中也存在一些不足和問題，制約了天然氣汽車向更大范疇和更高層次進軍，也影響了與其它車用天然氣替代能源，如電能之間的競爭力。值得我們認真面對，深入研究。初步歸納一下，目前我國天然氣汽車存在著以下不足之處和問題：

1、油氣兩用車燃用天然氣的動力性低于原汽油車

發(fā)動機臺架試驗表明：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，車輛的最高車速和加速性能也有所下降。

2、CNG汽車能量密度低，續(xù)行里程短

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

3、油氣兩用汽車的實際尾氣排放情況不佳

按照規(guī)定，對油氣兩用汽車進行環(huán)保檢測的需要分別對燃油和燃氣兩件工況進行檢測。不少地方的檢測機構發(fā)現(xiàn)，兩種工況的實際檢測結果往往均比同類型的汽油車差。簡言之，很難達到國四排放標準。

4、LNG汽車的氣耗偏高

從理論上講，LNG較CNG氣質更純、熱值更高，至少CO2等成份在液化過程應該清除掉；可實際使用結果往往卻出現(xiàn)氣耗反而高于CNG汽車的情況。究其原因，不外二條，一是行駛過程中或停放情況下，因LNG氣瓶絕熱性能變差而導致產生“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)動機不同工況的需求量不相匹配的情況，從而也會導致氣耗高。

5、LNG部分零件的工作可靠性欠佳

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

6、相關標準缺失和存在弊端

如至今尚未見“車用LNG氣質”標準和“LNG車用瓶定期檢驗與評判”標準

又如GB18047-2000《車用壓縮天然氣》中的熱值要求等同于民用氣實在太低。

三、技術進步和升級的預期目標

1、動力性：燃用天然氣時，動力性不低于同類型的燃油發(fā)動機。

2、燃料經濟性：油氣兩用汽車：1Nm3天然氣代油量不低于1.1L汽油

天然氣單燃料汽車：1Nm3天然氣代油量不低于0.9L汽油

3、排放：新車不低于國V標準

在用車不低于國IV標準

4、續(xù)行里程：CNG乘用車不低于300公里

CNG商用車不低于500公里

四、選項和舉措

1、適度提高CNG汽車供氣系統(tǒng)工作壓力等級

為了彌補CNG汽車的量密度低、續(xù)行里程短的這一突出缺點，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三十年初意大利開創(chuàng)CNG汽車時選定的壓力等級。一直沿用至今已達80多年之久。現(xiàn)在氣瓶制造的技術水平，氣瓶材質的技術性能已有長足的進步。適當提高氣瓶及其配備供氣系統(tǒng)的工作壓力，應當說在技術上是完全可行的。美國已有25MPa、德國已有30 MPa的CNG汽車使用先例。而國內氫氣儲氣瓶的壓力等級據了解為35MPa。目前主要問題是需要修改《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》（GB50156-2012）等相關技術標準。

2、適度提高CNG槽車氣瓶后力等級

即便是對目前工作壓力為20MPa的CNG汽車，為了CNG運輸效率和槽車對子站內加氣車輛的充氣效率，也應將槽車上氣瓶的工作壓力提高至25MPa，據了解工信部汽車產品目錄中已經有了25MPaCNG槽車品種，只需修改GB50156中的20MPa的限制了。若今后CNG汽車上的氣瓶壓力提高了；槽車上的工作壓力也應作相應提高。

3、研發(fā)乘用車用天然氣發(fā)動機

國家《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020）》中明確提出要“穩(wěn)妥發(fā)展天然氣轎車”。而現(xiàn)在乘用車推廣天然氣汽車方面客觀存在如上述的“油氣兩用”汽車的排放性能和動力性不佳與續(xù)行里程短等突出問題。需要一方面提高車用氣瓶壓力等級，同時也需要研發(fā)小排量的天然氣發(fā)動機。這種發(fā)動機上可充分發(fā)揮天然氣辛烷值高的優(yōu)點，通過提高壓縮比的辦法來提升發(fā)動機熱效率。從而同時改善其動力性與燃料經濟性。針對天然氣排氣溫度高、排氣閥門座圈易燒蝕的缺點，選配耐熱材料，來解決的問題；此外，還可根據天然氣的燃燒特性來設計燃燒室形狀，匹配最佳而不是兼顧油氣兩種工況的電控系統(tǒng)。從而為家族轎車使用天然氣提供可靠的發(fā)動機支撐。

4、進一步減輕CNG汽車與LNG汽車及CNG槽車的氣瓶重量

其實，國內一些制造企業(yè)近年來也在車用II型和III型瓶和槽車氣瓶作了不少“減肥”工作，且取得一定效果，重容比可達0.35。可喜的是目前碳纖維材料的國際市場價格有走低走勢。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LNG氣瓶合并為一個大容積氣瓶，據說重量可減少15%以上，還可以減少一套瓶上的閥門管道附件，也算得上是一種技術上的創(chuàng)新。

5、提高LNG汽車供氣系統(tǒng)的技術性能

5.1提高LNG車用氣瓶的絕熱情況，研究氣瓶真空度檢驗的合理周期和補抽真空標準

5.2提高LNG供氣系統(tǒng)與發(fā)動機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汽車加注站對車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)（因為對常規(guī)天然氣單燃料發(fā)動機而言燃料噴射裝置的工作壓力正好也是（0.7-0.8 MPa），但是過高的充裝壓力會導致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，同時由于LNG瓶內的壓力偏高，LNG的溫度也較高，致使氣瓶內實際儲存的LNG質量減少，續(xù)行里程自然也會隨之減少，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行充裝，又不需要配備自增壓系統(tǒng)。該項技術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)動機各種工況的需要。

6、車載式天然氣加氫技術

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，改善天然在氣汽車的動力性，經濟性和排放性。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)，尚待通過經濟性、可靠性等方面的試驗后才能得出令人信服的結論。

7、開發(fā)中長途CNG公路客車和CNG重卡

即使在目前20MPa工作壓力和II型車用氣瓶的現(xiàn)實條件下也可以嘗試開發(fā)紅續(xù)行里程不低于500公里的CNG公路客車和重卡。國內已有新疆、山東等地嘗試使用了CNG公路客車。此外，印尼雅加達到萬隆的長途客車使用的CNG客車；俄羅期嘎斯集團的CNG長途客車的續(xù)行里程為400公里，車上裝有5支氣瓶，水容積共計為123L；美國菲亞特克萊斯特公司于2015年12月宣布擬投資4000萬美元將約200輛柴油卡車改為CNG。

公路客車和重卡使用CNG與使用LNG相比有如下優(yōu)點：

7.1新車購置費至少低2萬元以上。

7.2沒有BOG現(xiàn)象

7.3多數(shù)地區(qū)CNG氣價比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)象很容易通過車對車的充氣方式處理

由此可見，以上諸多優(yōu)點足可以彌補CNG能量密度比LNG低約一半的這一缺點。如果今后CNG氣瓶壓力等級升級后則續(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)動機電控系統(tǒng)

目前我國中高擋天然氣汽車的發(fā)動機管理系統(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、德國的波許公司、美國德爾芙公司、美國伍德沃德公司、日本電裝公司。

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