天然气汽车发展现状及趋势

Energy of China - - 目录 -

陈 昊,韩 斌,陈轶嵩,张 鹏,贺晶晶,马金秋,滑海宁,李阳阳,马文晓,谢 斌

(长安大学汽车学院,陕西 西安 710064)

摘要:在能源结构优化、环境污染控制、气候变化约束的驱动下,天然气汽车具有较高

的发展潜力。天然气汽车动力源主要有4 种形式:压缩天然气( CNG )单一燃料发动机(燃料是天然气或天然气掺氢)、CNG 汽油两用燃料发动机、CNG柴油双燃料发动机、液化天然气(LNG)发动机。天然气汽车主要应用于我国交通运输行业营运车辆,主要以 CNG 汽车、CNG/ 汽油两用燃料汽车的形式在出租车中应用;以CNG 汽车形式在公交车中应用;以 LNG汽车形式在重卡中应用。天然气汽车未来应该大力发展 LNG 重卡;保持 CNG 公交客车比例,并推动气电混合动力公交的发展;将两用燃料出租车逐步替换为 CNG 汽车。发展天然气汽车对我国能源结构优化、交通运输节能减排具有重要意义。

关键词:天然气汽车;CNG 发动机;CNG/ 汽油两用燃料;CNG/ 柴油双燃料;LNG 发动机中图分类号:TK01 文献标识码:A 文章编号:1003-2355-(2018)02-0036-06

Doi: 10.3969/j.issn.1003-2355.2018.02.007

Abstract: Optimization of energy structure, control of environment pollution, and constraint of climate change drive the development of CNG automobiles. There are four engine modes: CNG engine fueled with CNG or mixture of CNG and H2, CNG/gasoline bi-fuel engine, CNG/diesel dual fuel engine, and LNG engine. Natural gas automobiles are mainly applied in transportation sector, with CNG automobiles, CNG/gasoline bi-fuel automobiles for taxis, with CNG automobiles for buses, and with LNG automobiles for heavy duty trucks. In the future, LNG heavy duty trucks should be developed; CNG buses and CNG electric hybrid buses should be developed; bi-fuel taxis should be substituted with CNG taxis. Natural gas automobiles play a significant role in optimization of energy structure and energy saving and emission reduction of transportation sector.

Key words: Natural Gas Automobiles; CNG Engines; CNG/Gasoline Bi-fuel; CNG/Diesel Dual Fuel; LNG Engines

1 概述

天然气作为汽车代用燃料,具有来源丰富、燃料经济性好、污染物排放量少、安全性好等特点。天然气辛烷值高达 120,天然气发动机许用压缩比可以达到 12(汽油机为 6~8 ),理想循环热效率可以提高 7%~12%[1]。此外,天然气与空气形成的混合气质量比汽油与空气形成的混合气的质量好,提高了燃烧完全度,有利于热效率的提高。

天然气自燃温度高达 540℃,汽油的自燃温度为 260~370 ℃,在汽车发生碰撞等事故时,天然气在容器内激烈震荡、摩擦、温度急剧升高达到

自燃点而起火爆炸的可能性比汽油低 [1]。天然气分子量比空气小,气瓶意外泄漏时,天然气会迅速向上逸散,不易聚积;天然气可燃范围下限为5% 体积比,明显高于汽油的 1.3% 体积比,由此看出,天然气很难达到被点燃的浓度条件。因此,天然气汽车安全性较好。

2 天然气汽车发展现状

2.1 天然气汽车保有量与基础设施

截至 2015 年 6月,我国天然气汽车保有量已达 500万辆,加气站7950座,均位居世界第一位[2]。

伊朗天然气探明储量居于世界第一位,其天然气汽车发展迅速,保有量已达400 万辆,加气站达 2380 座 [2]。据 BP年度能源统计显示,我国天然气探明储量由 2014 年底的 3.5 万亿 m3 增长至2016 年底的 5.4 万亿 m3 [3],天然气探明储量仍很低,属于“贫气”的能源结构。近年来,我国大力发展新能源汽车(纯电动汽车与混合动力电动汽车),大力推动电动汽车和零部件的生产及产业整体发展。国际能源署的数据显示,2015 年中国的电动轿车保有量为 31.3 万辆;2016 年达到 64.8 万辆。中国新能源汽车保有量(包含电动轿车和其它车型)达 109 万辆,与 2015 年相比增长 86.9%,其中,纯电动汽车保有量为 74.1 万辆,占新能源汽车总量的 67.98%。目前,天然气汽车仍是我国应用最为广泛、推广最为成功的清洁能源汽车。

2.2 天然气汽车发展的能源保障我国天然气探明储量远远低于伊朗、俄罗斯、卡塔尔、土库曼斯坦等“富气”国家。如果按单位国土面积来计算,我国单位面积天然气储量极低。但是,较石油而言,天然气来源较为丰富。

第一,中亚油气管道、中俄油气管道为我国天然气供给提供了保障。2014 年 5 月,在中俄两国元首的共同见证下,中国石油与俄罗斯天然气工业股份公司签署《中俄东线供气购销合同》,投资金额高达 4000 多亿美元,合同期 30 年。双方约定,从 2018 年起,俄罗斯将每年向中国输送380 亿 m3 天然气 [4]。2015 年我国原油对外依存度已达 60.6%,天然气对外依存度接近 32%。这种能源保障受到地缘政治、国际关系等问题的影响。

第二,我国天然气资源潜力大,截至2015 年底,我国常规天然气剩余可采储量5.2 万亿 m3 [5] ;煤层气剩余可采储量 3063 亿 m3 [5] ;页岩气剩余可采储量 1302 亿 m3 [5]。页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气,是连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的混合,可以游离态存在于天然裂缝和孔隙中。国产气已经形成常规、非常规多元化供气局面。2015年,我国国产气 1350 亿 m3 ,其中煤层气抽采量44 亿m3,页岩气产量 46 亿m3;进口气 614 亿 m3,其中管道气 356 亿 m3,LNG258 亿 m3 [5]。

第三,海域成为未来天然气主要增储上产区之一,我国东海和南海都有非常丰富的天然气资源。我国海域还拥有储量丰富的可燃冰。可燃冰学名天然气水合物,主要成分是甲烷,是一种白 色或浅灰色结晶,是一种自然存在的冰状笼型化合物,主要分布于海洋、少量分布于陆地冻土带。作为燃料能源,可燃冰清洁无污染,燃烧放热量大,1m3可燃冰相当于 164m3 天然气燃烧释放的热量 [6,7]。

2.3 天然气汽车发展的驱动力(1)能源消费结构的优化驱动能源消费没有最优结构,或者说不同的目标约束会产生不同的能源消费结构。在未来20 年内,石油、天然气和煤炭仍然为三大主要能源。在此背景下,五大常规能源消费量的合理排序为石油、天然气、煤、核能与水电。2016 年,我国一次能源消费量达 3053Mtoe,较 2015 年增加1.57%,除煤炭消费量下降外,其余能源消费量均有所增长;可再生能源消费量基数小,增加幅度高达 33.70%。按合理消费量排序,我国天然气、核能和可再生能源有较大的发展空间。

2015 年,我国人均天然气消费量约 140m3,天然气占一次能源消费总量的比重约为 5.9%,远低于世界平均水平的 23.7%。随着我国绿色低碳能源战略的持续推进,发展清洁低碳能源将成为优化能源结构的重要途径,未来较长一段时间天然气将在我国能源发展中扮演重要角色 [5]。(2)环境污染的控制驱动以内燃机为动力源的汽车在运行过程中会产生大量污染物排放,包括 HC、CO、NOx、颗粒物以及非常规的醇类、醛类、酸类、酮类等物质。与汽油相比,天然气燃烧比较完全,其CO 排放比汽油低 90%,HC 比汽油低 50% ,颗粒物比汽油低 40% ;天然气混合气热值低,燃烧温度较低,其 NOx 排放比汽油低 30%[1]。我国提出发展清洁能源汽车,天然气作为技术成熟、应用广泛的清洁代用燃料将在特定领域持续高速发展。(3)气候变化和碳排放的约束驱动化石燃料燃烧和毁林、土地利用变化等人类活动所排放的温室气体导致大气温室气体浓度大幅增加,温室效应增强,从而引起全球气候变暖。据美国橡树岭实验室研究报告显示,自 1750 年以来,全球累计排放了二氧化碳 1 万亿 t 以上,其中发达国家排放约占 80%[8]。气候变化导致灾害性气候事件频发,冰川和积雪融化加速,水资源分布失衡,生物多样性受到威胁,气候变化还引起海平面上升 [8]。甲烷 C/H 比低、含碳量低,相同工况下天然气汽车 CO2 排放较汽油车低 20%。

2.4 天然气汽车动力类型、特点及发展现状压缩天然气与管道天然气的组成成分相同,主要成分为甲烷(CH4)。CNG 可作为车辆燃料使用。CNG 可以用来制作 LNG ,这种以天然气( NG)为燃料的车辆叫做 NGV(Natural Gas Vehicle)。(1)天然气发动机天然气发动机指仅使用天然气作为发动机燃料而不再用其他燃料的发动机。根据车用天然气的理化特性进行设计和优化单燃料车用天然气发动机的结构,通过增强缸内紊流、提高压缩比、调整点火参数等措施,充分满足天然气的燃烧要求从而获得更好的动力性、经济性及排放性 [9-11]。一般来说,天然气自燃点比汽油高,仍然为点燃式发动机;天然气辛烷值高达 120,可以通过提高发动机压缩比来提高发动机热效率,天然气发动机压缩比设计范围为 10~12(多为 11.5);天然气火焰传播速度慢,需要增大点火提前角来获得较好的动力性与经济性。天然气发动机按其燃料供给系统可以分为缸内供气与缸外供气两种。天然气发动机的燃料供给与控制系统经历了混合器机械控制式、混合器机电控制式、电控单点喷射式、电控多点喷射式等阶段 [9-11]。燃料供给与控制系统不同,发动机的性能也有所不同,特别是排放性能差别较大。缸外供气主要包括减压- 混合器预混合供气、进气道喷射式(电控多点喷射式)。进气道喷射式可实现对每一缸的定时定量供气和实施混合气浓度调节及分层供气,通常称之为电控多点气体喷气系统 [12]。与缸外供气预混合方式相比,缸内供气的优势在于:可以减小气体燃料所导致的充量损失;避免扫气时的燃料损失;有利于抑制爆震,可采用较高压缩比;可以通过喷射正时、混合气浓度以及点火提前角等参数的协同优化,实现综合性能的控制 [13]。

刘亮欣等人开展了天然气高压缸内直喷发动机不同喷射时刻的燃烧特性研究:喷射太迟会导致天然气和空气混合时间短,混合效果差,燃烧持续期长,放热速率慢;喷射过早会导致充量系数下降,燃料容易进入燃烧室狭缝间隙处,造成较高的 HC 排放 [14]。特定转速下,缸内天然气直喷发动机存在一个最佳喷射提前角,使放热率最大,放热速率快,燃烧过程等容度好,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期短,发动机热效率高,HC、CO 排放也维持较低水平 [14]。郑建军等人在缸内直喷天然气发动机方面开展了压缩比为 8、10、12 和 14 的燃烧和排放特性研究:压缩比增加,发动机充量系数增加,燃烧速率加快,热效率提高;缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度和最大压力升高率等燃烧参数增加; HC 和 CO

[15]

排放降低; NOx 增加 。但是,压缩比过高会导致 HC排放的增加,使发动机在中高负荷出现轻微爆燃现象,NOx排放明显增加。综合考虑天然气发动机的动力性、经济性和排放性能,最佳压缩比设置在 12 比较合理 [15]。在天然气发动机生产方面,考虑到各地气源成分差别较大、甲烷含量差别较大,压缩比一般控制在 10.5~11.5 范围内。(2)天然气汽油两用燃料发动机天然气汽油两用燃料发动机是指拥有天然气和汽油两套燃料供给系统,使用汽油或者天然气的发动机,主要在点燃式发动机上应用。一般是在汽油机的基础上加装一套天然气供给系统,发动机工作时只能用一种燃料。目前天然气汽油两用燃料发动机气体燃料供给形式分为缸外供气和缸内供气两类。缸外供气形式主要包括进气道混合器预混合供气和缸外进气道喷射供气;缸内供气形式主要分为缸内高压喷射供气和低压喷射供气 [9-11]。

两用燃料发动机使用天然气时动力性降低主要由以下原因造成:第一,天然气的单位体积混合气热值比汽油低约 12%[16] ;第二,天然气本身是气态,缸外供气模式将会挤占部分空间,导致

[16,17]

空气量降低 ;第三,天然气为气态,不存在汽化吸热的现象(汽油),进气温度较高,导致充

[16,17] [16,17]气效率降低 ;第四,分子变更系数小 ;第五,天然气汽油两用燃料发动机一般在汽油机上改装,燃用天然气的发动机理想压缩比为12,汽油机的压缩比一般为6~8,两用燃料发动机在使用天然气时热效率没有明显提高。混合气热值低和分子变更系数小是由于燃料分子中的含氢比例较大,即由燃料本身分子组成和结构所决定 [17]。两用燃料发动机使用天然气时的 HC 和 CO 污染物排放量均低于使用汽油的排放量;如果切换到天然气燃料,点火提前角增加,燃烧温度增加,NOx排放量增加 [18-21]。

(3)天然气柴油双燃料发动机天然气柴油双燃料发动机是指拥有天然气和柴油两套燃料供给系统,柴油和天然气两种燃料一起混合燃烧的天然气发动机,一般在压燃式发动机上应用。两个系统以一定比例同时供给天然气和柴

油,天然气通过少量喷入的柴油压燃后引燃。双燃料天然气发动机气体燃料供气方式主要有两种,即缸内直接喷射和缸外供气。根据引燃柴油量的多少,双燃料天然气发动机还可分为常规双燃料天然气发动机和微引燃天然气发动机 [9-11]。

双燃料发动机燃烧着火方式分为压燃与引燃两个阶段。柴油被压燃后作为火源点燃天然气 空气的混合气。引燃柴油量较少,其焰前面临的是天然气 -空气的混合气,双燃料着火性能较纯柴油将发生一定程度的变化 [22]。苏万华等人提出了一种气口顺序喷射、柴油引燃式全电控双燃料发动机方案:利用高性能的电控单元(ECU),根据发动机的运行工况和操作要求,实时控制引燃柴油量、各缸天然气喷射量和喷射定时,实现过量空气系数的最优控制,达到良好的排放性、动力性和经济性 [23,24]。姚春德等人在一台光学发动机上,利用高速数字摄像和数据采集技术,研究了柴油引燃天然气双燃料发动机的着火、火焰传播、气缸内压力、压力升高率等的变化规律,双燃料的燃烧方式具有明显的多点着火型的预混燃烧特点;与采用纯柴油的燃烧方式相比,双燃料模式燃烧持续期短、产生的碳烟少,但爆发压力高、压力升高率大 [25]。开发天然气柴油双燃料发动机的关键是确定各工况下的最佳引燃柴油量。王立新研究了引燃柴油量对发动机排放等性能的影响,双燃料发动机在高负荷下具有较好的燃料经济性,但在低负荷时由于天然气与空气混合气过稀,天然气燃烧状况不良,CO、HC 排放较高,

[26]

燃料经济性较差 ;随着引燃柴油量的增加,当量燃油消耗、HC、CO 降低, NOx 增加;从低负荷向高负荷运行时,柴油替代率由怠速的 0% 增加到85%,引燃油量过小会导致发动机运行不稳定甚至熄火 [26]。因此,双燃料发动机需要依据燃料经济性,以及各污染物排放量等因素来对各工况下引燃柴油量进行标定,以达到综合性能最优的目标。

(4)天然气掺氢发动机天然气具有良好的抗爆性,但其燃烧速率低(0.37m/s )、稀燃时燃烧不够稳定,降低了 CNG

[27,28]

发动机的性能 。氢气的燃烧速率( 2.7m/s)极高、热效率高且稀燃能力强 [27,28]。随着掺氢比的增加,燃气消耗率呈降低趋势,发动机的经济性得到明显的改善 [27]。李从心等人对比研究了发动机燃用天然气( CNG )和天然气掺氢( HCNG) 燃料的动力性和排放性能,燃用天然气掺氢燃料能够加快燃烧速度,改善 CNG 发动机稀燃性能,降低发动机排温;与燃用CNG 相比,发动机燃用 HCNG 的 CO、CO2、HC 污染物排放量降低,

[28,29]

NOx 排放量增加 ;随着过量空气系数的增大,发动机 NOx排放大幅减少,得到较优的排放性能 [28]。CO 和 HC排放随着掺氢比的提高而下降;NOx排放在发动机高负荷运行时随着掺氢比的提高而增加,尤其是当掺氢比超过 20% 时更明显。掺氢比为 20% 时发动机的许多性能均达到最优 [29]。综合考虑发动机动力性和排放的影响,在增加氧化催化器后,发动机 NOx、CH4、CO 排放均减少,优于欧V排放水平;掺氢后可使发动机在更稀的情况下运行,通过修正点火提前角可以在较小地改变发动机动力性的前提下有效改善排放性能。增压稀燃和氧化型催化器相结合是天然气掺氢发动机节能减排的有效方案 [29]。王金华等人在缸内直喷天然气发动机上研究了点火时刻对天然气掺混 0%~18% 氢气的混合燃料发动机性能、燃烧和排放的影响,喷射结束时刻与点火时刻的间隔对燃烧过程影响很大,喷射结束时刻与点火时刻的间隔缩短时,混合气分层程度高,燃烧速率快,热效率高;最大放热率等燃烧特征参数随

[30]点火时刻的提前而增加 ;HC 排放随点火时刻的提前而下降,CO2 和 NOx排放随点火时刻的提前而增加; NOx排放的增加在大点火提前角下更明显 [30]。随着掺氢比的增加,燃烧速度加快,燃烧过程明显缩短 [31],放热更加集中,掺氢量大于10% 时可提高天然气发动机热效率 [30]。(5)液化天然气发动机

LNG是经超低温( -162 ℃)常压液化形成的液态天然气,其突出优点是能量密度大(约为CNG的

3倍),汽车续驶里程长(可达400km 以上) [32,33]。LNG 汽车与 CNG的主要区别在于气瓶装置和减压(汽化)装置两点。一般CNG汽车高压气瓶采用 3mm厚钢板制成,气瓶压力出厂检测是35MPa ,平时灌装CNG充填压力 20MPa ,运营车辆气瓶每年都要按35MPa 要求检测; LNG 钢瓶为双层真空结构,为了使钢瓶具有更好的保温性能,通常在内胆上缠绕保温材料;为了使钢瓶真空层长时间处于真空状态,通常增加吸附装置,用来吸附真空层中的残留空气 [34,35]。在车辆启动前,先将LNG钢瓶主安全阀门打开,液体通过气瓶自身压力释放到汽化器中,利用发动机冷却水来加热汽化器中的低温液体,因此, LNG

经过汽化器后吸收了发动机冷却液的热量,汽化为气态天然气,最后天然气与空气在混合器中混合 x34,35z。

2.5 天然气汽车应用领域在城镇燃气、天然气发电、工业燃料和交通运输四大应用领域中,城镇燃气需求量最大,也是要优先保障的领域。《中国天然气发展报告(2016)》指出,2015 年城镇燃气消费量 628 亿 m3,占比 32.5B ;稳步发展民用气,提升居民气化水平,城镇居民气化率 2020 年达到 50B~55B, 2030 年达 65B~T0Bx5z。保有量和销售量基数巨大的乘用车不可能以天然气为主要能源。尽管如此, 500 多万辆的天然气汽车是我国保有量最大的“新能源汽车”,天然气成为我国推广和应用最为成功的汽车代用燃料。结合天然气的特性和其使用特点,交通运输行业主管的营运车辆成为天然气最佳的推广应用领域。

iNG汽车续驶里程长(可达 400km 以上),适合公路运输中城际客运(长途)和货运;城市CNG 加气站建设完善,CNG 汽车续驶里程短,适用于市内公交和出租车。目前城市出租车一般均为天然气汽油两用燃料汽车,在用气高峰和加气难的情况下,可以使用汽油,但是两用燃料汽车多在汽油车基础上改装,或者说两用燃料发动机设计参数要“就低”匹配,比如说压缩比,汽油辛烷值远低于天然气,为保证切换至汽油模式时,发动机不会出现爆震,两用燃料发动机压缩比一般按汽油机压缩比设计,天然气高抗爆性且可以通过提高压缩比来提高热效率的优势不能得到发挥,节能效果受限。不同天然气汽车及动力类型在交通运输行业中的应用领域如表 1 所示。

3 发展趋势

3.1 大力发展 LNG 货运车辆(卡车)

以 iNG重卡百车公里的平均气耗 50m3 ,每车平均年行驶里程为10 万 km 计算,每辆 iNG 重卡年天然气消费量则为5 万 m3。目前,我国拥有约 21 万辆 iNG 重卡,每年天然气消费量达105 亿 m3,可替代柴油 T05.6 万 t,可以减少二氧化碳排放量 349.9 万 t,还可以减少 93B 的 PM2.5排放量。这对于改善我国能源消费结构意义重大。

实施交通燃料升级工程加快天然气车船发展。提高天然气在公共交通、货运物流车辆燃料中的比重。天然气汽车重点发展公交出租、长途重卡以及环卫、场区、港区、景点等作业和摆渡车辆等。在京津冀等大气污染防治重点地区加快推广重型天然气(iNG)汽车代替重型柴油车。

3.2 继续发展 CNG、气电(CNG)混合动力城市公交客车

新能源汽车在城市公交与城市配送车辆中发展较快,截止到 2016 年底,全国新能源公交车的总量已经超过了 16 万辆,新能源的城市物流配送车辆已经达到了 9.4 万辆。从长远来看,城市公交的发展趋势是使用新能源汽车(电动汽车),目前仍然是多元化构成,包含天然气车辆、iPG 车辆、传统燃油车辆、新能源车辆(纯电动、混合动力车辆等)。到 2020 年,实现气化车辆 1000 万辆;到2030 年,力争实现气化车辆 1400 万辆 x5z。因此,持续发展 CNG 公交客车、气电( CNG )混合动力客车是交通运输行业节能减排的必然选择,也是向纯电动公交方向过渡的最佳技术路径。

3.3 推动 CNG 单一燃料出租车的发展出租车辆的发展趋势也是使用新能源汽车(电动汽车),目前出租车辆仍然是多元化构成,包含天然气车辆、天然气汽油两用燃料车辆、iPG车辆、传统燃油车辆、新能源车辆(纯电动、混合动力车辆等)。新能源汽车在城市公交与城市配送车辆中发展较快,在出租车中发展缓慢,截止到2016 年底,新能源出租汽车为 1.8 万辆。新能源汽车在出租车应用领域发展缓慢是由其使用特性决定的,出租车的“24h 营运”特性与当前技术条件下电动汽车充电时间长相矛盾。推广纯电动出租车需要由政府主导,交通运输部门、运管部门、出租车公司等多方联合,完成管理体制改革和企业利益分配。

2014年全国出租车市场汽油车、乙醇汽油车、柴油车、液化石油气车、天然气汽车、天然气汽油两用燃料车、纯电动车分别为 505342辆、204321 辆、48902 辆、19123 辆、44886 辆、

x36z

540TT9 辆、3980 辆 。天然气汽油两用燃料车

和汽油车保有量分别为 540TT9 辆和 505342 辆,是出租车的构成主体。为了保证燃料切换为汽油时车辆的正常使用,两用燃料车仅仅发挥了天然气对汽油的替代作用,没有充分发挥天然气辛烷值高、许用压缩比高、可以提高热效率的优势。因此,在出租车中大力发展天然气汽车(单一天然气燃料)将是交通运输行业节能减排的重要方法和有效手段。

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