LNG汽车技术发展及其推广应用前景

温永刚 陈运文 樊栓狮 安成名 徐文东

（1．深圳市燃气集团股份有限公司 2．华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室）

随着世界能源危机和环境污染问题的日益突出，汽车工业面临着严峻的挑战。一方面，石油资源短缺，逐年激增的汽车保有量加剧了能源稀缺的矛盾；另一方面，汽车的大量使用则加剧了环境污染，加速推广和发展以天然气汽车为代表的新能源汽车势在必行。当前已经投入应用的天然气汽车按照天然气使用形态的不同，可分为压缩天然气（Compressed Natural Gas，简称CNG）汽车与液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称 LNG）汽车。相比CNG汽 车［1］，LNG 汽 车 所 具 有 的 优 势 主 要 包括［2－3］：储能密度大，车辆续驶里程长、燃料加注时间短、车用瓶布置简单；存储压力低，更安全；甲烷含量高，更纯净，燃烧更清洁；温度更低，发动机充气效率更高，冷能可循环利用；加气站投入少，运营成本低。

目前以LNG为燃料的汽车一般分三种形式：一种是完全以LNG为燃料的纯LNG汽车，一种是LNG与柴油混合使用的双燃料LNG汽车，一种是LNG与汽油替换使用的两用燃料汽车［4］。这几种LNG汽车的燃气系统基本相同，都是将LNG储存在低温绝热的车用LNG储罐内，通过汽化装置将其汽化为0．15MPa左右的气体供给发动机，其主要构成包括LNG储罐、汽化器、减压调压阀、混合器和控制系统等［5］。

作为一种清洁、高效的能源，LNG密度为标准状态下甲烷的600多倍，体积能量密度为汽油的72%，具有热值大、性能高等特点，因此很多国家都将LNG列为首选燃料。大力推广并实现LNG汽车的应用对于改善能源消费结构，降低环境污染都具有重要的作用和意义。

1 LNG汽车国内外技术现状

将燃气作为汽车燃料在发达国家已相当普遍，是先进国家落实环保能源政策的重要措施之一。目前世界上已有一百多万辆汽车使用天然气，根据国际天然气汽车协会（IANGV）预测，到2020年，若天然气汽车的年增长率能保持在相对保守的18%左右，届时天然气汽车的保有量将达到6 500万辆，约为世界汽车保有量的近9%。

当前，随着人们对石油危机和环境污染的日益关注，天然气汽车面临着新的开发环境，并研发出更先进的闭环电子控制系统、单点与多点电喷系统、高压直喷技术、稀燃技术等，使车用天然气发动机的动力性、经济性和排放性都有极大的改善，天然气发动机在技术上的不断完善更有利于其未来的发展［6－8］。

美国在LNG汽车的推广和技术应用方面始终处于领先地位，拥有全球半数以上的LNG加气站和LNG汽车。近十几年来，美国在开发LNG汽车方面取得快速的进展，各大汽车公司如福特、卡特彼勒、康明斯等公司都已经生产出LNG发动机，并且其尾气排放量非常低。美国的MVE公司是目前世界上生产制造LNG设备主要的厂家之一，生产的设备主要包括车用LNG气瓶、LNG加气站、LNG自动加气机及大型LNG储存罐等。此外，日本的铃木、尼桑等多家汽车公司也已成功开发出了电控多点喷射式的LNG发动机，主要面向客车使用。

相对于国外，我国针对LNG汽车的研究起步较晚。1999年，我国启动了“空气净化工程清洁汽车行动”，由国家13个部委成立了全国清洁汽车行动协调领导小组，并启动了北京、上海、重庆、四川等12个示范城市和地区，2005年扩展至19个城市和地区。2006年，国家再次启动“节能与新能源汽车”高科技计划，继续强力推进天然气汽车发展的进程。中国的天然气汽车由此进入了快速发展期［9］。近些年来，许多国内汽车企业都将目光投向LNG汽车的开发及相关技术的研究上，并取得了较好的成果，LNG汽车技术不断进步，整车已实现商品化。以上柴、玉柴、淮柴等发动机厂家为代表的LNG发动机的研发；以宇通、黄海、恒通客车厂家为代表的大型客车的研发；以陕重、东风重卡厂家为代表的重型卡车的研发，目前已全部商品化并投入运营。整车性能不断提高。以贵阳公交为代表的国内企业，不断探索研发柴油车改燃LNG。目前，国内有60余家企业生产整车，360余个车型获得新产品公告（含底盘），发动机功率覆盖40～250kW；OEM原产车超过6万辆／年［10］。华晨汽车工程研究院通过在传统车基础上的改造，自主研究开发了LNG汽车车型，在LNG汽车电控系统设计、整车结构布局及车载燃料系统设计等方面开展了样车试制和试验验证［11］。我国的LNG汽车产业从改装、引进到自主研发，正在逐步缩小与国际水平的差距。

目前，我国有近百座城市正在进行天然气汽车的推广，为我国未来LNG汽车的发展和全面推广应用奠定了良好的基础［12］。四川、重庆、新疆等地正在组织开展天然气汽车城际间和区域化示范。新疆、贵阳、湛江、海南等地LNG汽车的示范应用也已取得阶段性成果。仅示范城市每年的燃油替代量就已超过300×104t，不到汽车总保有量1%的天然气汽车实现了超过3%的燃油替代效果，每年节约燃料费近百亿元。

截至2011年年底，我国共有天然气汽车（CNG和LNG）148万辆以上，据潍柴动力股份有限公司的数据显示，截至2012年4月23日，其累计销售LNG发动机30 000台，而其2012年的销售目标则为20 000台。安迅思息旺能源分析师估计，按此计算，目前中国LNG汽车在40 000辆以上，至2012年底则有望突破70 000辆，增速迅猛［13］。

此外，据相关统计数据，我国目前已拥有LNG固定式加气站200多座，撬装式加气站预计超过300座。现有LNG固定式加气站多分布在沿海、西北及新疆等地，其中新疆区域数量最大，预计2012年我国的LNG固定式加气站总数将增至380座。LNG加气站数量的不断增多无疑为LNG汽车的推广和应用提供了广阔的市场。

2 LNG汽车经济性分析

LNG作为汽车燃料，具有能量密度大、运输方便、燃烧更加洁净、安全性好、建设投资少、运行成本低等优点。相比之下，CNG汽车受到的制约因素较多，主要包括：车用高压钢瓶自重大，燃料能量密度低，连续行驶里程短；同时CNG加气站建站投资大，占地广，加气站不能脱离天然气管网建设，难以网络化布点。和CNG汽车加以比较，LNG汽车的经济性主要体现在两个方面：一是汽车本身在燃料方面和性能方面的经济性，另一方面包括加气站建设的经济性。

2．1 燃料经济性分析

LNG的热值是柴油的1．23倍，价格却只有柴油的1／2，其爆炸极限和着火点均比汽油和柴油高，具有较高的辛烷值和抗爆性，作为燃料使用具有良好的安全性［14］。LNG车辆燃料的经济性取决于两个方面：第一，天然气与柴油的价格差；第二，LNG车辆与同功率的柴油车辆百公里燃料消耗量。表1就两方面数据进行了对比分析［15］。

表1 LNG公交车和0＃柴油公交车经济性比较Table 1 Economy comparison between LNG bus and 0＃ diesel bus

由表1可以看出，将LNG作为汽车燃料，燃料成本下降15%～20%，维修保养成本节约10%。

2．2 加气站经济性分析

在加气站建设方面，LNG加气站较CNG加气站成本显著降低，以10 000m3／d天然气加气站建设及运行成本为例进行估算，其中CNG加气站建设成本和运行费用成本分别为461．3万元和78．2万元，而LNG加气站建设成本和运行费用分别为136万元和25．3万元，仅仅为CNG加气站建设成本和运行费用的29%和32%，各项费用节省2／3以上。比较情况如表2所示［16］。

表2 10 000 m3／d天然气加气站建设及运行成本估算表Table 2 Cost estimation for construction and operation of 10 000 m3／d natural gas station

此外，LNG充装平均速度为100～180L／min，是CNG充装速度的3倍，可以大大提高充装效率，有效减少充装等待时间。综合而言，LNG汽车具有安全性好、经济效益显著、性能优越、环保效益显著等优点［17］，值得大力推广。

3 LNG汽车推广应用及发展建议

3．1 加快LNG汽车关键技术研发

LNG汽车涉及到多项关键技术，如燃料供给技术、燃料储存技术、燃料加注技术、燃气发动机技术等，其中发动机技术为LNG汽车的核心技术之一，其关键技术研发包括电子控制技术、空燃比控制技术、优化燃烧技术及先进的后处理技术等。此外，由于欧IV排放法规，不仅要求限制天然气发动机非甲烷碳氢（NMHC）的排放，而且还要求控制总碳氢排放（THC）。先进的氧化型后处理技术如何成功地运用于气体发动机也是关键的技术之一，具有很高的研究价值。

3．2 重视LNG加气站基础设施建设

影响LNG汽车推广和发展的一个重要因素是加气站的建设，加气站规划和建设也是天然气汽车产业发展最重要的环节和瓶颈问题之一，亟需加强LNG加气站建设，改善供气能力，加快LNG加气站基础设施建设。天然气汽车的发展要有计划有步骤地作好发展规划，逐步实施。各大城市，特别是有条件建设的城市应将天然气汽车加气站的建设列入城市的发展规划中，并尽早投入经费建立天然气的供气系统。

3．3 加强政府引导和政策支持

政府的经济政策是影响燃气汽车发展的另一个最重要因素。在LNG汽车产业发展中，坚持“政府引导、技术先行、应用示范、产业发展”的思路，对于带动天然气汽车的推广应用、技术进步及产业发展将会产生良好的促进作用。我国政府应结合实际情况，积极发挥引导、支撑和排障的作用，如在法律方面予以保障，在燃气汽车生产、改装、零部件生产、加气站建设、燃气汽车购买和使用等环节给予税收、资金等方面的优惠政策。

3．4 完善标准化编制工作

建立和健全标准规范体系是天然气汽车行业安全、健康发展的有力保障。2011年新颁布了两项标准包括国家标准GB／T 26980－2011《液化天然气（LNG）车辆燃料加注系统规范》和由国家能源局牵头制订的NB／T 1001－2011《液化天然气（LNG）汽车加气站技术规范》，上述两项标准的颁布和实施，在一定程度上大大推进了国内LNG燃料汽车的发展，加快了国内配套LNG加气站的建设速度。

4 结 语

基于与燃油汽车及加气站建设等方面的经济比较分析，可以看出在我国推广LNG汽车具有良好的可行性和经济性，是改善我国当前能源结构、解决能源危机和汽车排放污染的最佳路径。天然气作为汽车燃料的优势将会在未来十年内被大力开发和利用，LNG汽车替代CNG汽车和LPG汽车是未来天然气汽车发展的必然趋势。我国LNG汽车产业发展应在关键技术攻关的基础上，加强LNG基础设施建设，在政府支持和引导下，完善LNG汽车体系中各项技术标准的编制工作并颁布执行，以推动我国液化天然气汽车事业的快速发展。

［1］张沛．CNG汽车是天然气利用的重要发展途径［J］．石油与天然气化工，2008，37（1）：23－26．

［2］王强，历彦忠，张哲，等．LNG在汽车工业中的发展优势［J］．天然气工业，2002，22（5）：93－96．

［3］白哲楠．我国LPG和LNG发展前景分析［J］．石油与天然气化工，2005，34（1）：77－80．

［4］张晓萌，李武．我国液化天然气汽车发展前景的探讨［J］．汽车工业研究，2009（9）：23－25．

［5］王宇．BL20L液化天然气（LNG）发动机的开发［D］．吉林：吉林大学，2011．

［6］林在犁，杨学杰．世界能源状况及车用天然气发动机技术发展［J］．柴油机，2005，27（4）：4－8．

［7］李西秦，刘冰．国内外燃气汽车发动机研究动向［J］．车用发动机，2008，176：8－11．

［8］邹博文，李开国，李静波，等．LNG缸内直喷发动机的开发［J］．车用发动机，2011，194（3）：37－40．

［9］李广，周淑慧．我国天然气汽车的发展现状与方向［J］．国际石油经济，2008，16（7）：69－74．

［10］孔祥龙．LNG汽车发展现状与前景研究［J］．价值工程，2011，30（23）：24－25．

［11］娄锋，乔昌盛，张玉龙．LNG乘用车关键技术研究［C］／／2011中国汽车工程学会年会论文集．北京：机械工业出版社，2011：615－618．

［12］何太碧，黄海波，林秀兰，等．中国LNG汽车及加气站技术应用分析及推广建议［J］．天然气工业，2010，30（9）：82－86．

［13］陈雄．LNG加气站发展前景探讨［C］／／第三届中国LNG论坛暨海峡两岸技术研讨会，广州，8．22～8．24，2012．

［14］华贲，熊标．加速开发中国LNG汽车产业链［J］．中外能源，2007，12（1）：12－15．

［15］王霞，朱宪良．浅谈清洁燃料LNG替代传统汽车燃料柴油的优越性［J］．资源节约与环保，2011（6）：59－60．

［16］贾潞安，赵海明．LNG是机动车辆气代油的最佳选择［J］．山西能源与节能，2009（2）：27－30．

［17］李西秦，刘冰，黎苏．CNG／LNG和LPG汽车动力性研究状况［J］．小型内燃机与摩托车，2009，38（3）：54－57．