清洁能源催热燃气汽车大市场

湖北武汉市自力化工材料工程公司 朱则刚

清洁能源催热燃气汽车大市场

湖北武汉市自力化工材料工程公司 朱则刚

针对清洁能源燃气汽车的发展趋势，论述了燃气汽车的性能特点及经济效益，阐述了燃气汽车的结构原理，分析了CNG汽车的技术性能和改装要求，介绍了CNG汽车的调试使用和驾驶操作，并指出天然气重卡正逐步成为市场新的增长点。

燃气汽车 清洁能源 市场发展

近些年，机动车排放的污染物给大气环境造成的影响及危害愈来愈严重，且已成为造成破坏城市生态环境的一大公害。清洁能源燃气汽车具有污染少、振动小和寿命长等显著优点，因此，发展燃气汽车是降低尾气排放，缓解大气污染，节约能源和提高经济效益的重要途径。

1 清洁能源燃气汽车的发展趋势

汽车尾气的排放污染已成为我国大中城市的重要污染源而日益受到人们的关注。减少尾气排放污染也已成为治理城市大气污染的主要手段之一。

近年来，天然气汽车的飞速增长成为商用车市场上的最大亮点。随着国家对于天然气一系列支持政策的陆续出台，天然气汽车也正在或即将步入蓬勃发展时期。

天然气和LPG汽车尾气排放中不含铅和苯，硫含量极微、与汽油相比，HC减少 60%～70%，CO减少 80%～90%，NOx减少 30%～40%，CO2少20%～30%，噪声降低40%，大大减轻了对环境的污染；抗爆震性好，辛烷值达103～110，远高于汽油，有利于增大燃气压缩比，提高发动机的动力性能；使燃气在完全密闭的系统中运行，比汽油更安全；燃料以气态进人气缸，燃烧较充分，热效率高，积炭少，这使发动机的大修期延长 30%～40%，使润滑油更换周期延长50%，降低了维护费用和运行成本；比使用汽油便宜，具体经济指标视当地天然气或LPG供应价与汽油价格之差而定，可使汽车用户省 10%～15%的燃料费；此外，对于燃气供应商而言，汽车应用燃气等于新开拓了一个规模庞大的销售面。供一辆公共汽车的 LPG量相当于供 50～70户居民用气量，而且前者经营成本低、利润高。以天然气和液化石油气代替汽油作汽车动力燃料，在当今已是必然的趋势。

在人类征服自然的同时大自然也会向人类报复。如今人们已经深切地感觉到了这一“报复”。其中最严重的就是生态失衡，环境污染。人类为此已付出了成千上万的生命代价，“世纪警钟”终于敲响了：要保持经济持续发展，必须同时保护生态环境。于是人们立刻注意到汽车所造成的空气污染的严重性，它随着经济的发展，社会繁荣，车辆保有量剧增而越来越加剧。为减少和控制汽车尾气中有害物的排放，人们作出了极大的努力，在所有的技术方案中，“以气代油”这是社会经济持续发展的需要，也是既治“本”又治“标”；既有环保效益，又有经济效益的好办法。

汽油等石油产品作为传统的汽车动力燃料，面临着随石油资源危机而枯竭的威协。据报道，再有15年，全球石油产量开始资源性的下滑，全部石油资源只够用 40年。若不未雨绸缎，届时整个社会经济会坠入灾难性的困境。天然气储量丰实有待开发，可以预计，在相当一段时期内，天然气(其中也含有液化石油气组份)将是接替石油产品的主体能源。在目前已经是最现实的可以有足够数量供给社会需求的替代能源。

由于能源资源结构的不可逆转的变化，天然气作为洁净燃料又符合环保的要求，所以国际社会都将天然气在一次消费能源结构中所占的比例高低，视为一个国家的能源结构是否优化的标志。发达国家为 30%～40%，世界平均水平为 21%，而我国只有 2%左右。从这一差距，企业家和投资者将会发觉、他们正面临一个极好的发展机遇。

天然气汽车将会成为清洁能源汽车的主流。分布于东部沿海各个省市的天然气项目，储存了丰富的天然气资源，在这些地区发展液化天然气汽车，具备可以直接使用当地天然气资源的优势。而没有天然气资源的地区，则需要将气态天然气转化为液态，耗能多、工序复杂。在部分发达地区，特别是东部地区，已经有很多城市在公交领域推广了天然气汽车。已拥有4000多辆天然气汽车的北京公交集团还将向出租车、物流车领域推广天然气汽车。深圳市也将部分天然气环保公交车投放，未来深圳计划将2000辆柴油公交车替换为天然气公交车。私家车推广天然气难度较大，为此，很多城市计划先推出公交车，再逐步推向私家车。

报载在发展天然气汽车方面，深圳将在 2020年前建设天然气加气站98座，天然气汽车的推广，将部分削弱石油在深圳汽车市场上的主要能源地位。深圳的天然气替油总量约为190万t，2020年替油总量约为 336万 t。油品使用减少了，空气污染物排放也将随之减少，天然气汽车同燃油汽车相比，可综合降低废气污染物排放量82.2%，因此，深圳每年可减少CO2排放量48万～140万t。对于天然气汽车的发展，国家提出了一系列的优惠扶持政策，建议政府在未来实施。例如，对气站建设给予用地优惠；建立天然气汽车推广基金，用于技术攻关和试验；天然气汽车相关企业可享受部分贷款贴息；天然气汽车产业也一并享受高新技术开发、引进外资及重大项目优惠政策；对天然气汽车减半征收养路费等。

2 燃气汽车的性能特点及经济效益

2.1 燃气汽车

清洁能源燃气汽车主要有液化石油气汽车(简称LPG汽车或LPGV)和压缩天然气汽车(简称CNG汽车或 CNGV)。顾名思义，LPG汽车是以液化石油气为燃料，CNG汽车是以压缩天然气为燃料。天然气汽车的排放污染大大低于以汽油为燃料的汽车，因此，许多国家已将发展天然气汽车作为一种减轻大气污染的重要手段。

2.1.1 天然气汽车

天然气燃点和爆炸极限比汽油高，那么相同温度下不易发生失火和爆炸事故。天然气密度远远小于空气，发生泄漏易扩散，不易积聚着火。天然气气瓶生产经过特批和各种安全测试。气瓶温度或压力超过标准(100℃或26 MPa)自动卸压，确保安全。

天然气比汽油的燃点高，火焰传播速度慢(汽油39～47 cm/s，天然气33.8 cm/s)，辛烷值高、抗爆性能好。为了改善发动机性能，提高热功转换效率，提高点火能量，提前点火角度，提高压缩比。由于天然气以气态形式进入气缸占了空气一部分空间，使空气进气量少，故充气效率比汽油低，因此，动力性和加速性比汽油差一些。

天然气主要成分是甲烷(90%以上)，天然气是一种高燃点(650 ℃)、低密度气体(空气的55%)，为了增加密度，多充装一些天然气，延长行驶里程，可通过压缩充装储存在钢瓶内。车用钢瓶最高充装压力为 20 MPa。为了使汽车发动机能正常燃用天然气，在汽车上安装一套压缩天然气的燃料供给系统装置，通过三级减压，把20 MPa的高压天然气降至常压(0.3～0.6 kPa)与空气混合形成可燃混合气供发动机燃用。

天然气汽车有显著的经济效益。目前天然气的价格比汽油和柴油低得多，燃料费用一般节省50%左右，使营运成本大幅降低。由于油气差价的存在，改车费用可在1年之内收回。发动机使用天然气做燃料，运行平稳、噪音低、不积炭，能延长发动机使用寿命，不需经常更换机油和火花塞，可节约50%以上的维修费用。

天然气汽车比汽油汽车更安全。首先与汽油相比，压缩天然气本身就是比较安全的燃料：

(1)燃点高。天然气燃点在650 ℃以上，比汽油燃点(427 ℃)高出223 ℃，与汽油相比不易点燃。

(2)密度低。与空气的相对密度为0.55，泄漏气体很快在空气中散发，很难形成遇火燃烧的浓度。

(3)辛烷值高，可达130，比目前最好的96号汽车辛烷值高得多，抗爆性能好。

(4)爆炸极限窄，仅5%～15%，在自然环境下，形成这一条件十分困难。

(5)释放过程是一个吸热过程。当压缩天然气从容器或管路中泄出时，泄孔周围会迅速形成一个低温区，使天然气燃烧困难。

(6)压缩天然气汽车所用的配件比汽油车要求更高。表现在：国家颁布有严格的天然气汽车技术标准。从加气站设计、储气瓶生产、改车部件制造到安装调试等，每个环节都形成了严格的技术标准；设计上考虑了严密的安全保障措施。对高压系统使用的零部件，安全系数均选用1.5～4以上，在减压调节器、储气瓶上安装有安全阀，控制系统中，安装有紧急断气装置。

(7)储气瓶出厂前要进行特殊检验。气瓶经常规检验后，还需充气作火烧、爆炸、坠落和枪击等试验，合格后，方能出厂使用。中外发展天然气 60年来，从未出现过因天然气爆炸、燃烧而导致车毁人亡的事实证明，压缩天然气汽车是十分安全可靠的。CNG汽车的动力性略有降低：燃用天然气时，动力性略下降5%～15%。

2.1.2 液化石油气汽车

液化石油气汽车在改善整车排放性能的同时，燃烧的积炭较少，使发动机的磨损减少，延长车辆的使用寿命。而由于液化石油气的价格又大大低于汽油，因此使用液化气的经济性也十分可观。富康是国内最早采用双燃料技术的轿车品牌，该项技术不仅具有良好的环保与经济性，而且还以高度的可靠性赢得了消费者的信赖。

2.2 应用甲醇的重型车

重型车是我国陆路运输主力，自身排量大，一辆车使用的燃料量是出租车的 5～10倍，是家用车的40～50倍，可缓解我国甲醇的产能过剩，因此，推进在重型车上应用甲醇的意义极大。

现有重型车多为柴油车，急加速时冒烟产生的烟度排放是构成大气污染物颗粒物的重要组成部分。甲醇掺烧则可以大幅度减少碳烟。另外，甲醇的汽化潜热高，燃烧时可以大幅度降低氮氧化物排放。目前的技术表明，柴油掺烧甲醇可以不使用尿素辅助达到国五排放标准要求。其次，使物流运输更加合理化。我国很多富产甲醇的地区，往往缺少柴油，如陕西榆林、贵州省等地。这些地区的柴油从外部运进，然后又消耗柴油将甲醇运出。如果重型车改用甲醇燃料，则可减少这些无谓运力，既减少费用，又节约了资源，有利于保障我国的能源安全，消化甲醇富余产能。目前，我国甲醇产能、产量都稳居全球首位，甲醇富余产能超过2 000万t。如果重型车应用甲醇，以主流运输车辆10 L发动机为例，该车油耗为一般为40 L/100 km，1年平均行驶里程15万km，消耗柴油6万L。如甲醇掺烧替代30%柴油，则按2 L甲醇替换1 L柴油计，需要4万L甲醇。全国此类车保有量有数百万辆，假使100万辆使用甲醇，就有3 100万t甲醇需要被消耗。这样甲醇剩余产能不仅全部被消化，也为我国能源安全做出贡献。

3 CNG汽车

3.1 CNG汽车的结构原理

CNG汽车采用定型汽油车改装，在保留原车供油系统的情况下，增加一套“CNG型车用压缩天然气装置”。改装部分由以下三个系统组成。

天然气系统。主要由充气阀、高压截止阀、天然气钢瓶、高压管线、高压接头、压力表、压力传感器及气量显示器等组成。清洁能源汽车发动机燃气管线见图1。

图1 清洁能源汽车发动机燃气管线

天然气供给系统。主要由天然气高压电磁阀、三级组合式减压阀、混合器等组成。

油气燃料转换系统。主要由三位油气转换开关、点火时间转换器、汽油电磁阀等组成。

天然气钢瓶的瓶口处安装有易熔塞和爆破片两种保安装置，当气瓶温度超过 100℃或压力超过26 MPa时，保安装置会自动破裂卸压；减压阀上设有安全阀；气瓶及高压管线安装时，均有防震胶垫，卡固牢固，因此，该系统在使用中是安全可靠。

CNG汽车以天然气作燃料时，天然气经三级减压后，通过混合器与空气混合进入气缸，压缩天然气由额定进气压力20 MPa减为负压，其真空度为49～69 kPa。减压阀与混合器配合可满足发动机不同工况下混合气的浓度要求。

减压阀总成设有怠速电磁阀，用以供给发动机怠速用气；压缩天然气减压过程中要膨胀做功对外吸热，因此在减压阀上还设有利用发动机循环水的加温装置；为提高该车的操作性能，驾驶室设置有油气燃料转换开关，用来统一控制油气电磁阀及点火时间转换器；点火时间转换器由电路系统自动转换两种燃料的不同点火提前角；仪表板上气量显示器的5只红绿灯显示气瓶的储气量；燃料转换开关上还设有供发动机起动的供气按钮。

CNG汽车的工作原理。该系统分天然气气路、汽油油路和控制电路三大部分。

充气站将压缩天然气,通过充气阀充入贮气瓶至20 MPa。当使用天然气作燃料时，手动截止阀打开(见图 2)。

图2 天然气手动截止阀

安装在驾驶室内的油气燃料转换电开关，扳到“气”的位置，此时天然气电磁阀打开，汽油电磁阀关闭，贮气瓶内的20 MPa高压天然气通过高压管路进入减压调节器减压，再通过低压管路、动力阀进入混合器，并与经空气滤清器进入的空气混合，经化油器通道进入发动机气缸燃烧。减压调节器与混合器相匹配，根据发动机的各种不同工况产生不同的真空度，自动调节减压调节器的供气量，并使天然气与空气均匀混合，满足发动机不同工况的使用要求。动力阀是一个调节天然气管道截面积的装置，可调节混合气的空燃比，使空燃比达到最佳状态。

油路中安装一个汽油电磁阀，其余部件均保留不变。当使用汽油作燃料时，司机将油气燃料转换开关扳到“油”的位置，此时天然气电磁阀关闭，汽油电磁阀打开，汽油通过汽油电磁阀进入化油器、并吸入气缸燃烧。燃料转换开关有三个位置，当拨到中位时，油、气电磁阀均关闭，该功能是专门用来由汽油转换到天然气时，烧完化油器室里残存汽油而设置的，以免发生油气混烧现象。

3.2 CNG汽车的技术性能和改装要求

使用天然气燃料，车辆主要技术性能如下：发动机额定功率不低于原车的85%；发动机最大扭矩不低于原车的 90%；汽车最高车速不低于原车的90%；汽车加速性能不低于原车的85%；直接档最低稳定车速不高于原车的 5%；天然气额定充气压力20 MPa；1m3天然气可代替汽油0.8 kg以上；一次充天然气行驶里程：客车、货车不低于180 km，轿车、微车不低于200 km；汽车污染物排放：CO含量≤1.5%，HC含量≤1 000×10-6。

为了确保CNG汽车的安全和改装质量，国家对 CNG汽车的改装制定了严格的管理规定。定型在用汽车改装成CNG汽车，必须在经过认证的指定改装厂进行改装。车辆改装手续办理方法：车辆改装前，应由车主向当地机动车辆管理部门提出申请，经车辆管理部门认可，填写车辆改装申请表，方可到指定的CNG汽车改装企业进行改装。车辆改装完毕后，应持改车单位发给的车辆改装合格证，连同改装申请表一起到车辆管理部门办理机动车辆异动手续。CNG汽车驾驶员应经市车管所培训，并取得合格证，在车辆管理部门注册后，方能驾驶天然气汽车。

(下期待续)