城市天然气公交车辆动力匹配技术研究

王 单

昆明华润车用燃气有限公司，云南昆明 650222

1 天然气城市公交车辆发展现状分析

目前，中国已经成为世界上最大的汽车消费市场，一方面源于我国经济实力的不断增长，另一方面则源于社会生产、生活形态的变化，在城市化发展背景下，汽车逐渐走入了个体家庭，成为重要的交通代步工具。但是，除此之外还有一个不容忽视的事实是，随着我国汽车数量的不断增加，石化燃料消耗所造成的生态环境破坏也越来越严重，较为典型的如城市空间的雾霾等有害气体等。不仅如此，以传统石化能源为基础发展汽车工业，对于我国有着很大的不利条件，这与我国能源结构现状有密切关系——煤炭多、石油少、天然气丰富，在这种背景下，积极研究天然气为燃料的汽车产品具有重要的现实意义。

结合现状分析，国外以天然气为燃料发展汽车工业的时间较早，20世纪20年代就已经出现，并将其应用在解决燃油短缺策略中。1986年国际天然气汽车协会（IANGV）成立，掀起了探索天然气为燃料的汽车研究高潮。

相对而言，我国天然气汽车研究起步较晚、时间较短，但发展速度很快，从20世纪80年代开始，国内各大城市都开始了推广天然气汽车的尝试工作，城市交通系统是重点参与对象；究其原因，主要是推广天然气为燃料的汽车动力系统存在障碍，发展初期天然气燃料补充系统（加气站）不完善，数量少且分布均衡，社会车辆难以保障供给，相应的公交车运营路线固定，可以在公交车站及沿途中心点设置加气站。也因为这种技术不完善性，很长一段时间内公交车辆同时具有燃油和天然气两种动力系统。

近年来，随着城市公交系统的交通重要性越来越突出，以及节能、排放法律法规越来越严格，促使城市公交车辆全面转向新能源（其中就包含天然气车辆）领域。这样不仅可以减少生态环境的负面影响，同时也可以极大地缩减公交运营成本。研究表明，汽车动力传动系统的匹配性，直接影响公交车辆动力性、经济性的平衡。其研究方式，可以通过虚拟实验技术模拟汽车运行状态下的累计油耗、瞬间油耗、行驶距离、行驶时间、传动比、空气阻力系数等，为天然气城市公交车辆动力匹配提供科学依据。我国目前也开始了相应的软件系统研究，如一汽集团开发的“汽车动力性经济型模拟计算机软件（EP）”。

2 天然气为车辆燃料应用的技术要求与分析

2.1 车用天然气标准

天然气作为燃料应用的主要有效成分为烷烃，甲烷所占比例最高，此外包括一乙烷、丙烷、丁烷等有效成分。但除了有效成分之外，天然气本质上是一种复杂的混合物质，包括了气态、液态、固态等多种混合形式，仅气体中的非有效成分就多达几十种，如二氧化碳、氮气、H2S、氦气等；从化学属性上说，经过脱硫处理的天然气（标准状况下）对大气环境的影响很小，主要排出物为二氧化碳和水，并且与煤炭相比所产生的二氧化碳量不足40%，不会产生废渣、废水等，安全高效、绿色环保。从物理属性上说，常温状态下天然气压缩之后不能被液态，密度为0.7174kg/Nm3，相对密度（水）为0.45（液化）燃点（℃）为650，爆炸极限（V%）为5～15。

天然气分为压缩天然气和液化天然气两种，对比而言，压缩天然气的成本较低，常温下生产压力为0.3MPa，运输与使用中的压缩天然气（CNG）压力介于10～25MPa之间，是天然气加压并以气态储存在容器中。液化天然气（LNG）是天然气经压缩、冷却至其沸点（-161.5℃）温度后变成液体储存在容器中。

车用天然气存在一定的标准要求，其标准中，较为重要的三个分别是硫化氢、水分和杂质。硫化氢是一种腐蚀成分，它在天然气中的成分过高，容易导致“氢脆现象”，并且含量过高所产生的尾气也会严重污染大气。水分决定了天然气的动力效率，因此无论何种用途的天然气产品，事先都要进行脱水处理，车用天然气脱水处理后要达到0.1×10-6的水分体积分数含量标准；当然，以此标准为基础，含水量越低越好。“杂质”包括的范围较广，天然气被开采过程中会混入一些碎渣，必须进行清除以防止进入汽车系统内部。

2.2 天然气在城市公交车辆应用的优势

一方面，低排放率的优势。天然气被列为“清洁能源”，其排气污染要远比燃油汽车低。主要的污染气体指标中，一氧化碳对比可降低90%，碳氢化合物减少70%，这对于改善城市大气环境有重要的意义。

另一方面，高安全性的优势。天然气存储于密闭度较高的容器内，相对于燃油油箱的“敞开式”结构更为安全。同时，天然气的燃点是645℃，比汽油燃点高218℃。相比而言，天然气的安全性比汽油要高，高压储存的天然气在运输或使用过程中，一旦泄漏，天然气会从周围环境中吸收大量的热，甚至会产生结冰现象，从而降低了燃烧爆炸的几率。

此外，使用天然气作为车辆燃料更为经济。目前，国内汽油价格波动较大，价格稳中上升，增加了车辆的运营成本；而天然气的储量高、价格低、使用方便，在成本上要低于汽油机或柴油机费用的45%左右。当前世界范围内石油价格不断飙升，并呈现日渐匮竭的态势，这导致燃油价格不断上升，并最终会被新能源取代，因此积极研究天然气车辆燃料应用具有长远性优势。

3 天然气公交车辆动力传动系统匹配研究

3.1 案例工况

结合案例分析，针对某城市所使用的公交车辆运行工况展开分析，呈现出规律为：先加速、后匀速、再减速，按照这一过程展开循环。基于6115-3型号柴油公交车，公交车站距离约为1～1.5km，采用K市典型公路线路况展开对比研究，采用ECE城市循环标准，整个案例循环过程800s，行驶距离3.951km最高车速达到50.2km/h，平均速度为25.4km/h，其中怠速时间占据240s，约为全部实验时间的30%。

3.2 实验匹配

采用6115Q液化天然气公交车为对比试验车型，发动机型号WP7NG240E40、变速器型号HC6S-120X2、驱动桥型号420-5.286，该车型的发动机的万有特性曲线，表明运行中将天然气发动机的燃料消耗率换算为正常运行中柴油的消耗率，以此为依据计算，所得到的数据可视为每百公里柴油的用量。

同样采用ECE城市循环标准，燃料消耗统计为7.28L/l00km，辆原地起步连续换档加速到50km/h车速的时间为15.8s，直接档由30km/h车速加速到60km/h车速的时间为25.0s，以上数据符合液化天然气公交车辆制造企业的技术标准。

3.3 计算结果与分析

结合柴油、天然气两种城市公交车辆的数据对比，原地起步连续换档加速达到50km/h车速的时间为15.5s，直接档从30km/h车速加速达到60km/h，所消耗的时间为24s，明显柴油动力优于天然气动力。但对比接近公交车行驶工况的ECE城市循环的燃料消耗量，液化天然气为37.28L/100km，原型柴油车为31.96L/100km，天然气车比原型柴油车高5.32%，这是一笔很大的成本消耗，因此在未进行动力传动匹配之前，液化天然气的优势并不突出。

分析可知，以天然气为燃料的公交车运行中，动力匹配合理性与柴油为燃料的情况存能耗大的特征，这一点并不符合天然气“高效性”特征，应将此作为分析、研究和解决的重点方向。对比之下，两种燃料的公交车动力匹配差异主要存在于发动机测光面，其中天然气采用的是点燃式发动机，而柴油发动机采用的是压燃点火，在发动机运行上，天然气发动机采取的是奥托循环，相对于柴油发动机的狄塞尔，表现出较低的指示效率，这是形成能耗过高的主要原因。同时，结合实际应用，公交车在市区运行的环境中，起步、停车十分频繁，能够保持平均车速的时间不多，怠速时间较长。

基于以上，发动机差异与公交车动力匹配不变的共同作用下，以天然气为燃料的公交车在能耗上略显劣势，因此需要调整车辆动力总成技术参数，使其更符合城市交通运行的需要。

3.4 优化策略

天然气公交车辆在未来城市空间发展趋势明显，基于公交车辆运行环境的特征，能耗降低的主要方向是实现动力总成参数的最优化，可从两个方面入手：（1）降低后桥主减速比；（2）改变变数器数比。结果表明，液化天然气车辆原地起步连续换档加速到50km/h车速的时间为15.8s，直接档由30km/h车速加速到60km/h车速的时间为24.5s，优化效果较为明显。

4 结语

总体而言，天然气作为一种高效清洁的能源，在城市公交车辆运行层面具有重要的发掘价值；并且节能降耗，保护大气环境，走资源节约型的发展道路是我国当前必然的战略选择。而城市清洁能源公交车辆的推广应用，是发展清洁交通、推进绿色出行的重要举措。

[1] 崔祥民，杨东涛，刘彩生.绿色创业政府扶持体系研究——基于光伏、节能照明、新能源汽车的案例研究[J].科技管理研究，2016，36（12）：40-44.

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