天然气汽车 1--天然气概述

• 面对不断增长的汽车数量，内燃机节能和 不断降低排放成为永恒的任务。在这种情 况下替代燃料受到了世界范围内的广泛重 视，特别是天然气以其长期可获得性和均 匀的地域分布优势而成为最有前途的车用 代用燃料，天然气发动机得以深入研究和 发展。
天然气发动机的发展状况
• 基于天然气的丰富储量和良好的排放特性，世界 很多国家和地区在发展天然气汽车（CNGV）方 面投入了巨大的精力，进行了大量的研究开发工 作，并已具备了较为成熟的技术。 • 南美制定了“蓝色走廊”（Blue Corridors）计划， 在巴西的圣保罗，阿根廷的布宜诺斯艾里斯，乌 拉圭的蒙得维的亚，智利的圣地亚哥之间建立 “蓝色走廊”，协调天然气运输、供应及进出口 问题，协调发展天然气汽车，尤其是公交和公路 运输车辆燃气化的问题，并在税收上给予优惠。 到目前为止，南美是CNGV保有量最大的地区， CNGV保有量近300万辆。
• （4）传感器向智能型发展。由于电子控制系统的复杂多 样化，使其所需要的传感器种类和数量不断增加。为此， 研究新型、高精度、高可靠性和低成本的传感器是十分必 要的。未来的智能化集成传感器，不仅要能提供用于模拟 和处理的信号，而且还能对信号作放大和处理。同时，它 还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正，具有较强的 抵抗外部电磁干扰的能力，以保证传感器信号的质量不受 影响。即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度。 它还具有结构紧凑、安装方便的优点，从而免受机械特性 的影响。 • （5）新的控制理论和方法将大量应用。除了经典的PID控 制方法外，随着控制技术的不断发展，一些新的控制方法 将更多地应用于汽车的控制系统之中。如最优控制理论、 模糊控制理论等，相信随着所有这些控制方法在汽油机上 的成功应用，将极大改善汽油机控制系统控制的质量精度， 提高使用性能。
• 天然气储备接近于石油储备(石油储备为 1410亿吨)。根据2000年世界天然气和石油 的需求状况，天然气还够用63年，石油还 够用41年。 • 因此，天然气在全球能源储备上的重要作 用不言而喻。如果近几十年 • 能把天然气用作汽车燃料，就会极大地拓 宽稳定的汽车动力能源的来源，以防止液 态燃料的不足。
天然气概述
• 消费结构、制备、储量分布、 • 优点：节能减排，缺点 • 国内外研究现状
• 随着排放法规的日益严格和能源需求的日 益加大，发展车用替代燃料已成为汽车领 域发展的新热点。 • 天然气由于储量丰富，排放低等特点成为 各大汽车厂商开发替代燃料汽车的理想选 择。
在各种代用燃料中，天然气因其储 量丰富而具有特别意义
• 石油是一种无法短期内再生的资源，随着 全世界内燃机保有量的增加，作为内燃机 主要燃料的石油面临着日益短缺的严重问 题。英国石油的研究报告显示，2002年， 在全球能源使用量中，石油占37.5%，天然 气占24.3%，煤炭占25.5%，水力发电占 6.3%，石油仍为全球第一大能源品种 • 。
• 车上用以取代汽柴油的燃料，这些燃料多 以煤、天然气、石油副产品、生物质等为 原料制备。代用燃料首先强调的是石油替 代性，因此代用燃料主要是由非石油能源 和石油副产品生产的。 • 甲醇、合成油、二甲醚等代用燃料在国际 上多以天然气为原料，在中国则主要以煤 为原料，因此又称为煤基燃料。
我国天然气储量较为丰富
• 全国天然气资源量为47.4万亿m3，最终可采资源 量10~15万亿m3。 • 自20世纪90年代以来，陆上形成了三个新气区： 塔里木盆地、鄂尔多斯盆地及柴达木盆地；一个 老气区四川盆地获得了新发展。近海形成了两大 气区：莺歌海—琼东南盆地和东海盆地。 • 六大气区天然气可采资源量为9.285万亿m3，占 全国可采资源量的66%。截至2004年底，六大气 区累计探明天然气可采储量2.4266万亿m3,占全国 探明可采储量的88%。六大气区的形成和发展， 推动了天然气产量和储量的快速增长。
柴油－天然气双燃料发动机
• 从理论上说，由于保持了原型柴油机较高的压缩比和质调节，所以具 有很高的燃料经济性。但是应该看到，在负荷减少和质调节时，部分 燃烧室内的空气－天然气混合气不易燃烧，导致发动机尾气中甲烷排 放量较大，因此在部分负荷工况下，必须采用量调节，但是与质调节 时相比，燃料的经济性有所降低，而且发动机的调节系统趋于复杂化。 不能不注意到，发动机燃料供给装置中的一个重要零件──柴油发动 机的喷射器的可靠性有所降低。在使用柴油－天然气时，它的温度急 剧上升，因为同原型柴油机一样，热流停留在喷射器，而当发动机满 负荷运行、发热强度最大时，喷射器的散热速度极大降低，这也加速 了喷孔的焦化。研制柴油－天然气双燃料发动机所取得的一系列成果， 是建立在使用非常复杂的控制液态和气态燃料供给的微信息处理装置 之上的。要知道，这种带有两套燃料供给装置的发动机，结构过于复 杂、成本过于昂贵，也是其缺点之所在。由于上述问题，柴油－天然 气双燃料发动机一般仅作为单一燃料天然气发动机的过渡产品，应用 在加气设施不够完善的地区。
国内CNG汽车发展现状
天然气汽车的结构发展经历四代
车用天然气发动机技术的发展过程 大致经历了三个阶段
• 第一阶段是20世纪60年代以前。这个阶段CNG汽车在前苏联、意大 利等少数国家和地区有所发展，主要目的是以气代油，节约能源。这 一时期的技术研究主要是解决车辆的驾驶性能，如起动性、运行可靠 性等，尽量缩小与液体燃料发动机的各种性能差距，特别是动力性差 距。此时开发的是用于化油器汽车的混合器式CNG发动机装置。 • 第二阶段是20世纪60年代以后到90年代初，这个阶段的主要目的是 解决汽车尾气排放污染问题。由于天然气汽车比汽、柴油车的排放污 染少，许多国家都大力推广天然气汽车。技术上主要是进一步降低有 害排放物，先后开发了用于开环控制供气的化油器式汽车及开环控制 的电喷供气装置，开发出了较为环保的比第一代先进的天然气汽车。 • 第三阶段是20世纪90年代以后。由于汽油机进行了技术改进，排放污 染也大大减少，天然气汽车优势不明显，从而促进了CNG汽车产业对 发动机进行改造，开发出更先进的闭环电子控制、电子数字控制、单 点与多点电喷、高压直喷的燃气供给系统。特别是1995年以后，在车 用天然气发动机上采用了理论空燃比反馈控制稀燃等技术，使车用天 然气发动机效率、经济性，排放性和动力性都有极大的提高，车用天 然气发动机技术发生了质的飞跃。
• 天然气当之无愧成为汽 车燃料，这不仅是因为 天然气的开采量在日益 增多，而且还因为天然 气发动机的排放性能比 较好，主要表现在CO排 放量较小、未燃HC成分 引起的光化学反应低、 燃料几乎不含硫的成分、 微粒的排放量几乎为零。 相同压缩比情况下改变 发
• 动机的燃料和燃料供给方式时的废气排放结果表 明：天然气发动机的NOX的排放量比汽油机约低 30%，天然气发动机NMHC的排放量比汽油机低 50~60%，天然气发动机排放废气中HC的大部分 是甲烷，而甲烷在空气中比较稳定，光化学反应 低。另外，天然气发动机CO2的排放量比汽油机 约低20%。因此，使用天然气可以将影响地球气 温升高的因素—CO2排放量降低20%，这对生态 环境保护是很有意义的。同柴油机相比，天然气 发动机的NOx和颗粒排放特别少，因此不需汽车上使用天然气时，或是将天然气 加压，或是将天然气液化。 • 天然气压缩后储存在高压气瓶中放在车上相当于普通汽车的油箱，气 瓶中气体的压力一般为20MPa，这就是所谓的CNGV (Compressed Natural Gas Vehicle)，即压缩天然气汽车。 • 将天然气在常压下一162℃时液化后装入低压保温容器中放在汽车上 作为燃料，就是所谓的LNGV(Liquid Natural Gas Vehiele)，即液化天 然气汽车。 • 在油田轻烃回收装置中处理天然气时和在石油炼制过程中都有一种以 丙 • 烷和丁烷为主的副产品。它们也是天然气组成的一部分，较易液化， 在常压下是气态，也可做汽车燃料，这就是液化石油气 LPG(Liquefied Petroleum Gas)。靠燃烧LPG获取动力的汽车叫液化 石油气汽车，英文缩写为LPGV，习惯上也将LPGV作为天然气汽车 的一种。
• 吸附储气法采用在3.5MPa压力下把天然气吸附在多孔活 性炭中的储气方法(取代了通常以20MPa压力存储压缩天 然气的方法)，汽车的排放情况最好。而且，气瓶压力降 低能减少能耗及压缩时有害废物的排放。这种多室非圆形 气瓶用铝合金制成，能较方便地安装到汽车上。液化储气 法将天然气以液态储存在-162℃的专用气瓶中，因为两层 瓶壁之间为高度真空，所以能达到较为理想的绝热。液化 天然气含杂质较少，存储液化天然气所使用的气瓶也比压 缩天然气气瓶轻得多。但是，这种气瓶目前成本较高，而 且在使用过程中还存在着漏气。另外，还得建立高产能的 天然气液化工厂。目前广泛应用的天然气汽车是采用以 20MPa压力存储压缩天然气的压缩天然气汽车。
• 美国自80年代初开始进行CNGV的研究工作，特别是1990 年，美国政府颁布的能源政策法案（the Energy Policy Act）鼓励进行替代燃料技术的研究、开发和引进。其目 的是使用可再生的国内能源来降低对进口石油的依赖。能 源政策法案颁布后，美国能源部设立多个项目来促进能源 的多元化和替代石油基汽车燃料。美国可再生能源试验室 设立的“燃料利用项目”鼓励发动机制造商将已经过试验 室验证的代用燃料发动机装备到在用车上，为其进行投产 前与传统车的性能比较和用户使用试验。 • 1996年，美国能源部重型车技术办公室投资进行重型车用 天然气系统的技术开发，支持在竞争激烈的交通运输业中 增加天然汽车的使用量。该项目的目标是降低天然气汽车 的排放，实现天然气汽车经济规模，持续支持所有新天然 气系统的试验和安全评价。政策法案的引导和多个支持项 目的进行促进了美国天然气汽车的快速发展。亚洲有16个 国家发展天然气汽车，已经拥有天然气汽车100多万辆， 其中，巴基斯坦70万，印度20万。
• （1）安全与环保，重视安全与环保是未来汽车发展的大 趋势。 • （2）电子元件微型化，由于技术进步，微型化的趋势是 十分明显的。例如，BOSCH公司的汽油机燃油管理系统 的发展，在不断提高功能的同时，都大大减少了零件数量、 体积与质量。16位和32位微处理器正在迅速地扩大市场。 • （3）集成化、模块化、区域网络化。为了减小体积，减 轻质量，提高可靠性，减少装配工时，这都要求将分散的 部件，组合成一个整体模块，就像汽油发动机的点火系统、 喷油系统，现在已经集成为一个燃油控制管理系统。这样 可以共用传感器、控制元件、线路，使零件数量减少，减 少连接点从而提高可靠性。