天然气发动机开发与前景展望

天然气发动机开发与前景展望

随着世界经济的飞速发展，汽车保有量的急剧增加，汽车给人们带来了极大的便利，对人类社会发展作出了巨大贡献，但同时消耗大量的石油资源、排出大量的有害气体，并对人类生存环境造成较大的危害，成为城市污染的主要污染源。关键字：发动机天然气

一、燃气汽车发动机国际发展趋势及发展现状

随着世界经济的飞速发展，汽车保有量的急剧增加，汽车给人们带来了极大的便利，对人类社会发展作出了巨大贡献，但同时消耗大量的石油资源、排出大量的有害气体，并对人类生存环境造成较大的危害，成为城市污染的主要污染源。为解决这一问题，人们一直在寻求改变能源结构，采用低公害的汽车代用燃料的途径。国际上一些大的汽车公司相继开发出电动汽车、醇类汽车、天然气汽车。从技术成熟度、经济性、易普及程度、资源等方面因素看，天然气汽车优于电动汽车、醇类汽车。因此近年来世界上汽车总保有量超过7.5亿辆，其中天然气汽车保有量已超过600万辆，加气站数量6000座以上，主要分布在富气贫油的意大利、新西兰、阿根廷、印尼等国家和环保法规严格的美国、日本等。戴-克、康明斯、依维柯等国际知名公司都在不遗余力地大力研发和推广各自的天然气发动机(附表1)。特别值得一提的是，美国在LNG车用技术上处于领先位置，从推广车型来看，LNG不但适用于城市公交车，同样也适用于出租车和大型货运车辆，尤其是长途车辆。从美国和欧洲的趋势看，各国的天然气汽车的研制重心已经由CNGV汽车转向LNGV。我国燃气汽车保有量目前已超过22万量，19个重点推广应用城市(地区)加气站数量达712座以上。

天然气汽车发展迅速的主要原因在于：

1.环境保护的需要

天然气汽车是清洁燃料汽车，尾气排放少，环境污染少，与汽油车、柴油车相比，排放物降低情况如下：

在美国为了达到《1990年清洁空气条例修正案》(CAAA)标准，天然气已成为广泛使用的汽车代用燃料。美国有31个州制定了强制使用天然气汽车的办法。纽约州制定了6年清洁燃料车的应用计划，计划到1996年燃气汽车达到80%；德克萨斯州规定，1994年9月前，50%的校车、15%的公共汽车和政府机构汽车必须具有双燃料的能力。

2.天然气汽车技术日趋成熟

天然气汽车发展从上世纪30年代起，已有70多年的历史，特别是经过近些年的发展，技术已趋于成熟，先进的电子技术和机械制造技术使天然气汽车的安全性和控制性能得到保证，续驶里程由初始50—70公里提高到300-400公里以上；天然气汽车气瓶重量和加气站的体积大为减少；给汽车加注天然气同加注汽油一样方便，快速充气仅需2.5分钟。

3.天然气汽车基础设施逐渐完备

随着天然气汽车的发展，天然气汽车加气站逐渐形成网络。据估计，目前世界上已有加气站6000座以上。

4.安全、经济

与汽油、柴油及其它代用燃料相比，天然气汽车的使用费用较低一般为汽油价格的50%，天然气为高燃点的轻量气体，在正常温度和压力下，危险性比汽油小。天然气汽车冷启动性能好，运行平稳，维修费用低(约为常规燃料车50%)，直接用甲烷作燃料，不仅可大大降低汽车机械摩擦的耗损，延长使用寿命，且运行操作简单方便，噪音也比燃油汽车降低40%。发动机使用寿命长。

5.政府制定优惠政策

为保护环境，减少污染，许多国家政府制定一系列鼓励性政策促进燃气汽车的发展。

如天然气价格优惠、天然气汽车税费取费较低、生产燃料供给设备及建设加气站等均在资金方面、税收方面给予优惠政策。

二、我国燃气汽车发动机的发展现状

目前，国外CNG发动机已在广泛应用第三代的技术，更先进的LNG缸内直喷技术已得到小批试用，其动力性、经济性和排放俱佳，但其开发难度大，费用昂贵，成本也高，国内尚未开始研制。第一代产品是机械式，第二代属于简单闭环控制，第三代是采用电控喷射CNG技术。电控喷射CNG系统采用高压喷射，通过节气门传感器，气体流量传感器，转速传感器，水温传感器，进气温度传感器，压力传感器和氧传感器等经过中央处理单元来控制点火、空燃比等。

我国燃气汽车发展始于50年代，即低压天然气汽车。80年代中、后期天然气汽车的开发及应用的步伐加快。国内大型汽车厂和发动机厂如东风、解放、上柴、潍柴、玉柴不断加大产品开发力度，相继推出了各自的产品在市场上推广应用(附表1)，主要产品分为单一天然气燃料汽车和双燃料汽车(天然气/汽油或柴油)。

根据燃气汽车使用天然气的不同形态，可分为：压缩天然气(CNG)，主要成分为甲烷，压力一般在20-30MPa；液化天然气(LNG)，天然气在超低温(-162°C)常压状态下液化，天然气经净化处理后通过压缩升温，在混合制冷剂N2、C1、C2、C3、C4作用下冷却移走热量，再节流膨胀而得到液态天然气，在标准大气压常温状态下，其体积约为同量气态天然气的1/625，天然气液化后为标态体积的1/625，绝热容器压力为0.05-0.5MPa，液化天然气的液化过程中几乎完全去除硫、汞等杂质。两种形态的燃料发动机在国内均已得到应用。

1、压缩天然气汽车 1988年我国分别从新西兰、澳大利亚、加拿大等国家引进了CNG 加气站的全套设施、改装汽车部件及高压气瓶。分别建站于南充、大庆等地。同时进行了加气站设施及汽车改装部件的国产化工作。目前，业内人士已普遍认识到采用单一CNG作为燃料的优点，国内主要发动机生产企业均在进行第三代天然气发动机研发，正在不断替换技术水平较低的机械式发动机。CNG车已在四川、重庆、北京、西安、内蒙、等地推广。

2、液化天然气汽车是继CNG汽车和LPG汽车之后于近年才开始发展起来的一种新型环保汽车，从本质上讲也是天然气汽车，但由于汽车携带的LNG比CNG具有更高的燃料密度、压力低、所需燃料箱自重轻，汽车一次充气的行驶里程(300？800km)较CNG远得多，LNG同时又能像油品一样运输，同时具有CNG和LPG的优点，而克服了它们的不足，因此具有更强的实用性，且由于我国能源战略结构的调整，今后将有更多的LNG资源通过进口进入我国使用，被认为是今后燃气汽车的发展方向。目前在国内正在实施的LNG加气系统有北京LNG示范加气站，共有11辆公交示范车辆正在运营；乌鲁木齐单一燃料LNG公交示范项目工程课题，有20辆单一燃料LNG公交示范车辆正在运营；长沙市单一燃料LNG公交示范项目工程课题，有52辆单一燃料LNG公交示范车辆正在运营，运行情况都正常。

三、我国天然气汽车发动机发展前景

1、天然气汽车对降低汽车排气污染、节约石油资源具有重要意义

目前大中城市由于汽车尾气造成的大气污染相当严重，对人民生活造成了严重的灾害。以某市环境为例，现汽车保有量仅100多万辆，其大气污染程度与国外400万辆汽车大城市相当，市区的氮氧化物已连续多年超过国家标准，交通干线沿线超标更为严重。为此，政府各有关部门、部分高校、科研院所越来越重视天然气汽车的开发、推广、应用。国家产业政策亦鼓励发展节能、低公害产品。

从1996年11月，全国汽车标准化技术委员会成立了天然气汽车工作组，着手建立我国天然气汽车标准体系；1997年9月，国家技术监督局批准成立天然气和液化石油气汽车标准化分技术委员会使我国天然气汽车标准化工作全面展开。

2、我国天然气和液化石油气资源较为丰富，具备发展天然气汽车的基本条件

我国天然气可采储量令人比较乐观。据调查，我国天然气资源量约为38万亿m3，已探明的资源储量为1.8万亿m3，为资源量的5%，可采300年左右。2005年，我国天然气产量为300亿m3，除用于化工原料和民用燃料外尚有剩余(约20%)，其中部分天然气被浪费(约10亿m3)。据专家测算，10万辆天然气汽车耗气约15亿m3，仅为目前天然气产量的7.5%。

3、燃气汽车使用成本低，易被用户接受

较经济的使用成本是推广天然气汽车的有利条件，以我国汽油、柴油与天然气现行价格比较，综合考虑发动机使用寿命、维修费用、机油费用等因素，使用天然气汽车经济效益显著。

四、国内外天然气发动机产品技术

天然气发动机主要采用以下一些技术：

绝大部分采用柴油机为基础进行开发，以汽油机为基础的仅占一少部分，主要是因为能利用柴油机的增压中冷成熟技术。

燃烧采用稀燃技术较多而理论空然比燃烧的天然气发动机也占一定比例。

天然气缸内喷射技术。

天然气发动机闭环电控技术。

天然气零部件开发可靠性技术。如活塞、气阀、气阀座、喷嘴等。

天然气催化器应用技术。