浅谈我国天然气汽车技术创新的几个选项

中国汽车工程学会特聘专家

四川省清洁能源汽车协会副秘书长 李永昌

一、前言

自1989年我国开始批量推广CNG汽车，2006年开始批量LNG汽车以来，已经分别走过了2个年头和10个年头。目前，天然气汽车业已遍布全国31个省、市、自治区的300多个地级及其以上行政区域。截至2015年底，全国天然气汽车的保有量已达506万辆（其中LNG汽车保有量约23万辆），加气站约7400座，年耗天然气逾300多亿立方米。无论是CNG汽车及其加气站保有量，LNG汽车及其加注站保有量，还是车用天然气消耗量均居世界第一位。这对于治理以雾霾为代表的大气污染和提高天然气在我国一次能源消费量中的占比，改善我国能源结构都作出了十分显著的贡献。天然气业已成为我国第一车用替代能源。理应不断地加以总结、改进，推动其技术创新和技术升级，以期取得更佳的业绩。

二、不足与问题

毋庸讳言，我国天然气汽车推广应用实践中也存在一些不足和问题，制约了天然气汽车向更大范畴和更高层次进军，也影响了与其它车用天然气替代能源，如电能之间的竞争力。值得我们认真面对，深入研究。初步归纳一下，目前我国天然气汽车存在着以下不足之处和问题：

1、油气两用车燃用天然气的动力性低于原汽油车

发动机台架试验表明：燃用天然气较燃用汽油的最大功率一般要下降10%-15%；最大扭矩下降10%左右。此外，车辆的最高车速和加速性能也有所下降。

2、CNG汽车能量密度低，续行里程短

目前，燃用CNG的公交车和出租车，充气一次的续行里程仅有200公里左右。

3、油气两用汽车的实际尾气排放情况不佳

按照规定，对油气两用汽车进行环保检测的需要分别对燃油和燃气两件工况进行检测。不少地方的检测机构发现，两种工况的实际检测结果往往均比同类型的汽油车差。简言之，很难达到国四排放标准。

4、LNG汽车的气耗偏高

从理论上讲，LNG较CNG气质更纯、热值更高，至少CO2等成份在液化过程应该清除掉；可实际使用结果往往却出现气耗反而高于CNG汽车的情况。究其原因，不外二条，一是行驶过程中或停放情况下，因LNG气瓶绝热性能变差而导致产生“BOG”现象，LNG蒸汽即从安全阀溢出，造成气耗高；二是LNG供给系统的压力和温度均为变量，容易出现天然气供给量跟发动机不同工况的需求量不相匹配的情况，从而也会导致气耗高。

5、LNG部分零件的工作可靠性欠佳

如安全阀开启后回位不到位，引起冰堵现象（见照片）；又如自增压器工作不可靠，导致LNG泄漏，甚至酝成安全事故。

6、相关标准缺失和存在弊端

如至今尚未见“车用LNG气质”标准和“LNG车用瓶定期检验与评判”标准

又如GB18047-2000《车用压缩天然气》中的热值要求等同于民用气实在太低。

三、技术进步和升级的预期目标

1、动力性：燃用天然气时，动力性不低于同类型的燃油发动机。

2、燃料经济性：油气两用汽车：1Nm3天然气代油量不低于1.1L汽油

天然气单燃料汽车：1Nm3天然气代油量不低于0.9L汽油

3、排放：新车不低于国V标准

在用车不低于国IV标准

4、续行里程：CNG乘用车不低于300公里

CNG商用车不低于500公里

四、选项和举措

1、适度提高CNG汽车供气系统工作压力等级

为了弥补CNG汽车的量密度低、续行里程短的这一突出缺点，拟将目前20MPa的工作压力提升至25MPa-30MPa.

20MPa的工作压力是上世纪三十年初意大利开创CNG汽车时选定的压力等级。一直沿用至今已达80多年之久。现在气瓶制造的技术水平，气瓶材质的技术性能已有长足的进步。适当提高气瓶及其配备供气系统的工作压力，应当说在技术上是完全可行的。美国已有25MPa、德国已有30 MPa的CNG汽车使用先例。而国内氢气储气瓶的压力等级据了解为35MPa。目前主要问题是需要修改《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2012）等相关技术标准。

2、适度提高CNG槽车气瓶后力等级

即便是对目前工作压力为20MPa的CNG汽车，为了CNG运输效率和槽车对子站内加气车辆的充气效率，也应将槽车上气瓶的工作压力提高至25MPa，据了解工信部汽车产品目录中已经有了25MPaCNG槽车品种，只需修改GB50156中的20MPa的限制了。若今后CNG汽车上的气瓶压力提高了；槽车上的工作压力也应作相应提高。

3、研发乘用车用天然气发动机

国家《能源发展战略行动计划（2014-2020）》中明确提出要“稳妥发展天然气轿车”。而现在乘用车推广天然气汽车方面客观存在如上述的“油气两用”汽车的排放性能和动力性不佳与续行里程短等突出问题。需要一方面提高车用气瓶压力等级，同时也需要研发小排量的天然气发动机。这种发动机上可充分发挥天然气辛烷值高的优点，通过提高压缩比的办法来提升发动机热效率。从而同时改善其动力性与燃料经济性。针对天然气排气温度高、排气阀门座圈易烧蚀的缺点，选配耐热材料，来解决的问题；此外，还可根据天然气的燃烧特性来设计燃烧室形状，匹配最佳而不是兼顾油气两种工况的电控系统。从而为家族轿车使用天然气提供可靠的发动机支撑。

4、进一步减轻CNG汽车与LNG汽车及CNG槽车的气瓶重量

其实，国内一些制造企业近年来也在车用II型和III型瓶和槽车气瓶作了不少“减肥”工作，且取得一定效果，重容比可达0.35。可喜的是目前碳纤维材料的国际市场价格有走低走势。这就为上述气瓶的减重提供了有利条件。

某LNG制造商最近将重卡上的两个LNG气瓶合并为一个大容积气瓶，据说重量可减少15%以上，还可以减少一套瓶上的阀门管道附件，也算得上是一种技术上的创新。

5、提高LNG汽车供气系统的技术性能

5.1提高LNG车用气瓶的绝热情况，研究气瓶真空度检验的合理周期和补抽真空标准

5.2提高LNG供气系统与发动机工况之间的匹配性能

5.3推荐一种不带自增压系统的LNG供气方案

目前，LNG汽车加注站对车辆的充装一般有高饱和蒸气压力（0.7-0.8MPa）和低饱和蒸气压力（约0.4MPa）等两种方式。前者虽然可以省去自增压系统（因为对常规天然气单燃料发动机而言燃料喷射装置的工作压力正好也是（0.7-0.8 MPa），但是过高的充装压力会导致LNG加注站BOG数量增加也不利于安全。因此，这种充装方式不受加注站管理者的欢迎，同时由于LNG瓶内的压力偏高，LNG的温度也较高，致使气瓶内实际储存的LNG质量减少，续行里程自然也会随之减少，因此这种方式也不受驾驶员欢迎。

而后者的主要问题在于多了一套自增压系统可能造成LNG泄露甚至酿成安全事故。

笔者推荐的这种方法两全齐美。既采用了低饱和蒸气压力进行充装，又不需要配备自增压系统。该项技术的决窍在于将天然气的喷射装置的压力选择为0.35MPa左右。当然还需要考虑增大喷嘴口径。以确保天然气的喷射量能够满足各种发动机各种工况的需要。

6、车载式天然气加氢技术

众所周知，天然气加氢掺烧，可以提高天然气的燃烧速度和热效率，改善天然在气汽车的动力性，经济性和排放性。一举数得。

加氢方式主要有先按一定比例（例如20%）与天然气混合后再加到25Mpa与先将氢加压到25Mpa再和同为25Mpa的CNG混和等二种方式。。但二种方式究竟何种更优，尚待通过经济性、可靠性等方面的试验后才能得出令人信服的结论。

7、开发中长途CNG公路客车和CNG重卡

即使在目前20MPa工作压力和II型车用气瓶的现实条件下也可以尝试开发红续行里程不低于500公里的CNG公路客车和重卡。国内已有新疆、山东等地尝试使用了CNG公路客车。此外，印尼雅加达到万隆的长途客车使用的CNG客车；俄罗期嘎斯集团的CNG长途客车的续行里程为400公里，车上装有5支气瓶，水容积共计为123L；美国菲亚特克莱斯特公司于2015年12月宣布拟投资4000万美元将约200辆柴油卡车改为CNG。

公路客车和重卡使用CNG与使用LNG相比有如下优点：

7.1新车购置费至少低2万元以上。

7.2没有BOG现象

7.3多数地区CNG气价比LNG低

7.4CNG加气站数量较LNG加气站更多

7.5如果偶然出现抛气锚现象很容易通过车对车的充气方式处理

由此可见，以上诸多优点足可以弥补CNG能量密度比LNG低约一半的这一缺点。如果今后CNG气瓶压力等级升级后则续行里程还可以有较大幅度地增加。

8、研发高性能的天然气发动机电控系统

目前我国中高挡天然气汽车的发动机管理系统几乎是北美、西欧、日本的，其中较为著名的意大利的美塔特龙公司和郎第公司、加拿大的西港公司、德国的波许公司、美国德尔芙公司、美国伍德沃德公司、日本电装公司。

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