中国发展天然气汽车的潜力和问题摘 要我国石油资源短缺，而天然气资源丰富，天然气是世界上公认的清洁燃料，推广应用天然气汽车是降低汽车发动机排放、改善能源利用结构的有效措施之一。随着汽车产业的高速发展，巨大的市场需求与石油短缺及环境保护之间的矛盾越来越突出。发展代用燃料汽车以降低排放污染，促进能源转型与实现产业振兴势在必行。本文从天然气汽车工作原理入手，介绍了天然气汽车的分类及特点，并对天然气汽车的发展优势和关键技术进行了探讨；进一步阐述了天然气汽车的应用现状及存在的问题，最后提出了发展天然气汽车的对策，并对天然气汽车的未来发展趋势进行了展望，以期能对我国天然气汽车的发展提供借鉴。关键词：天然气汽车；潜力；问题i 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）经济性好，发动机的使用寿命长，运行费用低，怠速及过渡工况运行稳定性好，运行安全等。但是，由于天然气与汽油和柴油在燃烧特性和储存条件等方面有所不同，因而在天然气汽车的开发和应用中，还存在如下问题。3.2.1 供气体系建设困难要使天然气汽车得到广泛的应用，在国内大城市特别是重点推广应用城市必须建立相应的加气站及为加气站输送天然气的管道，这涉及到城市建设规划、经费投入和环境安全等诸多因素。建加气站的费用相当高，建 l 座加气站及配套设施约需 500×1014～1000×1014元，甚至更多。这个问题在一定程度上已经成为一些地区发展天然气汽车的瓶颈。3.2.2 动力性较低燃用天然气与燃用汽油相比，混合气的热值低(天然气/空气混合气低热值为 3.36 MJ/m3，汽油/空气混合气低热值为 3.82 MJ/m3)，进气(空气)量少，分子变更系数小，动力性约下降 20%。如果匹配不良，动力性可恶化到惊人的程度。3.2.3 汽车储气瓶占用空间较大气态天然气的能量密度比汽油小得多 。 lm3常压天然气压缩后装入2OMPa 的储气瓶中，约占 5L 容积，而与之等热量的汽油(0.8l kg)只占1.1L 容积，CNG 所占容积等于汽油的 4.5 倍(容积系数等于 4.47)。要保证相同的续驶里程，天然气汽车储气瓶的体积比汽油汽车油箱就要大许多。由于高压气瓶本身的质量较大，相对降低了车辆的承载能力。压力携带储气瓶在技术上不是难题，但毕竟不如携带汽油和柴油方便。3.2.4 汽车用户的初始投入费用较大天然气汽车的一些部件如储气瓶、安全阀等，要求严格，成本较高。此外天然气汽车尚未形成规模效益，也使得其造价下降受限。对于目前采用较7 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）多的两用燃料汽车，则要在原车上另加一套价值 4000～8500 元的天然气供气系统，初始投入费用较大。与柴油汽车相比，天然气汽车的制造成本较高，其中整车成本高 15%～25%，发动机成本高 30%～55%。第四章 发展我国天然气汽车的对策4.1 政府政策的支持政府的经济政策是影响燃气汽车发展的一个最重要的因素。许多发达国家的政府为了保护环境，制定各种优惠政策鼓励发展燃气汽车，在价格、税收、投资、补贴等方面制定优惠措施。燃气价格是影响燃气汽车发展的重要因素，只有燃气售价较低，与汽油形成足够大的差价时，燃气汽车的发展才具有内在的经济推动力。同时，地方政府也应结合本地区的实际情况，积极发挥引导、支撑和排障的作用，如在法律方面予以保障，在燃气汽车生产、8 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）改装、零部件生产、加气站建设、燃气汽车购买和使用等环节给予税收、资金等方面的优惠政策。例如上海市政府对新增天然气公交车进行补贴，政府投资进行加气站建设，由委托企业经营等，都是行之有效的措施。目前我国正在进行燃油税改革，实行税改后，燃油价格将上升，对燃气汽车的发展具有重要的促进作用。4.2 加气站的建设利用西气东输和进口天然气的管网对沿线和周边城市供气，为大力发展天然气汽车提供必要条件。影响天然气汽车发展的一个重要因素是加气站的建设，发展天然气汽车必须有大董加气站网点作保障天然气汽车的发展要有计划有步骤地作好发展规划，逐步实施。各大城市，特别是有条件的城市应将天然气汽车加气站的建设列入城市发展规划，并尽早投入经费建立天然气的供气系统。4.3 发动机关键技术的研究4.3.1 电子控制技术应用先进的电子控制技术对天然气发动机的燃料供给、点火定时等进行精确控制，是实现天然气汽车发动机高效率、低污染燃烧的笑键之一。电子控制系统主要包括电控单元、传感器和执行机构等。4.3.2 空燃比控制技术为协调发动机排放指标、气耗率和可靠性，空燃比在整个万有特性图上的快速与精细控制是关键。4.3.3 优化燃烧技术发动机燃烧技术和高能点火技术及其协调优化是实现最佳性能的必要条件。9 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）4.3.4 先进的后处理技术与欧 I、欧 II 排放法规不同，欧 III 排放法规分别规定碳氢化合物和氮氧化物的限值，先进的氧化型后处理技术就成为关键技术之一。4.4 储气瓶的研制研制储存量大、耐高压、轻质的车载复合气瓶已成为必须解决的关键技术。国外已经成功地研制并生产了压力>25 MPa 的复合材料气瓶，且其质量容积比仅为 0.6。应尽快开展研制工作，为天然气汽车的应用提供储气瓶及配套的调压器等。应加速研制液化天然气用钢瓶。由于液态天然气的体积是气态天然气体积的 1/625，可以减少气瓶的数量(压缩天然气汽车一般装有5～6 个气瓶)，以解决改装压缩天然气汽车时自重的增加和续驶里程受限的问题。4.5 天然气汽车技术的发展趋势4.5.1 能源与环境问题要求天然气汽车技术发展天然气汽车的发展拥有很多优势，但同时也面临市场竞争日趋激烈，加气站站址选择越来越困难，安全管理要求高，汽车尾气排放标准有待提高，相关的标准规范有待完善，以及需要保持一定比例的油气价差等挑战。我国天然气汽车的发展路线：1.在未来一段时间内．我国天然气汽车发展仍然以 CNG 汽车为主．在沿海进口 LNG 地区可以适当发展 LNG 汽车；2.汽车发动机正逐步由改装车、双燃料车向单燃料车、原产车过渡；3.应用领域以出租车、公交车为主。我国燃油税改革如火如荼，税改实行后，燃油税大幅上升，因此对燃气汽车的发展有相对的促进作用，随着材料技术以及电子技术的蓬勃发展，天然气燃料的优势愈发明显，而且国家环10 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）保中心近期显示数据，2010 我国汽车尾气排放污染将占空气污染的 60％以上，这就表明，汽车保有量的高速增长对环境构成了巨大威胁，这成为我国发展天然气汽车的又一必要条件。4.5.2 潜力与挑战并存目前我国大多数 CNG 加气站都是选用国产设备，加气站净化装置、储气装置、压缩机和加气机等全部实现国产化，国产设备的总体市场份额在90％以上。国产设备具有价格低、配件供货期短、现场服务快、日常维护成本低等优势。而 CNG 汽车技术也随之实现国产化，自主开发的减压器等燃气汽车专用装置，已开始批量投放市场。总体上说，经过长期的发展，我国已经初步建立了比较成熟的天然气汽车产业体系。但是目前天然气规范的标准还存在缺失。有待相关部门加以进一步完善。燃气属于高危物品，能否妥善存放也是一大问题，自从天然气步人工业领域，事故便频频发生，如何安全存放和使用天然气，避免人员伤亡和经济损失，也该划列为使用天然气的重要举措。总之，天然气汽车的发展是时代发展的重要标志。同时，也标志着全世界对环保节能的重视程度逐步加深。所以，天然气汽车的推广必将成为大势所趋，开拓更为广阔的市场。11 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业论文（论文）参考文献[1] 王建勇.浅析我国天然气汽车技术及发展方向.民营科技，2010. [2] 王全保.天然气汽车发展中的问题和对策分析.城市车辆，2008.[3] 庄永茂.天然气汽车技术初探.煤气与热力. 1997.[4] 周新伯.燃气汽车发展过程若干问题的探讨.煤气与热力，1999.[5] 赵惠敏.天然气汽车的发展未来展望.兵器材料科学工程，2004.[6] 边耀璋.汽车新能源技术.北京：人民交通出版社，2003.[7] 郭宗华.压缩天然气汽车的特点.煤气与热力，2004.[8] 陈基杰.天然气汽车的现状及发展趋势.城市公用事业，2003.[9] 温军英.天然气汽车的发展与应用.煤气与热力，2005.[10] 姜升等.天然气汽车浅谈.农业装备与车辆工程，2010.12 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）目 录第一章 引 言............................................................1第二章 天然气汽车概述...............................................22.1 天然气汽车工作原理..............................................................................22.2 天然气汽车分类及特点..........................................................................22.2.1 压缩天然气(CNG)汽车.........................................................22.2.2 液化天然气(LNG)汽车..........................................................22.3 天然气汽车的发展优势..........................................................................22.4 天然气汽车的关键技术..........................................................................32.4.1 气瓶技术............................................................................32.4.2 发动机技术.........................................................................32.4.3 混合与控制技术...................................................................4第三章 天然气汽车应用面临的问题..................................53.1 天然气汽车的应用现状..........................................................................53.2 天然气汽车存在的问题..........................................................................53.2.1 供气体系建设困难................................................................53.2.2 动力性较低.........................................................................63.2.3 汽车储气瓶占用空间较大......................................................63.2.4 汽车用户的初始投入费用较大................................................6ii 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）第四章 发展我国天然气汽车的对策..................................74.1 政府政策的支持......................................................................................74.2 加气站的建设..........................................................................................74.3 发动机关键技术的研究..........................................................................74.3.1 电子控制技术......................................................................74.3.2 空燃比控制技术...................................................................74.3.3 优化燃烧技术......................................................................84.3.4 先进的后处理技术................................................................84.4 储气瓶的研制..........................................................................................84.5 天然气汽车技术的发展趋势..................................................................84.5.1 能源与环境问题要求天然气汽车技术发展................................84.5.2 潜力与挑战并存...................................................................8参考文献..............................................................10 iii 第一章 引 言随着社会的进步和文明程度的提高，汽车已经成为社会生活中必不可少的交通工具，但随着汽车保有量的增加。汽车尾气污染问题越来越引起人们的重视；同时石油危机和能源危机成为国际社会所共同面临的问题，人们不断寻找交通运输的替代燃料。天然气汽车正是在这样的大背景下，成为各国汽车产业发展的新宠，从 20 世纪 30 年代开始。意大利和俄罗斯有计划地推广天然气汽车，直到 1973 石油危机的爆发和 1980 年代欧美国家对于城市空气质量的逐渐重视，天然气汽车才开始在全球范围内广泛使用。天然气汽车相比燃油汽车具有资源丰富、燃烧清洁、技术成熟、安全可靠、经济实用等优点。面对当前世界范围内的能源紧张以及环境污染问题，寻找汽车的节能技术以及替代能源已刻不容缓。用天然气代替传统的汽油燃料，不仅能有效的缓解石油短缺的现状，同时天然气作为世界上公认的“清洁燃料”可以大大降低环境给城市带来的污染，所以大力发展天然气汽车将是我国汽车工业化改革中的重点。在车用燃料价格不断攀升、汽车排放标准越来越严格的今天，发展燃气汽车越来越引起社会的关注，特别是 2005 年燃油价格多次大幅提升、部分城市发生“油荒”以来，很多的汽车要求实行“油改气”，把汽车改装成既能烧汽油也能烧天然气或液化石油气的混合动力汽车，有的城市最近半年要求油改气的数量超过了过去 3 年的总和。目前我国的燃气动力汽车的种类主要有天然气一汽油、液化石油气一汽油两种混合动力汽车。发展燃气汽车正在开始向规范化、规模化发展。在国内外油价居高不下的情况下，作为全球最为流行的节能型汽车动力技术，各厂家今后势必都会在混合动力领域下重注，而混合动力车市场也将成为厂家决战的下一个战场。1 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）第二章 天然气汽车概述2.1 天然气汽车工作原理天然气汽车是指通过高压钢瓶供给天然气作为燃料的汽车。其工作原理包括：压缩天然气通过充注阀进入车载供气系统；压缩的天然气充进装于车后的高压钢瓶；当汽车发动机需要天然气时，气体通过手动控制的阀门从钢瓶中排出，天然气进入燃料供给阀流向发动机，高压气体通过调节阀减压到大气压力，当发动机停开或使用汽油时，天然气电磁阀关掉，天然气电磁阀开启后，天然气通过调压阀进入气体混合器，与空气混合后的天然气通过汽油汽化器进入发动机燃烧室。2.2 天然气汽车分类及特点按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气汽车可以分为：压缩天然气汽车、液化天然气汽车、液化石油气汽车。2.2.1 压缩天然气(CNG)汽车压缩天然气是指压缩到(20.7-24.8)MPa 的天然气，储存在车载高压气瓶中。压缩天然气(CNG)是一种无色透明、无味、高热量、比空气轻的气体，主要成分是甲烷。由于组分简单，易于完全燃烧，加上燃料含碳少，抗爆性好，不稀释润滑油等优点，能够延长发动机使用寿命；CNG 汽车是将天然气压缩后装在汽车用的钢瓶内，通过一套减压装置后，直接供给汽车发动机，原来的燃油系统保留仍可使用。日常行驶中，司机在驾驶室通过油气转换开2 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）关，非常方便地选择燃油或燃气，所以也叫天然气、汽油两用车或双燃料汽车。使用压缩天然气的汽车称为 CNG 汽车。2.2.2 液化天然气(LNG)汽车液化天然气是指常压下、温度为-162℃的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。液化天然气燃点高、安全性能强，适于长途运输和储存；LNG 汽车是将 LNG 装在汽车专用的低温钢瓶内，通过汽化、减压后．供给汽车发动机。日常行驶中，司机在驾驶室通过中心控制器进行控制，使用液化天然气的汽车称为 LNG 汽车，LNG 汽车具有同 CNG 汽车同样的优点。2.3 天然气汽车的发展优势我国丰富的天然气资源，良好的经济性能和排放性能，使得天然气汽车在环境保护呼声日益高涨的今天具有绝对的发展优势。一是可缓解能源压力。近年来，我国汽车保有量年递增率都在 10%以上，同时我国的石油增长极少，产储量难有大的突破，而我国天然气的产、储量发展较快，因此大力发展天然气汽车是一条可行之路。二是降低环境污染，提高燃油经济性 城市环境污染物的 50%以上是由汽车排出的废气所导致，而随着汽车保有量的进一步增加，势必会导致环境的更加恶化。天然气在常温下是气态，以气态进入燃机。其混合方式为气气混合，混合均匀，燃烧完全，无微粒排放存在，在可以大幅度降低 CO 和 HC 化合物的排放基础上，有效提高燃油经济性。三是使用压缩天然气更加安全,汽油具有良好的挥发性。加之汽油燃点在 430°以内。着火界限为 1.3%～7.6%，遇微小火花极易着火。而压缩天然气存储及传输均是在严密封闭的管道内进行，气瓶不易破坏，即使有少量泄漏，在空气中遇微风更易被驱散，加之天然气燃点高达 537°,着火界限 5%～15%，不易形成可燃混合气。所以天然气汽车不易发生火灾事故，要比汽油车安全。3 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）2.4 天然气汽车的关键技术2.4.1 气瓶技术压缩天然气气瓶在储存天然气时要求的耐压是 20MPa，为满足汽车在移动过程中对气瓶的安全性能要求。则需要制作气瓶的材料具有自重轻、强度高等特点。但是目前国内只能生产钢制压缩天然气气瓶作为天然气汽车储气瓶，而且大多数单位目前都未生产天然气汽车专用钢瓶，而是采用高压氧气瓶代替。这也是制约着天然气汽车的发展的一个因素。2.4.2 发动机技术目前我国天然气加气站的建设无法形成网络，所以导致纯天然气汽车的发展相对缓慢。为节能环保，降低汽车对城市环境的污染，城市公交车和出租车广泛采用将汽油机或柴油机汽车改造为两用燃料车。如天然气-汽油两用燃料汽车，保留原车供油系统，增加一套“CNG 附加装置”。气站将压缩的天然气，通过充气阀充入 CNG-天然气双燃料汽车贮气瓶至 20MPa。当使用天然气作燃料时，手动截止阀打开，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20MPa 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，4 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）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。2.4.3 混合与控制技术汽车的燃油经济性主要受不同工况下供油量决定。当汽车在速度和负荷上发生变化时，发动机对气体燃料的控制难度又高于液体燃料。因此，解决好汽车在不同工况下所需提供的不同浓度、不同量的混合气是混合与控制系统的根本任务。目前在天然气双燃料汽车发动机的电控技术方面作出了大量的研究工作，电控缸内喷气技术和天然气稀燃技术已达到较先进水平。5 中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）第三章 天然气汽车应用面临的问题3.1 天然气汽车的应用现状近 20 年来，世界天然气需求量持续稳定增长，平均增长率保持在 2%，专家预计 2020 年天然气在世界能源组成中的比例将会增加到 30%左右。根据国家发改委能源研究所的预测，到 2020 年我国天然气的消费量将达到2500 亿立方米。业内认为，即使我国的天然气产能高速增长，到 2020 年产量预计达 1700 亿立方米，但国内的产能缺口仍将在 400 亿立方米到 800亿立方米之间。21 世纪天然气在世界能源结构中的比例将超过石油，成为世界第一大能源。天然气是一种洁净的能源，主要成分是甲烷，燃烧后的主要生成物为二氧化碳和水，其产生的温室气体量只有煤炭的 1/2，是石油的 2/3。天然气汽车是以天然气作为燃料的汽车，可分为压缩天然气(CNG)汽车和液化天然气(LNG)汽车。近年来天然气汽车在全球发展很快，在应用与运营方面比较成功。天然气汽车是一种理想的低污染汽车，与汽油汽车相比，它的尾气排放 量 中 CO 下 降 约 90% ， 碳 氢 化 合 物 (HC) 下 降 约 50% ， NOX下 降 约30%，SO2下降约 70%，CO2下降约 23%,微粒下降约 40%，铅化物下降约 100%。可见天然气对环境造成的污染远小于石油和煤炭，成为一种优良的汽车发动机绿色代用燃料。同时，天然气汽车的使用成本较低，比燃油汽车节约燃料费。此外，与电动汽车相比，天然气汽车的续驶路程长。有关专家认为，天然气汽车是目前最具有推广价值的低污染汽车，尤其适合于城市公共交通汽车和出租汽车使用。目前，它已在世界上得到广泛应用。3.2 天然气汽车存在的问题使用天然气作为汽车动力有很多优势，如污染少，资源储藏丰富，燃料6