柯賢志

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

淺析LNG在商用車中的應(yīng)用

柯賢志

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

論文對(duì)LNG在商用車中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，對(duì)LNG汽車的市場(chǎng)前景進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并從LNG燃料的優(yōu)點(diǎn)、LNG汽車供氣系統(tǒng)技術(shù)方案、動(dòng)力性研究以及其經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面進(jìn)行了具體的闡述。研究表明LNG作為后起之秀，具有無與倫比的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景看好。

LNG汽車；市場(chǎng)前景；優(yōu)點(diǎn)；供氣系統(tǒng)；動(dòng)力性研究；經(jīng)濟(jì)性

CLC NO.:U469.75Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-14-04

1、LNG天然氣車市場(chǎng)前景

今年以來，我國(guó)各地出現(xiàn)持續(xù)性霧霾天氣，嚴(yán)重的空氣污染已經(jīng)影響到人民群眾的日常生活。一邊是遏制污染的迫切性，另一邊是要保持經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展，二者兼顧不容易，而發(fā)展天然氣等替代燃料則是兩全其美的選擇。

與此同時(shí)，新一屆中央政府明確提出要為建設(shè)“美麗中國(guó)”創(chuàng)造更好的生態(tài)條件，作為機(jī)動(dòng)車污染大戶，商用車的節(jié)能減排刻不容緩。憑借豐富的燃?xì)鈨?chǔ)量、技術(shù)相對(duì)成熟產(chǎn)業(yè)已成規(guī)模和顯著的經(jīng)濟(jì)效益，可以預(yù)見，LNG商用車有著巨大的潛力。

2、LNG燃料的優(yōu)點(diǎn)

液化天然氣LNG主要成分是甲烷，其作為一種優(yōu)質(zhì)燃料，具有潔凈、經(jīng)濟(jì)、高效、資源豐富和儲(chǔ)運(yùn)方便等優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的比例逐漸增長(zhǎng)。天然氣用作汽車代用燃料，與汽油、柴油相比，其二氧化碳排放量明顯降低，是一種優(yōu)良的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)綠色代用燃料；其燃料成本、維護(hù)保養(yǎng)成本均較低，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益；泄漏后不易自燃，不易形成爆炸氣體，較安全。因此，天然氣是汽車較佳的清潔代用燃料[1～4]。

2.1 天然氣具有環(huán)保性

根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，城市大氣環(huán)境污染60%來自機(jī)動(dòng)車輛的尾氣排放，公路網(wǎng)的大氣環(huán)境污染100% 來自機(jī)動(dòng)車輛，因此對(duì)汽車尾氣進(jìn)行治理刻不容緩。目前，采用天然氣作為車用燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)汽油、柴油，是減少汽車尾氣污染的重要措施之一。大力發(fā)展天然氣汽車事業(yè)，提高清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的天然氣能源在我國(guó)能源消耗中所占的比例，是堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高人民生活質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境的重要措施。

現(xiàn)通過以下計(jì)算，對(duì)比柴油、天然氣作為車用燃料的二氧化碳排放量。

根據(jù)C02潛在排放系數(shù)和燃料的平均低位發(fā)熱量，可計(jì)算出燃料燃燒產(chǎn)生C02的量。

① 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)節(jié)能信息傳播中心發(fā)布的數(shù)據(jù)，C02潛在排放系數(shù)見表1。C02潛在排放系數(shù)是指一種燃料燃燒或使用過程中單位熱量所產(chǎn)生的C02排放量。

表1 C02潛在排放系數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]可查得各種燃料平均低位發(fā)熱量，見表2。損失較小，對(duì)大氣的有害排放污染物少。從燃料來源考慮，LNG汽車對(duì)環(huán)境保護(hù)是更有利的，具有一定的社會(huì)效益。

表2 各種燃料平均低位發(fā)熱量

2.2 有較高的經(jīng)濟(jì)效益

在相同的當(dāng)量熱值時(shí)，世界各國(guó)一般將1立方米天然氣的價(jià)格控制為1升汽油柴油的一半。如果各類發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率比較近，則天然氣汽車的燃料費(fèi)用大約是汽油車或柴油車的一半。這不僅彌補(bǔ)了由于汽車數(shù)量不斷增加而引起的液體燃料供應(yīng)不足，而且使用汽車的運(yùn)行費(fèi)用大幅度降低。此外天然氣容易擴(kuò)散，在發(fā)動(dòng)機(jī)中容易和空氣均勻混合，燃燒比較完全、干凈、不容易產(chǎn)生積碳，抗爆性能好，不會(huì)稀釋潤(rùn)滑油，因而使發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的零件磨損大大減少，使發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和潤(rùn)滑油的使用期限大幅度增長(zhǎng)。這些都會(huì)降低汽車的保養(yǎng)和運(yùn)行費(fèi)用，提高汽車使用的經(jīng)濟(jì)性。

2.3 比較安全

LNG汽車的氣瓶或氣罐等都很結(jié)實(shí)可靠。天然氣本身比空氣輕(LPG除外)，稍有泄漏，很快就會(huì)擴(kuò)散到大氣中。氣體燃料系統(tǒng)的各個(gè)部件，特別是密封部分，都經(jīng)過嚴(yán)格的檢查。因此，天然氣作為汽車燃料是比較安全的。

3、LNG汽車技術(shù)方案及動(dòng)力性研究

② 計(jì)算方法

燃料燃燒產(chǎn)生C02的量按下式計(jì)算：

式中： mCO2——燃料燃燒產(chǎn)生C02的質(zhì)量，kg；

mf——燃料消耗的質(zhì)量，kg；

Q1——燃料平均低位發(fā)熱量，KJ/ kg；

k——C02潛在排放系數(shù)，kg/GJ。

將表1、2的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代入式（1），經(jīng)計(jì)算得：

燃燒1t柴油產(chǎn)生的C02的質(zhì)量mCO2=3.16t；

燃燒1t天然氣產(chǎn)生的C02的質(zhì)量mCO2=2.00t。

與石油燃料相比，氣體燃料在制備過程中能量

3.1 車用LNG供氣系統(tǒng)技術(shù)方案

3.1.1 系統(tǒng)組成和流程

車用LNG供氣系統(tǒng)包括專用車載低溫絕熱瓶、充裝接口、安全限流裝置、LNG汽化器、穩(wěn)壓器、壓力顯示等裝置組成，其流程見下圖：

供氣必備條件：LNG儲(chǔ)存瓶?jī)?nèi)壓力始終高于發(fā)動(dòng)機(jī)要求的進(jìn)氣壓力0.2Mpa以上，供氣管路上的調(diào)壓閥出口壓力設(shè)定比發(fā)動(dòng)機(jī)要求的進(jìn)氣壓力高0.05～0.1Mpa。

為維持瓶?jī)?nèi)高于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力，我們采用了兩種技術(shù)方案：

1）氣瓶不帶自增壓，加氣站對(duì)儲(chǔ)存的LNG（-140～-162℃）進(jìn)行加溫，使其飽和蒸汽壓達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)要求的壓力（LNG溫度不同，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓不同），充裝到車用瓶?jī)?nèi)不調(diào)壓；LNG瓶正常工作溫度為-130℃左右；

2）氣瓶帶自增壓，加氣站不對(duì)儲(chǔ)存的LNG進(jìn)行調(diào)溫，LNG飽和蒸汽壓的壓力盡可能低，這樣有利于LNG儲(chǔ)存、減少氣站排空損失；LNG充裝到車用瓶?jī)?nèi)后進(jìn)行自增壓直至高于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力0.2Mpa,并自動(dòng)穩(wěn)壓，LNG瓶正常工作溫度為-162℃以上；當(dāng)LNG溫度高于-130℃時(shí)，可關(guān)閉自增壓系統(tǒng) 。

3.1.2 系統(tǒng)技術(shù)性能

1）供氣流量：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)給定參數(shù)設(shè)定管件內(nèi)徑；

2）供氣壓力：可在0.25～1.2 MPa內(nèi)設(shè)定，工作時(shí)設(shè)定值波動(dòng)±10PSI；

3）供氣溫度：可在10℃—40℃內(nèi)設(shè)定；

4）系統(tǒng)有優(yōu)先使用氣相功能，即當(dāng)LNG瓶?jī)?nèi)壓力高于經(jīng)濟(jì)閥設(shè)定值時(shí)優(yōu)先使用氣相，保持瓶?jī)?nèi)壓力基本恒定；

5）系統(tǒng)有自增壓功能,即液體飽和壓力不足時(shí),開啟自帶的增壓系統(tǒng)給瓶?jī)?nèi)增壓；

6）本系統(tǒng)充液時(shí)可悶充，無須接氣相，不放空；

7）充液速度可達(dá)40kg/分鐘；

8）本系統(tǒng)使用的液體溫度為-162℃～-110℃；

3.2 LNG汽車動(dòng)力性研究

3.2.1 天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性研究進(jìn)展

天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降的原因有混合氣熱值低和分子變更系數(shù)小以及充氣效率下降等諸多因素?；旌蠚鉄嶂档秃头肿幼兏禂?shù)小是由于燃料分子中含氫比例較大造成的，對(duì)于天然氣，其分子結(jié)構(gòu)是固定的無法改變。要提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，只能從增壓、缸內(nèi)直噴、降低進(jìn)氣溫度、大負(fù)荷工況減氣增油等方面進(jìn)行。天然氣辛烷值為115～139，比汽油高出50%，抗暴性能強(qiáng)，提高壓縮比、增大點(diǎn)火提前角也是提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)功率簡(jiǎn)單易行的有效方法。

1）LNG發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)天然氣汽車的開發(fā)中采用的主要是CNG技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中遇到了如車輛行駛里程短、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性不夠理想、安全性能較差等問題，從而限制了其應(yīng)用范圍。與之相比 LNG具有更多的優(yōu)點(diǎn)：

a）LNG和 CNG的主要成分均為甲烷，LNG通過深冷前的凈化處理幾乎除掉了天然氣中的全部雜質(zhì)，深冷凈化處理過程中又分離出不同液化點(diǎn)的重?zé)N類成分和其他氣體成分，因此 LNG的純度很高，甲烷含量為 97.5%～99.5%，而CNG中的甲烷含量只有 81.3%～97.5%。LNG燃料成分的單一性和一致性有利于發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比等設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，避免了乙烷、丙烷等成分的爆燃對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件造成的不良影響。

b）LNG 的能量密度是CNG的3.5倍，這表明LNG儲(chǔ)存效率更高，可以使車輛獲得較長(zhǎng)的行駛里程，或者說在相同行駛里程的情況下可以使車輛的總重量更輕，從而比使用 CNG有更好的燃料經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)儲(chǔ)存效率高也使 LNG更利于運(yùn)輸，擴(kuò)大了LNG使用的地域范圍。

c）LNG的儲(chǔ)氣瓶為具有絕熱夾層的壓力氣瓶,儲(chǔ)存溫度為- 162℃,儲(chǔ)存壓力稍高于1.0MPa,而CNG通常以 20～25MPa的高壓儲(chǔ)存在高壓氣瓶中,因此使用LNG更安全。

d）使用 LNG可以充分利用其低溫特性降低混合氣的溫度，從而降低燃燒溫度，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，同時(shí)降低 NOx 的排放。

e）使用 LNG易于使發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)負(fù)荷變化獲得更好的響應(yīng)性。

可見，LNG是一種比 CNG更具有開發(fā)潛力的車用燃料。LNG燃料開發(fā)和應(yīng)用的難點(diǎn)之一在于天然氣常溫下難以液化，因此LNG的制取比CNG要復(fù)雜，而且 LNG在常壓下只有保持在-162 ℃以下才能呈現(xiàn)為液態(tài)，故LNG的氣瓶和傳輸管路需要具有良好的絕熱性能，其設(shè)計(jì)制造相當(dāng)復(fù)雜。

4、LNG汽車經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 天然氣具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)

天然氣作為汽車燃料較燃油、液化石油氣等都

具有一定的能源價(jià)格優(yōu)勢(shì)。天然氣是一次能源，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所等單位在《中國(guó)天然氣發(fā)電政策研究綜合報(bào)告》中的研究結(jié)論是：“盡管天然氣價(jià)格也受國(guó)際能源供需形勢(shì)的影響，但影響沒有石油大，按等熱值計(jì)算，天然氣(包括LNG)在價(jià)格上比石油有優(yōu)勢(shì)。通過對(duì)韓國(guó)、印度的LNG進(jìn)口的價(jià)格計(jì)算公式進(jìn)行整理，得出表3：

分析可知，LNG比原油或作為二次能源的汽油、液化石油氣等均有一定價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而且原油價(jià)格越高，這種優(yōu)勢(shì)越明顯，且LNG因簽訂有長(zhǎng)期的照付不議合同，價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定，氣源供應(yīng)基本上有保障。

4.2 冬季汽車易發(fā)動(dòng)節(jié)省費(fèi)用

LNG汽車克服了汽油車、柴油重載汽車冬季發(fā)動(dòng)困難的難題，方便了用戶的使用，節(jié)省了費(fèi)用。

汽油車在冬季發(fā)動(dòng)困難是因?yàn)槠桶l(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)時(shí)，汽油中只有最輕組分蒸發(fā)形成混合氣進(jìn)行燃燒，若10%餾分餾出溫度過高，發(fā)動(dòng)機(jī)因混合氣中油氣過少而啟動(dòng)困難，啟動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)，增加了耗油量[6]。柴油餾分組成不能太重，小于300℃餾分的含量愈少，啟動(dòng)愈困難。

LNG基本上是純質(zhì)烷烴，其中甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到96%以上，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供了穩(wěn)定的可控制的空燃比，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能得到優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒平衡，相對(duì)于汽油車、柴油車，不存在發(fā)動(dòng)困難的問題，節(jié)省了燃料消耗。

4.3 可延長(zhǎng)設(shè)備壽命

以LNG為燃料的汽車，可延長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低費(fèi)用。由于天然氣燃燒完全，結(jié)碳少，減少氣阻和爆震，使發(fā)動(dòng)機(jī)壽命延長(zhǎng)2～3倍，大修理間隔里程延長(zhǎng)(2.0～2.5)×104km，天然氣汽車相對(duì)汽油車、柴油車年降低維修費(fèi)用50%以上[7]。

5、結(jié)束語

通過對(duì)LNG燃料的優(yōu)點(diǎn)、LNG汽車供氣系統(tǒng)技術(shù)方案、動(dòng)力性研究以及其經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面的論述，顯而易見LNG汽車在商用車市場(chǎng)占有一定的位置，并隨著LNG汽車各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展LNG將成為天然氣汽車的主要發(fā)展方向。LNG汽車憑借自己無與倫比的優(yōu)勢(shì)將會(huì)給我們帶來不可估計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1] 劉永志，彭曉青.四川省及重慶市CNG汽車與加氣站發(fā)展回顧[J].煤氣與熱力，2007，27(6)：21-25.

[2] 趙紅，張紀(jì)鵬，張鐵柱，等.青島市燃?xì)馄嚨陌l(fā)展[J].煤氣與熱力，2007，27(11)：12-14.

[3] 李秋利.發(fā)展濱海新區(qū)天然氣汽車的構(gòu)思[J].煤氣與熱力，2008，28(2)：B23 -B25.

[4] 張紀(jì)鵬，趙紅，吳彥，等.丹東市燃?xì)馄嚰扒鍧嵠囆袆?dòng)[J].煤氣與熱力，2009，29(9)：B08-B12.

[5] 徐飛，王文堂，王峰濤，等.化工節(jié)能技術(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：582.

[6] 王從崗，張艷梅.儲(chǔ)運(yùn)油料學(xué)[M].北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006：67.

[7] 王遇冬.天然氣處理原理與工藝[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007：221-222.

Analysis of LNG applications in commercial vehicles

Ke Xianzhi
(Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

Paper analyses and studies the LNG application in commercial vehicles, made a brief analysis of LNG vehicle market prospect, and from the advantages of LNG fuel, the LNG automobile gas supply system technical scheme, the research on dynamic economy four aspects has carried on the detailed in this paper. Studies show that LNG as a rising star, has the incomparable advantage, development prospect is very good.

LNG vehicle; Market prospect; Advantage; Gas supply systems; Power performance research; Economy

U469.75

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1671-7988(2014)03-14-04

柯賢志，就職于陜西重型汽車有限公司。