天然氣發(fā)動機市場優(yōu)勢解析及技術(shù)特點研究

潘永亮

摘 要：隨著近幾年國內(nèi)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，國家汽車保有量有了井噴式的增長，汽車已成為民眾日常出行最重要的代步工具，在此背景下，網(wǎng)約營運車也快速興起，據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止2018年，隨著網(wǎng)約車用戶規(guī)模的增加，其市場規(guī)模增加至2720.5億元，較2017年同比增加28.31%[1]。在油價不斷攀升，經(jīng)營成本居高不下的壓力下，越來越多的營運車主向市場提出了低成本燃料發(fā)動機的需求。同時，油耗及排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，也讓市場意識到清潔代用燃料需求的緊迫性。天然氣作為具有高燃燒熱值、高穩(wěn)定性、低成本、應(yīng)用范圍廣的清潔能源，逐漸在市場需求下嶄露頭角，躋身為最熱門的汽車代用燃料之一。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)約車;經(jīng)營成本;清潔能源;天然氣發(fā)動機;技術(shù)特點

1 引言

近年來，隨著我國汽車行業(yè)快速發(fā)展，其帶來的能源緊張和環(huán)境污染問題也日益凸顯，解決汽車需求持續(xù)增長帶來的能源緊張和環(huán)境污染問題迫在眉睫。同時，網(wǎng)約車的興起也讓越來越多的客戶對汽車市場提出了低運營成本乘用車的強烈需求。因此，尋找一個價格低廉的清潔能源作為汽車的代用燃料成為了各主機廠和售后改裝市場的一個重要任務(wù)。壓縮（液化）天然氣也就在此前提下，在清潔代用燃料中顯現(xiàn)出強大的優(yōu)勢，逐漸成為市場普及率最高的代用燃料。根據(jù)世界天然氣協(xié)會（INAGV）發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截止到2017年，我國天然氣動力車輛共608萬輛，相比前一年增加了50.4萬輛，增幅為9%。其中，CNG汽車保有量為573萬輛，相比前一年增加了41.4萬輛，增幅為7.8%; LNG汽車保有量為35萬輛，同相比前一年增加了9萬輛，增幅為34.6%[2]。從以上數(shù)據(jù)我們可以看出，國內(nèi)的天然氣燃料汽車已初具市場規(guī)模，并仍有較大的增幅空間。

2 CNG發(fā)動機市場優(yōu)勢解析

2.1 政策支持

2018年國務(wù)院發(fā)布的“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃”中要求，我國必須加快推進(jìn)國三及以下排放標(biāo)準(zhǔn)營運柴油貨車提前淘汰更新。2019年7月1日起，重點區(qū)域、珠三角地區(qū)、成渝地區(qū)提前實施國六排放標(biāo)準(zhǔn)，推廣使用達(dá)到國六排放標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)馄嚒?/p>

生態(tài)環(huán)境部等11個部門聯(lián)合發(fā)布的《柴油貨車污染治理攻堅戰(zhàn)行動計劃》也提出，2020年底前加快淘汰國三及以下標(biāo)準(zhǔn)排放標(biāo)準(zhǔn)運營柴油貨車100萬輛。據(jù)資料顯示，我國目前擁有國三以下的車輛總數(shù)為6326.3萬輛。這意味著，大量不合格車輛短期內(nèi)均需更新，將會有一部分車輛替換為天然氣汽車。

2.2 硬件設(shè)施支持

根據(jù)世界天然氣汽車協(xié)會（IANGV）2018年10月發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球87個國家和地區(qū)的天然氣加氣站保有量已達(dá)3.1萬座。在國內(nèi)，截至2017年年底，加氣站保有量已達(dá)8400座，同比增加了600余座，增幅達(dá)7.7%，居世界首位。

中石化在2018年發(fā)布消息稱，計劃在2024年前新建超1000座車用天然氣加氣站。中國燃?xì)庖舶l(fā)布公告稱，中燃集團(tuán)已和中海石油氣電集團(tuán)簽署了戰(zhàn)略合作的框架協(xié)議，尋求合作新建項目。加氣站的密度正在逐年加大，對于使用天然氣作為燃料的車輛續(xù)航的保障能力逐步提升。

2.3 排放法規(guī)更易達(dá)成

天然氣的主要成分是甲烷（CH4），通常CNG的甲烷含量在80-95%，LNG的甲烷含量在88%-99%之間。所以以天然氣作為汽車燃料，會有效減少污染物排放。根據(jù)筆者對天然氣車輛排放物調(diào)查對比，使用CNG代替汽油作為汽車燃料，可使顆粒物排放減少約40%，二氧化碳減少約24%，碳?xì)浠衔餃p少約72%，一氧化碳排放量減少約97%，相比汽油和柴油燃料，更易達(dá)成當(dāng)前國六階段排放法規(guī)要求。但是，由于天然氣的燃點高，缸內(nèi)燃燒溫度會較汽油機和柴油機偏高，這一特點對于氮氧化物的排放是不利的，可考慮由目前國五天然氣發(fā)動機采用的稀薄燃燒改為當(dāng)量燃燒，減少氮氧化物的排放。

2.4 綜合運營成本低

根據(jù)以上天然氣和汽油的燃料特性參數(shù)，我們對以壓縮天然氣做燃料和以汽油做燃料進(jìn)行計算對比如下：

1.對應(yīng)和每升汽油產(chǎn)生同等的熱量，燃?xì)庀牧浚?/p>

2.根據(jù)CNG發(fā)動機后市場改裝調(diào)研及作者對原廠開發(fā)CNG發(fā)動機性能摸底對比，同一款發(fā)動機，使用天然氣為燃料相比使用汽油燃料，發(fā)動機性能下降在15%～20%左右。在該前提下，同一車型綜合工況下燃油消耗量按照10L/100kM定義，那么對應(yīng)的燃?xì)庀牧抗浪闳缦拢?/p>

注：1.2為因發(fā)動機性能下降帶來的燃料消耗量提升系數(shù)。

3.當(dāng)前，在CNG發(fā)動機重點市場重慶地區(qū)的92#汽油價格為7.06元/L，CNG價格約5.04元/kg，對應(yīng)百公里燃料成本價格：汽油為70.6元/100kM，CNG為38元/100kM。

根據(jù)以上的計算結(jié)果，使用CNG為燃料綜合運營成本較汽油下降至少45%，對于客戶而言，這個運營成本的吸引力可見一斑。

3 天然氣發(fā)動機技術(shù)特點研究

3.1 核心系統(tǒng)

以天然氣為燃料的汽車由三大核心系統(tǒng)組成，分別是儲氣系統(tǒng)、供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。儲氣系統(tǒng)指儲存CNG/LNG的裝置，主要由天然氣儲氣瓶、高壓截止閥、氣量顯示器、壓力表、充氣閥、壓力傳感器及高壓管線等組成;供給系統(tǒng)主要由燃?xì)膺^濾器、高壓減壓器、燃?xì)鈬娚鋵?dǎo)軌（混合器）、燃?xì)鈬娚渥斓冉M成;控制系統(tǒng)是指ECU部件，根據(jù)發(fā)動機運行工況調(diào)整燃?xì)夤┙o量，針對雙燃料系統(tǒng)，可以切換控制噴油或噴氣，主要由ECU控制單元、燃料切換開關(guān)及相關(guān)線束組成。

3.2 性能特點

1.低溫啟動性能較汽油機差。由于天然氣的著火點比汽油高220℃，所以其要求的點火能量比汽油機更高，燃燒對火花塞的要求也更高。一般對于天然氣發(fā)動機，為保證其良好的點火性能需要采用高能量點火線圈和氣體機專用的火花塞。

2.性能較汽油機有所下降。由于單位體積內(nèi)氣體燃料相對液體燃料的混合熱值較低，動力性會有所下降，一般天然氣發(fā)動機的動力性較汽油發(fā)動機會下降15～20%左右。為盡量減少性能下降程度，考慮天然氣具有較高的辛烷值（130），抗爆震性能強，對CNG燃料發(fā)動機，可適當(dāng)提升發(fā)動機壓縮比;此外，天然氣燃燒速度比汽油慢，可適當(dāng)將點火提前角提前，但需綜合考慮點火提前角提前造成缸內(nèi)最大爆壓增加帶來的風(fēng)險。

3.各缸進(jìn)氣均勻性差異較大。燃?xì)鈬娚涫軐?dǎo)軌容積限制，會使發(fā)動機在高速高負(fù)荷工況下各缸的進(jìn)氣均勻性會有一定差異，高速時各缸燃燒不均勻，長期下來各缸的氣門和座圈磨損也會不一致。此外，氣體燃料的密度受環(huán)境溫度影響較大，會導(dǎo)致夏冬季節(jié)發(fā)動機性能差異偏大的情況。

4.可靠性較汽油機更嚴(yán)苛。天然氣中含有少量的硫或硫化物等有害成份;與汽油相比，本體及其燃燒產(chǎn)物不具備潤滑功能，燃燒溫度偏高、燃燒速度慢等特點無疑會加劇燃燒室內(nèi)相關(guān)零部件工作環(huán)境的惡化，其中影響最為明顯的是排氣門及座圈早期磨損，因此排氣門及座圈需采用耐高溫、耐磨性、耐腐蝕性及自潤滑性能優(yōu)良的材料。

3.3 安全性

天然氣汽車與汽油相比在安全性上具有一定的優(yōu)勢，而并非直觀感覺上的高危險性，其在安全性能方面主要有以下幾個特點：第一，天然氣相對空氣的密度低，為0.48，如果出現(xiàn)氣體泄漏，會快速在空氣中散發(fā)，很難達(dá)到遇明火而燃燒的濃度;第二，本身具有高燃點，前文中也已說到，其燃點比汽油高近220℃，所以與汽油相比更不易被點燃;第三，天然氣的爆炸極限窄，僅為5%～15%，在自然環(huán)境下達(dá)到爆炸條件比較困難。因釋放過程是一個膨脹吸熱過程，泄漏點周圍會迅速形成一個較低溫度區(qū);第四，整個天然氣的儲存及供給系統(tǒng)在設(shè)計上有嚴(yán)格的安全保障措施，對高壓系統(tǒng)使用的零部件，安全系數(shù)均選用1.5～4以上，在減壓調(diào)節(jié)器、儲氣瓶上安裝有安全閥，控制系統(tǒng)中，安裝有緊急斷氣裝置;第五，高壓儲氣裝置出廠前有100%安全檢驗，除開常規(guī)檢測，還需充氣作火燒、爆炸、墜落、槍擊等試驗，合格后，方能出廠使用。在全球開始發(fā)展天然氣汽車60年來，未發(fā)生過因天然氣爆炸、燃燒而導(dǎo)致車輛事故的事例。

4 結(jié)束語

在當(dāng)前能源消耗量巨大，傳統(tǒng)汽車燃料價格日益攀升，環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重的形式下，汽車行業(yè)的能源多樣化需求也愈加強烈。天然氣作為理想的清潔替代燃料仍有巨大的發(fā)展空間和探索價值。此外，結(jié)合當(dāng)前混動發(fā)展現(xiàn)狀，在以天然氣做燃料的發(fā)動機基礎(chǔ)上開發(fā)混動總成，也會是一個值得探索的動力方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]前瞻網(wǎng).2019年中國網(wǎng)約車行業(yè)市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[EB/OL].（2020-01-07）.https：//www.sohu.com/a/365221172_114835index.html.

[2]清潔能源汽車網(wǎng). 中國天然氣汽車保有量連續(xù)4年全球第一[EB/OL].（2018-09-20）.http：//cevhome.com/content/detail.php？id=1270&sid=4.