國內外天然氣發動機開發及前景展望

　   隨著世界經濟的飛速發展，汽車保有量的急劇增加，汽車給人們帶來了極大的便利，對人類社會發展作出了巨大貢獻，但同時消耗大量的石油資源、排出大量的有害氣體，并對人類生存環境造成較大的危害，成為城市污染的主要污染源。為解決這一問題，人們一直在尋求改變能源結構，采用低公害的汽車代用燃料的途徑。國際上一些大的汽車公司相繼開發出電動汽車、醇類汽車、天然氣汽車。從技術成熟度、經濟性、易普及程度、資源等方面因素看，天然氣汽車優于電動汽車、醇類汽車。因此近年來世界上汽車總保有量超過7.5億輛，其中天然氣汽車保有量已超過600萬輛，加氣站數量6000座以上，主要分布在富氣貧油的意大利、新西蘭、阿根廷、印尼等國家和環保法規嚴格的美國、日本等。戴-克、康明斯、依維柯等國際知名公司都在不遺余力地大力研發和推廣各自的天然氣發動機（附表1）。特別值得一提的是，美國在LNG車用技術上處于領先位置，從推廣車型來看，LNG不但適用于城市公交車，同樣也適用于出租車和大型貨運車輛，尤其是長途車輛。從美國和歐洲的趨勢看，各國的天然氣汽車的研制重心已經由CNGV汽車轉向LNGV。我國燃氣汽車保有量目前已超過22萬量，19個重點推廣應用城市（地區）加氣站數量達712座以上。
 
　　天然氣汽車發展迅速的主要原因在于：

　　環境保護的需要　

　　天然氣汽車是清潔燃料汽車，尾氣排放少，環境污染少，與汽油車、柴油車相比，排放物降低情況如下：

　　在美國為了達到《1990年清潔空氣條例修正案》（CAAA）標準，天然氣已成為廣泛使用的汽車代用燃料。美國有31個州制定了強制使用天然氣汽車的辦法。紐約州制定了6年清潔燃料車的應用計劃，計劃到1996年燃氣汽車達到80%；德克薩斯州規定，1994年9月前，50%的校車、15%的公共汽車和政府機構汽車必須具有雙燃料的能力。

　　天然氣汽車技術日趨成熟　

　　天然氣汽車發展從上世紀30年代起，已有70多年的歷史，特別是經過近些年的發展，技術已趨于成熟，先進的電子技術和機械制造技術使天然氣汽車的安全性和控制性能得到保證，續駛里程由初始50～70公里提高到300-400公里以上；天然氣汽車氣瓶重量和加氣站的體積大為減少；給汽車加注天然氣同加注汽油一樣方便，快速充氣僅需２～５分鐘。

　　天然氣汽車基礎設施逐漸完備

　   隨著天然氣汽車的發展，天然氣汽車加氣站逐漸形成網絡。據估計，目前世界上已有加氣站6000座以上。

　　安全、經濟

　　與汽油、柴油及其它代用燃料相比，天然氣汽車的使用費用較低一般為汽油價格的50%，天然氣為高燃點的輕量氣體，在正常溫度和壓力下，危險性比汽油小。天然氣汽車冷啟動性能好，運行平穩，維修費用低（約為常規燃料車50%），直接用甲烷作燃料，不僅可大大降低汽車機械摩擦的耗損，延長使用壽命，且運行操作簡單方便，噪音也比燃油汽車降低40%。發動機使用壽命長。

　　政府制定優惠政策　

　　為保護環境，減少污染，許多國家政府制定一系列鼓勵性政策促進燃氣汽車的發展。如天然氣價格優惠、天然氣汽車稅費取費較低、生產燃料供給設備及建設加氣站等均在資金方面、稅收方面給予優惠政策。

　　二、我國燃氣汽車發動機的發展現狀

　　目前，國外CNG發動機已在廣泛應用第三代的技術，更先進的LNG缸內直噴技術已得到小批試用，其動力性、經濟性和排放俱佳，但其開發難度大，費用昂貴，成本也高，國內尚未開始研制。第一代產品是機械式，第二代屬于簡單閉環控制，第三代是采用電控噴射CNG技術。電控噴射CNG系統采用高壓噴射，通過節氣門傳感器，氣體流量傳感器，轉速傳感器，水溫傳感器，進氣溫度傳感器，壓力傳感器和氧傳感器等經過中央處理單元來控制點火、空燃比等。

　　我國燃氣汽車發展始于50年代，即低壓天然氣汽車。80年代中、后期天然氣汽車的開發及應用的步伐加快。國內大型汽車廠和發動機廠如東風、解放、上柴、濰柴、玉柴不斷加大產品開發力度，相繼推出了各自的產品在市場上推廣應用（附表1），主要產品分為單一天然氣燃料汽車和雙燃料汽車（天然氣／汽油或柴油）。

　　根據燃氣汽車使用天然氣的不同形態，可分為：壓縮天然氣（CNG），主要成分為甲烷，壓力一般在20-30MPa；液化天然氣（LNG），天然氣在超低溫（-162°C）常壓狀態下液化，天然氣經凈化處理后通過壓縮升溫，在混合制冷劑N2、C1、C2、C3、C4作用下冷卻移走熱量，再節流膨脹而得到液態天然氣，在標準大氣壓常溫狀態下，其體積約為同量氣態天然氣的1/625，天然氣液化后為標態體積的１／625，絕熱容器壓力為0.05-0.5MPa，液化天然氣的液化過程中幾乎完全去除硫、汞等雜質。兩種形態的燃料發動機在國內均已得到應用。

　　1、壓縮天然氣汽車　1988年我國分別從新西蘭、澳大利亞、加拿大等國家引進了CNG加氣站的全套設施、改裝汽車部件及高壓氣瓶。分別建站于南充、大慶等地。同時進行了加氣站設施及汽車改裝部件的國產化工作。目前，業內人士已普遍認識到采用單一CNG作為燃料的優點，國內主要發動機生產企業均在進行第三代天然氣發動機研發，正在不斷替換技術水平較低的機械式發動機。CNG車已在四川、重慶、北京、西安、內蒙、等地推廣。

　　2、液化天然氣汽車　是繼CNG汽車和LPG汽車之后于近年才開始發展起來的一種新型環保汽車，從本質上講也是天然氣汽車，但由于汽車攜帶的LNG比CNG具有更高的燃料密度、壓力低、所需燃料箱自重輕，汽車一次充氣的行駛里程（300～800km）較CNG遠得多，LNG同時又能像油品一樣運輸，同時具有CNG和LPG的優點，而克服了它們的不足，因此具有更強的實用性，且由于我國能源戰略結構的調整，今后將有更多的LNG資源通過進口進入我國使用，被認為是今后燃氣汽車的發展方向。目前在國內正在實施的LNG加氣系統有北京LNG示范加氣站，共有11輛公交示范車輛正在運營；烏魯木齊單一燃料LNG公交示范項目工程課題，有20輛單一燃料LNG公交示范車輛正在運營；長沙市單一燃料LNG公交示范項目工程課題，有52輛單一燃料LNG公交示范車輛正在運營，運行情況都正常。

　　三、我國天然氣汽車發動機發展前景

　　1、天然氣汽車對降低汽車排氣污染、節約石油資源具有重要意義

　　目前大中城市由于汽車尾氣造成的大氣污染相當嚴重，對人民生活造成了嚴重的災害。以某市環境為例，現汽車保有量僅100多萬輛，其大氣污染程度與國外400萬輛汽車大城市相當，市區的氮氧化物已連續多年超過國家標準，交通干線沿線超標更為嚴重。為此，政府各有關部門、部分高校、科研院所越來越重視天然氣汽車的開發、推廣、應用。國家產業政策亦鼓勵發展節能、低公害產品。

　　從1996年11月，全國汽車標準化技術委員會成立了天然氣汽車工作組，著手建立我國天然氣汽車標準體系；1997年9月，國家技術監督局批準成立天然氣和液化石油氣汽車標準化分技術委員會使我國天然氣汽車標準化工作全面展開。

　　 2、我國天然氣和液化石油氣資源較為豐富，具備發展天然氣汽車的基本條件

　　我國天然氣可采儲量令人比較樂觀。據調查，我國天然氣資源量約為38萬億m3 ，已探明的資源儲量為1.8萬億m3，為資源量的5%，可采300年左右。2005年，我國天然氣產量為300億m3，除用于化工原料和民用燃料外尚有剩余（約20%），其中部分天然氣被浪費（約10億m3）。據專家測算，10萬輛天然氣汽車耗氣約15億m3，僅為目前天然氣產量的7.5%。

　　3、燃氣汽車使用成本低，易被用戶接受

　　較經濟的使用成本是推廣天然氣汽車的有利條件，以我國汽油、柴油與天然氣現行價格比較，綜合考慮發動機使用壽命、維修費用、機油費用等因素，使用天然氣汽車經濟效益顯著。

　　四、國內外天然氣發動機產品技術

　　天然氣發動機主要采用以下一些技術：

　　絕大部分采用柴油機為基礎進行開發，以汽油機為基礎的僅占一少部分，主要是因為能利用柴油機的增壓中冷成熟技術。

　　燃燒采用稀燃技術較多而理論空然比燃燒的天然氣發動機也占一定比例。

　　天然氣缸內噴射技術。

　　天然氣發動機閉環電控技術。

　　天然氣零部件開發可靠性技術。如活塞、氣閥、氣閥座、噴嘴等。

　　天然氣催化器應用技術。