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LNG汽车的开发及存在的问题 |
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作者：福建省汽车工业集团公司 董必文 |
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摘要：本文指出天然气是地球上含量极为丰富而干净的能源，LNG（液化天然气）在低温储存技术解决之后，LNG 汽车的开发具备了必要的技术条件。我国的“西气东输”等天然气项目为我国LNG 汽车的发展创造了有利环境。汽车行业应开发单燃料天然气发动机，同时作好与LNG 生产部门的协调。
关键词：天然气 液化天然气（LNG） 天然气汽车
石油资源的世界性短缺，汽车排放对大气所造成的污染比重上升，人类不得不寻找新的清洁能源。天然气(主要成分为CH4)是优质清洁燃料和重要化工原料，是地球上三大能源（石油、天然气和煤炭）之一。目前已探明地球上可开采的天然气储量多于石油，特别是近几年科学家从深海中发现了“可燃冰”这种能源。据初步估计，地球上“可燃冰”所含的能量相当于石油、天然气和煤炭总和的三倍。美国和日本在开采“可燃冰”技术上投入大量精力，他们提出到2010 年实现对“可燃冰”的大规模开采。“可燃冰”其实是一种“固态”型式的天然气。1 体积“可燃冰”可分解成164 体积的天然气和0.8 体积的水。人类大可不必为石油资源的枯竭而担忧。
天然气燃烧所产生的温室效应是煤炭的48%，石油的54%。燃烧后基本无烟尘，其它有毒排放物也是最少的。天然气汽车与汽油汽车的排放对比在CO2 上下降21%，CO 减少24%~32%，HC+N0X 下降了40.9%；与柴油汽车对比烟度接近零，燃烧噪声也下降很多。近几年世界各国都加大了天然气在能源消耗中的比重。表1 为1998 年我国与世界的一次性能源消费结构对比表。表1 我国与世界一次性能源消费结构对比 （%）
 表中说明我国能源利用绝大部分是污染严重的煤炭。为了改变这种不合理的能源消费比例，“十五”期间国家花巨资实施了“西气东输”工程，向沿海人口密集、经济发达的地区提供天然气；并且在广东、福建开始建造接收国外LNG（液化天然气）的接收站；将东海天然气引上岸工程等等具有重大战略意义的可持续发展项目。这些都给发展天然气汽车创造了极为有利的条件。
天然气汽车有CNG（压缩天然气）汽车和LNG（液化天然气）汽车两种。目前世界上至少有100 多万辆天然气汽车在使用，其中大多数是CNG 汽车。国际上除美国外，从1992 年才开始大力发展CNG 汽车，而LNG 汽车由于LNG 的储存技术原因这几年才得以发展。这方面技术美国的研究处于领先地位。我国在1999 年4 月确定，京、津、沪等十二个城市为清洁汽车试点示范城市。截止2001 年8 月这十二个城市的燃气汽车（除天然气汽车外还包括LPG汽车—液化石油气汽车）达到近11万辆，其中CNG汽车只占2.5万辆。而LNG 汽车刚刚开始开发，但势头看好。北京市乘着2008 年申奥成功的东风，大力发展清洁汽车，2002 年已经开发成功首辆LNG 公共汽车，2003 年将首批开通五十辆LNG 公交汽车，并建造一座LNG 供气站。
CNG 汽车虽然发展较早，但由于CNG 成分不稳定而造成发动机功率和排放物的变化，以及储气罐体积过大，需高压（20MPa）储存等原因，在汽车使用范围上受到限制。LNG 在液化过程中对天然气进行了提纯，所以燃料组分变化小，是气体燃料组分最稳定的燃料。同时，同等重量的LNG 的体积大大小于CNG，有利运输携带。重要的是，由于真空隔热罐储存技术的完善，LNG 的低温储存难题得以解决，所以LNG汽车近几年得到显著发展。表2 是CNG 汽车和LNG 汽车的比较
 从表中看出，CNG 的组分除主要是CH4（甲烷）外，还有其他几种气体。不同气田生产的天然气其甲烷的含量不一样，一般在70%～95%之间，因此不同渠道的天然气在同一发动机上的功率输出和排放物会有很大差别。LNG由于液化过程经过纯化处理，气体组分稳定，甚至也可以象汽油、柴油一样建立不同质量标准牌号的LNG，这样发动机的燃烧就会稳定。因此对排气污染的控制就容易的多。LNG 的储存压力属于低压范围（0.05~0.5MPa）很安全。LNG 的密度是CNG 的2﹒97 倍，因此运输LNG 是很方便的。常压下1m3 天然气的热值略高于1L 汽油,而一体积LNG 相当于600 体积的天然气，这就是说一辆小汽车的油箱如若装60L 汽油，理论上需要100L 的LNG 才能产生同样的能量。在车辆上储存CNG 燃料箱的空间有限，目前CNG 汽车一次性充气的续驶里程只达到200～300km，而LNG 汽车的续驶里程可达800km。这样的续驶里程是用户可接受的。
燃气汽车的燃料成本比燃油汽车低很多。据资料介绍，在德国市场上天然气的价格比现在车用超级汽油（相当于我国的95 号汽油）便宜近50%，比车用柴油便宜近35%；据广东省有关部门预计，广东省从澳大利亚引进的LNG 在2005 年供气时1m3 居民用气价格大约为1.64 元，工业用气为1.40 元，而目前93号汽油的价格在3.00 元以上。显然，由于石油越来越成为极重要的战略物资，石油及其产品价格只会处于上涨趋势中。
总之，开发LNG 汽车从燃料后续来源的持久，使用后的清洁，使用中的低成本都比燃油汽车优越，是值得我们花精力给予关注的。LNG 汽车的开发有一些问题应给予注意。
1) LNG 需要在低温下（–163℃）储存，气化后进入发动机燃烧（发动机与CNG 发动机一样）。当汽车在运行时，气化了的天然气可以正常给予消耗，不会出现泄漏。但在停车较长时，管路和阀门的漏气将使汽车上的低压气体容器内的气压上升而造成危险，因此不得不在气体容器上设置安全阀排气，造成对大气的污染。国际上先进技术已能保证真空隔热储气罐和相关附件的气体泄漏量控制在安全范围内，LNG的日蒸发量小于1%才能保证容器的安全，还不污染大气。我国在这方面技术还须进一步提高。
2) 我国目前天然气发动机的研究主要以汽、柴油机为原机进行改造，改造后的机子效果不尽理想。由于1kg 天然气（CH4）较1kg 汽油在理论上完全燃烧所需空气量多2.3kg，所以将燃油发动机改造为天然气后，充气不足造成燃烧不完全，功率下降，有害排放物增加。研究表明采用中冷增压技术可以使改造后的天然气发动机各项指标恢复或略好于原发动机水平。但必竟天然气（CH4）与汽油（C7H15）和柴油（C15H28）燃烧反应有别，研发单燃料天然气发动机使其各个系统的设计趋于完善，如采用电喷控制燃烧、增加充气量、使用EGR 等，并配备专用的催化转化器，天然气发动机的排放可以做到与电动汽车媲美。
3) LNG 的加注方式和LNG 加气站的设备技术也需完善。LNG 加注的方便性、可靠性和安全性必须给予充分考虑。LNG 的加注时间太长，加注方式过于复杂都将影响LNG 汽车的推广。
4) LNG 在气化时产生大量的冷能（860～883kJ/kg）。在发动机设计或汽车设计时可以给予考虑，持别是一些专用汽车如保温车、医疗救护车等上面给予利用。
5) 我国在LNG 的生产方面发展比较晚，但这几年石油天然气部门正在给予规划。www.lng.com.cn网站上介绍了我国在液化天然气技术装备上的进展，目前LNG 低温储液罐的技术和产品已有企业在生产，中小型加工LNG 工厂设备正在试制中，国产大型LNG 运输船计划在三年后下水。能源部门为了实现国家对能源战略的调整，这些年做了大量工作，汽车工业也应适应这样的转移。天然气汽车的开发应提到日程上来。除了开发天然气汽车本身零部件外，LNG 在液化过程的提纯达到什么样质量标准，汽车行业应该积极配合，避免再出现燃油汽车在开始控制排放时有许多问题是因为燃油质量与发动机不相适应所造成的麻烦。
参考文献
1 张小虞等主编. 汽车工程手册 （设计篇）
2 中国汽车工程学会. 世界主要地区多种能源汽车发展研究报告. 西南汽车信息, 2002. 9
3 田在艺，张庆春，史卜庆. 21 世纪中国气资源勘探前景. 中国科学院网站, 2003. 4
4 陈曦等. 液化天然气汽车的应用优势及存在的问题. 石油与天然气化工, 2002. 6
5 陈赓良. 国内外天然气利用的现状与展望. 石油与天然气化工, 2002. 5
6 孙雪松，刘生全. 天然气特性参数的分析与计算. 陕西汽车, 2002. 2(end)
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(5/18/2005) |
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