淺析LNG在商用車中的應用

柯賢志

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

淺析LNG在商用車中的應用

柯賢志

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

論文對LNG在商用車中的應用進行了分析研究，對LNG汽車的市場前景進行簡要分析，并從LNG燃料的優點、LNG汽車供氣系統技術方案、動力性研究以及其經濟性四個方面進行了具體的闡述。研究表明LNG作為后起之秀，具有無與倫比的優勢，發展前景看好。

LNG汽車；市場前景；優點；供氣系統；動力性研究；經濟性

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

1、LNG天然氣車市場前景

今年以來，我國各地出現持續性霧霾天氣，嚴重的空氣污染已經影響到人民群眾的日常生活。一邊是遏制污染的迫切性，另一邊是要保持經濟穩步發展，二者兼顧不容易，而發展天然氣等替代燃料則是兩全其美的選擇。

與此同時，新一屆中央政府明確提出要為建設“美麗中國”創造更好的生態條件，作為機動車污染大戶，商用車的節能減排刻不容緩。憑借豐富的燃氣儲量、技術相對成熟產業已成規模和顯著的經濟效益，可以預見，LNG商用車有著巨大的潛力。

2、LNG燃料的優點

液化天然氣LNG主要成分是甲烷，其作為一種優質燃料，具有潔凈、經濟、高效、資源豐富和儲運方便等優點，在整個能源結構中的比例逐漸增長。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，是一種優良的汽車發動機綠色代用燃料；其燃料成本、維護保養成本均較低，具有顯著的經濟效益；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 天然氣具有環保性

根據有關資料統計，城市大氣環境污染60%來自機動車輛的尾氣排放，公路網的大氣環境污染100% 來自機動車輛，因此對汽車尾氣進行治理刻不容緩。目前，采用天然氣作為車用燃料代替傳統汽油、柴油，是減少汽車尾氣污染的重要措施之一。大力發展天然氣汽車事業，提高清潔、高效、優質的天然氣能源在我國能源消耗中所占的比例，是堅持可持續發展戰略、優化能源結構、提高人民生活質量、保護環境的重要措施。

現通過以下計算，對比柴油、天然氣作為車用燃料的二氧化碳排放量。

根據C02潛在排放系數和燃料的平均低位發熱量，可計算出燃料燃燒產生C02的量。

① 基礎數據

根據國家發展和改革委員會節能信息傳播中心發布的數據，C02潛在排放系數見表1。C02潛在排放系數是指一種燃料燃燒或使用過程中單位熱量所產生的C02排放量。

表1 C02潛在排放系數

根據文獻[5]可查得各種燃料平均低位發熱量，見表2。損失較小，對大氣的有害排放污染物少。從燃料來源考慮，LNG汽車對環境保護是更有利的，具有一定的社會效益。

表2 各種燃料平均低位發熱量

2.2 有較高的經濟效益

在相同的當量熱值時，世界各國一般將1立方米天然氣的價格控制為1升汽油柴油的一半。如果各類發動機的熱效率比較近，則天然氣汽車的燃料費用大約是汽油車或柴油車的一半。這不僅彌補了由于汽車數量不斷增加而引起的液體燃料供應不足，而且使用汽車的運行費用大幅度降低。此外天然氣容易擴散，在發動機中容易和空氣均勻混合，燃燒比較完全、干凈、不容易產生積碳，抗爆性能好，不會稀釋潤滑油，因而使發動機汽缸內的零件磨損大大減少，使發動機的壽命和潤滑油的使用期限大幅度增長。這些都會降低汽車的保養和運行費用，提高汽車使用的經濟性。

2.3 比較安全

LNG汽車的氣瓶或氣罐等都很結實可靠。天然氣本身比空氣輕(LPG除外)，稍有泄漏，很快就會擴散到大氣中。氣體燃料系統的各個部件，特別是密封部分，都經過嚴格的檢查。因此，天然氣作為汽車燃料是比較安全的。

3、LNG汽車技術方案及動力性研究

② 計算方法

燃料燃燒產生C02的量按下式計算：

式中： mCO2——燃料燃燒產生C02的質量，kg；

mf——燃料消耗的質量，kg；

Q1——燃料平均低位發熱量，KJ/ kg；

k——C02潛在排放系數，kg/GJ。

將表1、2的基礎數據代入式（1），經計算得：

燃燒1t柴油產生的C02的質量mCO2=3.16t；

燃燒1t天然氣產生的C02的質量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供氣系統技術方案

3.1.1 系統組成和流程

車用LNG供氣系統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儲存瓶內壓力始終高于發動機要求的進氣壓力0.2Mpa以上，供氣管路上的調壓閥出口壓力設定比發動機要求的進氣壓力高0.05～0.1Mpa。

為維持瓶內高于發動機進氣壓力，我們采用了兩種技術方案：

1）氣瓶不帶自增壓，加氣站對儲存的LNG（-140～-162℃）進行加溫，使其飽和蒸汽壓達到發動機要求的壓力（LNG溫度不同，對應的飽和蒸汽壓不同），充裝到車用瓶內不調壓；LNG瓶正常工作溫度為-130℃左右；

2）氣瓶帶自增壓，加氣站不對儲存的LNG進行調溫，LNG飽和蒸汽壓的壓力盡可能低，這樣有利于LNG儲存、減少氣站排空損失；LNG充裝到車用瓶內后進行自增壓直至高于發動機進氣壓力0.2Mpa,并自動穩壓，LNG瓶正常工作溫度為-162℃以上；當LNG溫度高于-130℃時，可關閉自增壓系統 。

3.1.2 系統技術性能

1）供氣流量：根據發動機給定參數設定管件內徑；

2）供氣壓力：可在0.25～1.2 MPa內設定，工作時設定值波動±10PSI；

3）供氣溫度：可在10℃—40℃內設定；

4）系統有優先使用氣相功能，即當LNG瓶內壓力高于經濟閥設定值時優先使用氣相，保持瓶內壓力基本恒定；

5）系統有自增壓功能,即液體飽和壓力不足時,開啟自帶的增壓系統給瓶內增壓；

6）本系統充液時可悶充，無須接氣相，不放空；

7）充液速度可達40kg/分鐘；

8）本系統使用的液體溫度為-162℃～-110℃；

3.2 LNG汽車動力性研究

3.2.1 天然氣汽車發動機動力性研究進展

天然氣汽車發動機動力性下降的原因有混合氣熱值低和分子變更系數小以及充氣效率下降等諸多因素。混合氣熱值低和分子變更系數小是由于燃料分子中含氫比例較大造成的，對于天然氣，其分子結構是固定的無法改變。要提高天然氣發動機的動力性，只能從增壓、缸內直噴、降低進氣溫度、大負荷工況減氣增油等方面進行。天然氣辛烷值為115～139，比汽油高出50%，抗暴性能強，提高壓縮比、增大點火提前角也是提高天然氣發動機功率簡單易行的有效方法。

1）LNG發動機技術

目前，國內天然氣汽車的開發中采用的主要是CNG技術，在實際應用中遇到了如車輛行駛里程短、動力性、經濟性不夠理想、安全性能較差等問題，從而限制了其應用范圍。與之相比 LNG具有更多的優點：

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，深冷凈化處理過程中又分離出不同液化點的重烴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動機壓縮比等設計參數的確定，避免了乙烷、丙烷等成分的爆燃對發動機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儲存效率更高，可以使車輛獲得較長的行駛里程，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有更好的燃料經濟性。同時儲存效率高也使 LNG更利于運輸，擴大了LNG使用的地域范圍。

c）LNG的儲氣瓶為具有絕熱夾層的壓力氣瓶,儲存溫度為- 162℃,儲存壓力稍高于1.0MPa,而CNG通常以 20～25MPa的高壓儲存在高壓氣瓶中,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，提高發動機的熱效率，同時降低 NOx 的排放。

e）使用 LNG易于使發動機對負荷變化獲得更好的響應性。

可見，LNG是一種比 CNG更具有開發潛力的車用燃料。LNG燃料開發和應用的難點之一在于天然氣常溫下難以液化，因此LNG的制取比CNG要復雜，而且 LNG在常壓下只有保持在-162 ℃以下才能呈現為液態，故LNG的氣瓶和傳輸管路需要具有良好的絕熱性能，其設計制造相當復雜。

4、LNG汽車經濟性分析

4.1 天然氣具有價格優勢

天然氣作為汽車燃料較燃油、液化石油氣等都

具有一定的能源價格優勢。天然氣是一次能源，國家發展和改革委員會能源研究所等單位在《中國天然氣發電政策研究綜合報告》中的研究結論是：“盡管天然氣價格也受國際能源供需形勢的影響，但影響沒有石油大，按等熱值計算，天然氣(包括LNG)在價格上比石油有優勢。通過對韓國、印度的LNG進口的價格計算公式進行整理，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格競爭優勢，而且原油價格越高，這種優勢越明顯，且LNG因簽訂有長期的照付不議合同，價格相對穩定，氣源供應基本上有保障。

4.2 冬季汽車易發動節省費用

LNG汽車克服了汽油車、柴油重載汽車冬季發動困難的難題，方便了用戶的使用，節省了費用。

汽油車在冬季發動困難是因為汽油發動機在冷啟動時，汽油中只有最輕組分蒸發形成混合氣進行燃燒，若10%餾分餾出溫度過高，發動機因混合氣中油氣過少而啟動困難，啟動時間增長，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，啟動愈困難。

LNG基本上是純質烷烴，其中甲烷體積分數達到96%以上，給發動機提供了穩定的可控制的空燃比，使發動機的工作性能得到優化，發動機燃燒平衡，相對于汽油車、柴油車，不存在發動困難的問題，節省了燃料消耗。

4.3 可延長設備壽命

以LNG為燃料的汽車，可延長設備壽命，降低費用。由于天然氣燃燒完全，結碳少，減少氣阻和爆震，使發動機壽命延長2～3倍，大修理間隔里程延長(2.0～2.5)×104km，天然氣汽車相對汽油車、柴油車年降低維修費用50%以上[7]。

5、結束語

通過對LNG燃料的優點、LNG汽車供氣系統技術方案、動力性研究以及其經濟性四個方面的論述，顯而易見LNG汽車在商用車市場占有一定的位置，并隨著LNG汽車各項技術的發展LNG將成為天然氣汽車的主要發展方向。LNG汽車憑借自己無與倫比的優勢將會給我們帶來不可估計的經濟效益和社會效益。

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

[2] 趙紅，張紀鵬，張鐵柱，等.青島市燃氣汽車的發展[J].煤氣與熱力，2007，27(11)：12-14.

[3] 李秋利.發展濱海新區天然氣汽車的構思[J].煤氣與熱力，2008，28(2)：B23 -B25.

[4] 張紀鵬，趙紅，吳彥，等.丹東市燃氣汽車及清潔汽車行動[J].煤氣與熱力，2009，29(9)：B08-B12.

[5] 徐飛，王文堂，王峰濤，等.化工節能技術手冊[M].北京：化學工業出版社，2005：582.

[6] 王從崗，張艷梅.儲運油料學[M].北京：中國石油大學出版社，2006：67.

[7] 王遇冬.天然氣處理原理與工藝[M].北京：中國石化出版社，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

A

1671-7988(2014)03-14-04

柯賢志，就職于陜西重型汽車有限公司。