城市天然氣公交車輛動力匹配技術研究

王 單

昆明華潤車用燃氣有限公司，云南昆明 650222

1 天然氣城市公交車輛發展現狀分析

目前，中國已經成為世界上最大的汽車消費市場，一方面源于我國經濟實力的不斷增長，另一方面則源于社會生產、生活形態的變化，在城市化發展背景下，汽車逐漸走入了個體家庭，成為重要的交通代步工具。但是，除此之外還有一個不容忽視的事實是，隨著我國汽車數量的不斷增加，石化燃料消耗所造成的生態環境破壞也越來越嚴重，較為典型的如城市空間的霧霾等有害氣體等。不僅如此，以傳統石化能源為基礎發展汽車工業，對于我國有著很大的不利條件，這與我國能源結構現狀有密切關系——煤炭多、石油少、天然氣豐富，在這種背景下，積極研究天然氣為燃料的汽車產品具有重要的現實意義。

結合現狀分析，國外以天然氣為燃料發展汽車工業的時間較早，20世紀20年代就已經出現，并將其應用在解決燃油短缺策略中。1986年國際天然氣汽車協會（IANGV）成立，掀起了探索天然氣為燃料的汽車研究高潮。

相對而言，我國天然氣汽車研究起步較晚、時間較短，但發展速度很快，從20世紀80年代開始，國內各大城市都開始了推廣天然氣汽車的嘗試工作，城市交通系統是重點參與對象；究其原因，主要是推廣天然氣為燃料的汽車動力系統存在障礙，發展初期天然氣燃料補充系統（加氣站）不完善，數量少且分布均衡，社會車輛難以保障供給，相應的公交車運營路線固定，可以在公交車站及沿途中心點設置加氣站。也因為這種技術不完善性，很長一段時間內公交車輛同時具有燃油和天然氣兩種動力系統。

近年來，隨著城市公交系統的交通重要性越來越突出，以及節能、排放法律法規越來越嚴格，促使城市公交車輛全面轉向新能源（其中就包含天然氣車輛）領域。這樣不僅可以減少生態環境的負面影響，同時也可以極大地縮減公交運營成本。研究表明，汽車動力傳動系統的匹配性，直接影響公交車輛動力性、經濟性的平衡。其研究方式，可以通過虛擬實驗技術模擬汽車運行狀態下的累計油耗、瞬間油耗、行駛距離、行駛時間、傳動比、空氣阻力系數等，為天然氣城市公交車輛動力匹配提供科學依據。我國目前也開始了相應的軟件系統研究，如一汽集團開發的“汽車動力性經濟型模擬計算機軟件（EP）”。

2 天然氣為車輛燃料應用的技術要求與分析

2.1 車用天然氣標準

天然氣作為燃料應用的主要有效成分為烷烴，甲烷所占比例最高，此外包括一乙烷、丙烷、丁烷等有效成分。但除了有效成分之外，天然氣本質上是一種復雜的混合物質，包括了氣態、液態、固態等多種混合形式，僅氣體中的非有效成分就多達幾十種，如二氧化碳、氮氣、H2S、氦氣等；從化學屬性上說，經過脫硫處理的天然氣（標準狀況下）對大氣環境的影響很小，主要排出物為二氧化碳和水，并且與煤炭相比所產生的二氧化碳量不足40%，不會產生廢渣、廢水等，安全高效、綠色環保。從物理屬性上說，常溫狀態下天然氣壓縮之后不能被液態，密度為0.7174kg/Nm3，相對密度（水）為0.45（液化）燃點（℃）為650，爆炸極限（V%）為5～15。

天然氣分為壓縮天然氣和液化天然氣兩種，對比而言，壓縮天然氣的成本較低，常溫下生產壓力為0.3MPa，運輸與使用中的壓縮天然氣（CNG）壓力介于10～25MPa之間，是天然氣加壓并以氣態儲存在容器中。液化天然氣（LNG）是天然氣經壓縮、冷卻至其沸點（-161.5℃）溫度后變成液體儲存在容器中。

車用天然氣存在一定的標準要求，其標準中，較為重要的三個分別是硫化氫、水分和雜質。硫化氫是一種腐蝕成分，它在天然氣中的成分過高，容易導致“氫脆現象”，并且含量過高所產生的尾氣也會嚴重污染大氣。水分決定了天然氣的動力效率，因此無論何種用途的天然氣產品，事先都要進行脫水處理，車用天然氣脫水處理后要達到0.1×10-6的水分體積分數含量標準；當然，以此標準為基礎，含水量越低越好。“雜質”包括的范圍較廣，天然氣被開采過程中會混入一些碎渣，必須進行清除以防止進入汽車系統內部。

2.2 天然氣在城市公交車輛應用的優勢

一方面，低排放率的優勢。天然氣被列為“清潔能源”，其排氣污染要遠比燃油汽車低。主要的污染氣體指標中，一氧化碳對比可降低90%，碳氫化合物減少70%，這對于改善城市大氣環境有重要的意義。

另一方面，高安全性的優勢。天然氣存儲于密閉度較高的容器內，相對于燃油油箱的“敞開式”結構更為安全。同時，天然氣的燃點是645℃，比汽油燃點高218℃。相比而言，天然氣的安全性比汽油要高，高壓儲存的天然氣在運輸或使用過程中，一旦泄漏，天然氣會從周圍環境中吸收大量的熱，甚至會產生結冰現象，從而降低了燃燒爆炸的幾率。

此外，使用天然氣作為車輛燃料更為經濟。目前，國內汽油價格波動較大，價格穩中上升，增加了車輛的運營成本；而天然氣的儲量高、價格低、使用方便，在成本上要低于汽油機或柴油機費用的45%左右。當前世界范圍內石油價格不斷飆升，并呈現日漸匱竭的態勢，這導致燃油價格不斷上升，并最終會被新能源取代，因此積極研究天然氣車輛燃料應用具有長遠性優勢。

3 天然氣公交車輛動力傳動系統匹配研究

3.1 案例工況

結合案例分析，針對某城市所使用的公交車輛運行工況展開分析，呈現出規律為：先加速、后勻速、再減速，按照這一過程展開循環。基于6115-3型號柴油公交車，公交車站距離約為1～1.5km，采用K市典型公路線路況展開對比研究，采用ECE城市循環標準，整個案例循環過程800s，行駛距離3.951km最高車速達到50.2km/h，平均速度為25.4km/h，其中怠速時間占據240s，約為全部實驗時間的30%。

3.2 實驗匹配

采用6115Q液化天然氣公交車為對比試驗車型，發動機型號WP7NG240E40、變速器型號HC6S-120X2、驅動橋型號420-5.286，該車型的發動機的萬有特性曲線，表明運行中將天然氣發動機的燃料消耗率換算為正常運行中柴油的消耗率，以此為依據計算，所得到的數據可視為每百公里柴油的用量。

同樣采用ECE城市循環標準，燃料消耗統計為7.28L/l00km，輛原地起步連續換檔加速到50km/h車速的時間為15.8s，直接檔由30km/h車速加速到60km/h車速的時間為25.0s，以上數據符合液化天然氣公交車輛制造企業的技術標準。

3.3 計算結果與分析

結合柴油、天然氣兩種城市公交車輛的數據對比，原地起步連續換檔加速達到50km/h車速的時間為15.5s，直接檔從30km/h車速加速達到60km/h，所消耗的時間為24s，明顯柴油動力優于天然氣動力。但對比接近公交車行駛工況的ECE城市循環的燃料消耗量，液化天然氣為37.28L/100km，原型柴油車為31.96L/100km，天然氣車比原型柴油車高5.32%，這是一筆很大的成本消耗，因此在未進行動力傳動匹配之前，液化天然氣的優勢并不突出。

分析可知，以天然氣為燃料的公交車運行中，動力匹配合理性與柴油為燃料的情況存能耗大的特征，這一點并不符合天然氣“高效性”特征，應將此作為分析、研究和解決的重點方向。對比之下，兩種燃料的公交車動力匹配差異主要存在于發動機測光面，其中天然氣采用的是點燃式發動機，而柴油發動機采用的是壓燃點火，在發動機運行上，天然氣發動機采取的是奧托循環，相對于柴油發動機的狄塞爾，表現出較低的指示效率，這是形成能耗過高的主要原因。同時，結合實際應用，公交車在市區運行的環境中，起步、停車十分頻繁，能夠保持平均車速的時間不多，怠速時間較長。

基于以上，發動機差異與公交車動力匹配不變的共同作用下，以天然氣為燃料的公交車在能耗上略顯劣勢，因此需要調整車輛動力總成技術參數，使其更符合城市交通運行的需要。

3.4 優化策略

天然氣公交車輛在未來城市空間發展趨勢明顯，基于公交車輛運行環境的特征，能耗降低的主要方向是實現動力總成參數的最優化，可從兩個方面入手：（1）降低后橋主減速比；（2）改變變數器數比。結果表明，液化天然氣車輛原地起步連續換檔加速到50km/h車速的時間為15.8s，直接檔由30km/h車速加速到60km/h車速的時間為24.5s，優化效果較為明顯。

4 結語

總體而言，天然氣作為一種高效清潔的能源，在城市公交車輛運行層面具有重要的發掘價值；并且節能降耗，保護大氣環境，走資源節約型的發展道路是我國當前必然的戰略選擇。而城市清潔能源公交車輛的推廣應用，是發展清潔交通、推進綠色出行的重要舉措。

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