商用车未来新星 燃气车LNG/CNG发展趋势  2012-11-01    
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    随着时代的发展,对能源的需求越来越旺盛,从九十年代开始我国对原油依存度越来越高,2011年高达56.5%。同时原油有着战略地位,容易受国际形势、政治、海运环境等因素的影响,价格也是一路上涨。

    天然气相关知识

    LNG:液化天然气

    CNG:高压天然气

    燃点对比:

    柴油:燃点220℃;汽油燃点427℃。但汽油挥发性强,汽油蒸汽要对柴油燃点低。

    液化石油气(LPG):燃点490℃。

    天然气:燃点650℃。

    煤气:混合气体,燃点大于500℃。

    比重对比:

    液化石油气(LPG):与空气比重1.5-2,发生泄漏时往下沉积,易造成爆炸的安全隐患。

    天然气(NG):与空气比重0.58-0.79,发生泄漏时会很快往空中挥发,不易造成安全隐患。

    爆炸极限对比:

    液化石油气(LPG):1.7%-9.7%。极易发生爆炸。

    天然气(NG):爆炸极限5-15%。不易发生爆炸。

    从以上看出,天然气的各项安全性指标均高于常见的几种燃料,所以以天然气为燃料的安全性相对于其它燃料来说,安全性更高。

    CNG汽车:CNG采用高压20MPa,常温进行储存

    1、充气压力为20Mpa,安全性始终是一个潜在的隐患。

    2、充气时间长,直接影响到用户的经济效益。

    3、续驶里程短,需要建立更多的加气站方能满足加气要求,第一造成有限的资源浪费,第二也影响到用户的有效运行时间。

    4、气瓶的装载效率低,10Mpa压力下,一个140L的气瓶仅装载14m3左右的气体,若想能使一台10m左右的城市客车可以达到柴油车同样的行驶里程,一般需要8-10个气瓶,每个气瓶充满气后的重量超过100kg。对车辆的行驶安全性,燃料消耗率均造成较大的影响。

    LNG汽车:LNG仅是液化后的天然气,在提高气体质量的同时,克服了以上以CNG为燃料汽车不可克服的缺点。LNG为在-162℃低温储存,故要求钢瓶要有良好的保温性能,因此需要钢瓶为双层真空结构,为了保证钢瓶真空层长期处于真空状态,且具有更好的保温性能,要求在钢瓶内胆上缠绕保温材料,并增加吸附装置,吸附真空层中残留的空气。

    1、使用LNG作为燃料,一个335L的钢瓶,就能行驶500公里以上。完全解决了车辆的行驶里程问题。

    2、1个335L的LNG钢瓶自身重量225kg,充装满后的重量为353kg,相当于同样柴油车辆油箱加满油以后的重量。并且是在车架上安装,大大降低了车辆的重心。在提高使用经济性的同时,也同样提高了车辆的行驶安全性。

    CNG在汽车领域的相关利用技术要成熟于LNG,在国内推广应用比LNG普及。但LNG储存优势相当明显:LNG加气站占地面积小,投资较省;盛装公交车辆一天行驶所需燃料,LNG储罐更小、更轻;LNG加注较CNG快捷。故从技术、安全方面来看,CNG或LNG可以满足不同车辆的需求。

    同时我国是一个多气少油的国家,这样的能源供应环境下,燃气车的再次出现是必然的趋势。另外天燃气在排放方面具有明显的优越性,与使用汽油车相比,天然气汽车颗粒物排放几乎为零,NOx、CO和HC的排放也显著降低,所以天然气汽车在改善空气质量方面有着重要意义。

    近年发展

    我国于1988年建成第一个CNG加气站,截止2006年底,我国已建成天然气汽车加气站730多座,改装CNG汽车近20万辆。随着西气东输、川气东送等多条国家级天然气管道的铺设,合肥、南京、武汉、长沙CNG汽车都在规模发展,CNG加气站和CNG环保汽车更是在全国爆发式的增长。

    但是这些燃气车往往是在汽油机基础上改装而成,天然气的理化性质毕竟不同,长期使用对汽车还是有较大的损害,还不能充分体现天燃气的优势。

    1、汽油发动机吸气通道的进气歧管是按照适合于汽油混合气流动设计的,由于混合气体介质的变化,歧管过流断面大小和几何形状等对于天然气与空气的混合气的气流阻尼损失和流量都有比较大的影响。

    2、汽油是以雾状,液滴和壁面薄膜形式进入汽油机进气歧管的,对空气的进八影响不大,天然气为气体,混合气中占有一定比例,所以在气缸工作容积相同的情况下,以天燃气作为燃料时,进气缸的空气通减少,还有进气管是为汽油机设计的,它只在使用汽油时为最好可见由于充气系数的下降所引起的动力性下降除了天然气燃烧速度缓慢以及混合气热值的下降之外的主要原因。

    3、天然气燃点高,火焰传播速度比柴汽油慢,造成天然气机燃烧持续时间长,使燃烧的最高压力点偏离上止点而使发动机功率!油耗受到影响,若能提高点火能量!增大火花塞间隙!加大点火提前角,对实现天然气机的快速燃烧,缩短燃烧持续时间对其提高性能非常有利。

    现在,国内车企针对天然气相继推出了专用发动机。

    燃气车曾经存在的问题及对策

    1.发动机功率下降及其原因

    天然气汽车使用中的一个主要问题是发动机的功率比使用汽油时有明显下降。据资料报道,汽车在使用天然气作燃料时,功率一般要下降15%左右,个别时候下降更多。功率下降的结果,一方面导致汽车重载、爬坡或加速时动力不足,另一方面导致燃料消耗相对增加,并增加污染物排放量。天然气汽车的功率下降主要原因在于燃料本身的特性和发动机的构造。

    在燃料性质方面,汽油是液体燃料,而天然气是气体燃料。使用汽油时,液态汽油的体积与进气体积相比几乎可以忽略不计,但用天然气作燃料时,燃料本身的体积在整个进气中占有较大比例,因此导致进入气缸的空气量减少,充气系数下降,从而导致发动机功率下降。

    在发动机构造方面,决定发动机功率的主要因素是发动机的压缩比,压缩比越大,热效率越高,有效功率就越大。同时,压缩比越大,发动机爆震的倾向也越大。因此,发动机压缩比还必须与燃料的抗爆性相适应。汽油的抗爆性决定了汽油机的压缩比不可能太大,但天然气的抗爆性很好,完全可以用于压缩比较大的发动机,从而提高其功率。

    2.腐蚀与早期磨损及其原因(微量硫化合物硫化氢)

    汽车以天然气作燃料时,发现燃烧室部件明显腐蚀,甚至曲轴也出现腐蚀,气门、活塞环和气缸磨损严重,与使用汽油时相比,汽车大修期通常要缩短1/3-1/2。这是天然气汽车面临的另一个问题。天然气汽车出现腐蚀和早期磨损的原因是由于天然气中含有微量硫化合物(硫化氢),引起气缸、气缸壁的腐蚀与磨损,使发动机动力下降,使用寿命缩短,汽车大修期缩短。

    3.提高天然气汽车功率的措施

    3.1提高充气系数

    充气系数下降是导致天然气汽车功率下降的重要原因,从理论上讲,提高充气系数是提高功率的一种途径。但充气系数下降是由天然气本身的性质所决定的,从燃料方面显然无法解决这一问题,唯一的解决办法是采取进气增压措施。但进气增压无疑会加大发动机的体积和质量,在实施中存在一定难度。

    3.2适当提高发动机压缩比

    天然气的辛烷值很高,抗爆性非常好,如果直接在汽油机上使用天然气,就不能充分利用天然气的这种优点,提高发动机功率。如果将发动机气缸盖减薄一部分,提高发动机的压缩比,就可以提高发动机的功率,在一定程度上弥补部分功率损失。现在广泛使用涡轮增压技术已经很好的解决这一问题。

    3.3使用专用天然气汽车发动机润滑油

    天然气是气体燃料,使用中不会出现发动机润滑油稀释现象,因此可以使用粘度较低的润滑油,这样可以减少粘度造成的功率损失,提高发动机的效率。同时,天然气汽车专用发动机润滑油可以有效防止气门、活塞环等燃烧室部件的腐蚀与磨损,防止气缸压力下降引起的功率损失。

    在CA6102 天然气发动机台架上,对使用天然气发动机润滑油和使用ESC30汽油机润滑油进行了对比试验。试验中所用燃料均为天然气,燃料消耗量以天然气在标准状况下体积计算。与使用ESC30汽油机润滑油相比,使用天然气发动机润滑油可以增大发动机的功率和扭矩,降低燃料消耗率10%左右。

    4.减少腐蚀和磨损的措施

    4.1天然气脱硫

    如前所述,天然气汽车发生腐蚀和早期磨损的根本原因是由于天然气中含有微量硫化氢。因此,对天然气进行脱硫处理是减少腐蚀和磨损的重要手段。但对天然气进行脱硫处理,也很难将硫化氢完全除去,因此,天然气对发动机的腐蚀是很难完全避免的。

    4.2采用耐腐蚀材料

    采用抗硫化物腐蚀的金属材料制造发动机也是防止腐蚀的一个重要措施。但这种方法仅适用于新发动机的制造,对于现有发动机是无能为力的。

    4.3使用专门的天然气汽车发动机润滑油

    使用天然气汽车发动机润滑油代替目前使用的汽油机润滑油是防止天然气汽车发动机腐蚀的有效措施,这种方法不但简便,而且不增加成本。天然气汽车发动机润滑油与汽油机润滑油相比具有较高的碱值,有很强的酸中和能力。5万km行车试验表明,该润滑油能有效防止硫化氢的腐蚀,减少发动机磨损,延长发动机大修期 1/2以上。

    天然气发动机燃烧特性对机油性能的要求:

    发动机排气温度比柴油机高100℃-150℃,要求机油有更高的抗氧化性和抗硝化性;热负荷高要求机油运动黏度不宜过高,以保证良好的冷却性能。

    天然气的硫含量比柴油中的硫含量低,要求机油采用低碱值。

    采用氧传感器,要求锌、磷含量要≤300ppm,防止氧传感器和催化器中毒。

    综合气门润滑和活塞积碳问题,天然气发动机需要使用中等灰份的机油。

    5.结论

    a.天然气汽车功率下降的原因是由于充气系数下降和发动机压缩比较低;

    b.发动机早期磨损的原因是由于天然气中含有微量硫化物引起的;

    c.提高天然气发动机功率的措施主要有进气增压、提高发动机压缩比和使用专用天然气发动机润滑油;

    d.防止腐蚀和早期磨损的途径包括天然气脱硫、使用耐腐蚀材料制造发动机和使用专用天然气发动机润滑油;

    e.使用专用天然气发动机润滑油对提高功率和防止发动机的腐蚀与早期磨损都有显著效果,是一种简便、经济和有效的措施。

    经济性比较:

    天燃气车百公里气消耗为44立方米,天然气价格约为4.7元每立方米,这样百公里成本为206.8元。柴油按百公里35L油耗,0#柴油价格为7.8元 /L,成本为273元。这样每一百公里节约67元,一万公里就节省6700元,经济性十分可观。在北方尤其是新疆等天然气富足地区,成本则会更低。

    燃气车发展环境及趋势

    1、我国天然气资源量区域主要分布在我国中西部盆地。专家预测,资源总量可达40-60多万亿立方米,东有东海盆地,南有莺歌海-琼东南及云贵地区,西有新疆的塔里木盆地、吐哈盆地、准噶尔盆地和青海的柴达木盆地,北有东北华北的广大油田地区,中部有鄂尔多斯盆地和四川盆地。同时中石油被曝在四川发现页岩气,已探明储量1万亿立方米。初步估计中国页岩气够消耗三百年。同时可燃冰的成分也是天然气,因此短期内不用担心天然气资源的枯竭。

    2、国家在大力建设天然气网络,解决充气问题。截止至2009年底,已建成西气东输、川气东输、陕京线、忠武线、涩宁兰等天然气管道,全国骨干管网初步形成,西起新疆、南至广州、东至上海,建成天然气管道3.6万公里,总输送能力超过1000亿立方米,规划到2015年达到3000亿立方米。

    十二五期间,将形成全国性天然气管网,可望覆盖300多地级及以上城市,将天然气从储量丰富的新疆、四川、和山西输送至沿海地区,运输能力大大提高,天然气需求呈高速增长。2012年沿海城市建立12个LNG进口接收站,总量3500万吨,相当于二条西气东输管道的总量;在未来的12年内,将建成30万公里天然气管道,彻底解决运输瓶颈问题,城市天然气的需求将进入爆发增长阶段。加大天然气工厂和布站设点投资,到2015年可覆盖至少300地级城市。

    3、未来5年天然气重卡需求量将快速释放,国家环保不断升级换代,国IV、国V陆续实施;国III升国IV所需成本低使产品价格更具竞争力,天然气探明储量以40%年增幅增长,天然气车燃料成本低,与柴油车相比,天然气车可节省燃料费用40%,天然气重卡技术日臻成熟,将有助于解决天然气车的固有缺点。

    2010年全球天然气汽车的市场需求量为980万辆。市场需求量增长幅度最大的发展中国家是中国和印度,预计其市场需求量将增长20%,预计2011年全球天然气汽车产品的市场需求量将会比去年增长4.2%,其市场发展仍将会继续保持良好稳定的增长趋势。天然气重卡将成为市场中的新增长点,“十二五”期间是高速增长期,将成为各企业争夺的重要细分市场。预计今年行业销量5000辆左右,2012年10000-15000辆,2015年达到40000辆。

    4、国家新能源汽车里面并不包括天燃气车,其中比较成熟的是电动车,但是受相关配套设施及蓄电池关键技术的影响,难以满足商用车动力大,续航里程长的特点,长远来看,电动车会广泛用于乘用车,商用车领域则只能选择天燃气车。

    5、配套设施及相关产业发展。首先是充气站管道建设行业,然后是高压储气罐行业都会迎来一个黄金发展时期。

    总之,燃气车将越来越多的在应用在商用车领域。想想当年淘汰了的煤气包,正是应了那句老话,三十年河东,三十年河西啊!

文章来源:卡车之家



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