李永昌 教授级高工 中国汽车工程学会特聘专家 四川省清洁能源汽车产业协会副秘书长 浅谈我国天然气汽车 技术创新的几个选项 李永昌 教授级高工 中国汽车工程学会特聘专家 四川省清洁能源汽车产业协会副秘书长

一、前 言 自1989年我国开始批量推广CNG汽车，2006年开始批量LNG汽车以来，已经分别走过了27个年头和10个年头。 一、前 言 自1989年我国开始批量推广CNG汽车，2006年开始批量LNG汽车以来，已经分别走过了27个年头和10个年头。 目前，天然气汽车业已遍布全国31个省、市、自治区的300多个地级及其以上行政区域。

截至2015年底，全国天然气汽车的保有量已逾519万辆（其中LNG汽车保有量约23万辆），加气站约7450座，年耗天然气330多亿立方米。 无论是CNG汽车及其加气站保有量， LNG汽车及其加注站保有量， 还是车用天然气消耗量均居世界第一位！

这对于治理以雾霾为代表的大气污染和提高天然气在我国一次能源消费量中的占比，改善我国能源结构都作出了十分显著的贡献。 天然气业已成为我国第一车用替代能源！ 理应不断地加以总结、改进，推动其技术创新和技术升级，以期取得更佳的业绩。

二、不足与问题 毋庸讳言，我国天然气汽车推广应用实践中也存在一些不足和问题，制约了天然气汽车向更大范畴和更高层次进军，也影响了与其它车用天然气替代能源，如电能之间的竞争力。值得我们认真面对，深入研究。 初步归纳一下，目前我国天然气汽车存在着以下不足之处和问题：

1、油气两用车 燃用天然气的动力性低于原汽油车 发动机台架试验表明： 燃用天然气较燃用汽油的最大功率一般下降10%-15%； 燃用天然气较燃用汽油的最大扭矩下降10%左右。 此外，车辆的最高车速和加速性能也有所下降。

2、CNG汽车能量密度低，续行里程短 目前，燃用CNG的公交车和出租车，充气一次的续行里程仅有200公里左右。

简言之，很难达到国四排放标准！ 3、油气两用车的实际尾气排放情况不佳 按照规定，对油气两用汽车进行环保检测的需要分别对燃油和燃气两件工况进行检测。 不少地方的检测机构发现，两种工况的实际检测结果往往均比同类型的汽油车差。 简言之，很难达到国四排放标准！

4、LNG汽车的气耗偏高 从理论上讲，LNG较CNG气质更纯、热值更高，至少CO2等成份在液化过程应该清除掉,可实际使用结果往往却出现气耗反而高于CNG汽车的情况。 究其原因，不外二条: 一、行驶过程中或停放情况下，因LNG气瓶绝热性能变差而导致产生“BOG”现象，LNG蒸汽即从安全阀溢出，造成气耗高； 二、LNG供给系统的压力和温度均为变量，容易出现天然气供给量跟发动机不同工况的需求量不相匹配的情况，从而也会导致气耗高。

5、LNG部分零件的工作可靠性欠佳 如安全阀开启后回位不到位，引起冰堵现象（见下图）；

6、相关标准缺失和存在弊端 如至今尚未见“车用LNG气质”标准和“LNG车用瓶定期检验与评定”标准； 又如GB18047-2000《车用压缩天然气》中的热值要求等同于民用气，实在太低！

三、技术进步和升级的预期目标 1、动力性： 燃用天然气时，动力性不低于同类型的燃油发动机。 2、燃料经济性： 油气两用汽车1Nm3天然气代油量不低于1.1L汽油； 天然气单燃料汽车：1Nm3天然气代油量不低于0.9L柴油。 3、排放： 新车不低于国V标准；在用车不低于国IV标准。 4、续行里程： CNG乘用车不低于300公里；CNG商用车不低于500公里

1、适度提高CNG汽车供气系统工作压力等级 四、选项和举措 1、适度提高CNG汽车供气系统工作压力等级 为了弥补CNG汽车的“量密度低、续行里程短”这一突出缺点，拟将目前20MPa的工作压力提升至25-30MPa. 20MPa的工作压力是上世纪三十年初意大利开创CNG汽车时选定的压力等级。一直沿用至今已达80多年之久。现在气瓶制造的技术水平，气瓶材质的技术性能已有长足的进步。适当提高气瓶及其配备供气系统的工作压力，应当说在技术上是完全可行的。 美国已有25MPa、德国已有30 MPa的CNG汽车使用先例。而国内氢气储气瓶的压力等级据了解为35MPa。目前主要问题是需要修改《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2012）等相关技术标准。

2、适度提高CNG槽车气瓶压力等级 即便是对目前工作压力为20MPa的CNG汽车，为了CNG运输效率和槽车对子站内加气车辆的充气效率，也应将槽车上气瓶的工作压力提高至25MPa。 据了解工信部汽车产品目录中已有25MPaCNG槽车品种，只需修改GB50156中的20MPa的限制。 若今后CNG汽车上的气瓶压力提高了，槽车上的工作压力也应作相应提高。

3、研发乘用车用天然气发动机 国家《能源发展战略行动计划（2014-2020）》中明确提出要“稳妥发展天然气轿车”，而现在乘用车推广天然气汽车方面客观存在如上述的“油气两用”汽车的排放性能和动力性不佳与续行里程短等突出问题。 需要一方面提高车用气瓶压力等级，同时也需要研发小排量的天然气发动机。这种发动机上可充分发挥天然气辛烷值高的优点，通过提高压缩比的办法来提升发动机热效率，从而同时改善其动力性与燃料经济性。 针对天然气排气温度高、排气阀门座圈易烧蚀的缺点，选配耐热材料，来解决的问题。 此外，还可根据天然气的燃烧特性来设计燃烧室形状，匹配最佳而不是兼顾油气两种工况的电控系统，从而为家庭轿车使用天然气提供可靠的发动机支撑。

4、进一步减轻CNG汽车与LNG汽车及CNG槽车的气瓶重量 其实，国内一些制造企业近年来也在车用II型和III型瓶和槽车气瓶作了不少“减肥”工作，且取得一定效果。可喜的是目前碳纤维材料的国际市场价格有走低走势。这就为上述气瓶的减重提供了有利条件。 天海新产品：300L碳纤维铝内胆3型CNG瓶，25MPa,106kg 某LNG制造商最近将重卡上的两个LNG气瓶合并为一个大容积气瓶，据说重量可减少15%以上，还可以减少一套瓶上的阀门管道附件，也算得上是一种技术上的创新。

5、提高LNG汽车 供气系统的技术性能 5.1 提高LNG车用气瓶的绝热情况，研究气瓶真空度检验的合理周期和补抽真空标准；

目前，LNG汽车加注站对车辆的充装一般有高饱和蒸气压力（0.7-0.8MPa）和低饱和蒸气压力（约0.5MPa）等两种方式。 前者虽然可以省去自增压系统（因为对常规天然气单燃料发动机而言燃料喷射装置的工作压力正好也是（0.7-0.8 MPa），但是过高的充装压力会导致LNG加注站BOG数量增加也不利于安全。因此，这种充装方式不受加注站管理者的欢迎，同时由于LNG瓶内的压力偏高，LNG的温度也较高，致使气瓶内实际储存的LNG质量减少，续行里程自然也会随之减少，因此这种方式也不受驾驶员欢迎。 而后者的主要问题在于多了一套自增压系统可能造成LNG泄露甚至酿成安全事故。 笔者推荐的这种方法两全齐美。既采用了低饱和蒸气压力进行充装，又不需要配备自增压系统。该项技术的决窍在于将天然气的喷射装置的压力选择为0.35MPa左右。当然还需要考虑增大喷嘴口径，以确保天然气的喷射量能够满足各种发动机各种工况的需要。

6、天然气加氢技术 （1）HCNG的由来 （2）HCNG的优点 （3）实际试验效果 （4）关键在于氢气的价格 （5）最新动态

（1）HCNG的由来 所谓HCNG就是在CNG中掺加一定比例的氢气（一般20%）。 2006年，清华大学率先在国内开展HCNG的发动机试验，2011年又与山西国新能源集团合作，在山西运城的河津市建立了我国第一座HCNG加气站；规模为1.5万立方米/天。在20辆大卡车和10辆出租车上进行HCNG的运行试验工作。该加气站采用的是“先加压后混合”的方式，即先将氢气和天然气分别通过压缩机加压到25MPa之后，再按2：8的比例送入一个高压钢质气罐（混合撬）里混合，然后通过售气机向车辆加气。

（2）HCNG的优点 氢气和天然气具有相近的燃烧特性，混在一起还能收到优势互补和取长补短的作用。HCNG具有以下突出优点： ② 由于氢气的掺入，提高了燃料的H/C比，燃料本身减少了CO、CO2的生成，即降低了温室气体的排放。 ③ 由于氢气的点火能量低，无需CNG那样配置高能点火系统。 ④ 氢气的可燃空燃比界限较宽，稀薄燃烧极限达0.068（相对燃空比）。因此，有助于拓宽可燃混合气的燃烧界限，实现稀薄燃烧，不但可以提高热效率，同时还可降低氮氧化合物和碳氢化合物的排放。

（3）实际试验效果 据清华大学十年来的HCNG发动机试验结果表明：HCNG汽车可以比传统CNG汽车节约7%以上的燃料，而汽车尾气排放可以轻松达到国V标准。该项成果已通过国家能源局组织的技术鉴定，并获北京市科技成果一等奖。

（4）关键在于氢气的价格 HCNG能否大规模推广，主要取决于氢气的单价，不能超过当地CNG的终端销售价格。

（5）最新动态 清华大学与扬州市合作，拟建设国际首座商用HCNG加气站和大规模HCNG城市客车示范车队。 国家能源局已批准，河北沽源风电制氢综合利用示范项目，总投资20.3亿元。 吉林省松原市风电制氢综合利用示范项目正在建设规模为15万立方米/天的HCNG加气母站，可为5个子站提供HCNG供汽车加气用。该加气站拟采用“先混合后加压”的方式，即将压力相同的低压氢气和天然气按2：8的比例先送入混合撬内进行混合，然后再送入HCNG压缩机进行加压至25MPa. 四川乐山某水电站正在筹建富余水电制氢基地。 扬州HCNG汽车加气站示范项目设计效果图（见下页）

7、开发中长途 CNG公路客车和CNG重卡 即使在目前20MPa工作压力和II型车用气瓶的现实条件下也可以尝试开发红续行里程不低于500公里的CNG公路客车和重卡。 国内已有新疆、山东等地尝试使用了CNG公路客车。 此外，印尼雅加达到万隆的长途客车使用的CNG客车； 俄罗期嘎斯集团的CNG长途客车的续行里程为400公里，车上装有5支气瓶，水容积共计为123L； 美国菲亚特克莱斯特公司于2015年12月宣布拟投资4000万美元将约200辆柴油卡车改为CNG。

公路客车和重卡 使用CNG与LNG相比有如下优点 7.1 新车购置费至少低2万元以上； 7.2 没有BOG现象； 7.3 多数地区CNG气价比LNG低； 7.4 CNG加气站数量较LNG加气站更多； 7.5 如果偶然出现抛气锚现象很容易通过车对车的充气方式处理； 由此可见，以上诸多优点足可以弥补CNG能量密度比LNG低约一半的这一缺点。如果今后CNG气瓶压力等级升级后则续行里程还可以有较大幅度地增加。

意大利的美塔特龙公司、郎第公司、加拿大的西港公司、 8、研发高性能的 天然气发动机电控系统 目前我国天然气汽车的发动机管理系统几乎是北美、西欧、日本的 其中较为著名的： 意大利的美塔特龙公司、郎第公司、加拿大的西港公司、 德国的波许公司、美国德尔福公司、 美国伍德沃德公司、日本电装公司。

参考文献 1、提高天然气汽车动力性和经济性;作者：李永昌;《汽车技术》1991年第三期 2、研发天然气发动机;作者：李永昌;《中国天然气汽车》2012年第八期 3、浅淡开发中长途CNG公路客车的可行性;作者：李永昌;《中国能源网》2014.8.8 4、高性能天然气家庭轿车技术要点研讨;作者：洪讵;《中国天然气汽车》2015年11期 5、不带自增压系统的LNG汽车新的天然气供给方式;作者：卢正义、李永昌；《中国天然气汽车》2015年第12期

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