未来几十年理想的汽车替代燃料

东风汽车公司科技信息研究所 张少华编译
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　　一、引言

　　根据英国石油公司(British Petroleum )公司1999年的统计数据，全世界现已探明的天然气储量大约为145万亿M3，或者说为1 366亿吨当量石油。就热能上说，天然气储备接近于石油储备(石油储备为1410亿吨)。根据2000年世界天然气和石油的需求状况，天然气还够用63年，石油还够用41年。因此，天然气在全球能源储备上的重要作用不言而喻。如果近几十年能把天然气用作汽车燃料，就会极大地拓宽稳定的汽车动力能源的来源，以防止液态燃料的不足。

　　二、天然气是未来几十年最好的替代燃料

　　现在已知许多其它代用燃料，如液化天然气、醇类燃料(如乙醇及甲醇)、醚类燃料(首推二甲醚，因为它具有优良的性能，较适用于柴油机)，还有许多专家正在研究的未来型氢燃料。

　　在上述代用燃料中，天然气当之无愧是以后几十年人类首选的汽车燃料，这不仅是因为天然气的开采量在日益增多，而且还因为汽车改用天然气燃料在世界很多地方是可以办到的，更何况当今各国交通网日益发达、加气基础设施正在建设并日臻完善。

  

　　1-目前汽油车的排放标准；2-天然气汽车工艺排放标准；3-实际测得的使用天然气时的排放情况；

图1 1.59L天然气轿车在G10.15工况循环下的排放情况(测量单位为g/km)

　　数据来源：日本天然气联合会

　　根据国际天然气汽车联合会(IANGV)统计，世界天然气汽车总数现已经超过110万辆，快速加气站已经超过4000座，天然气汽车现已占世界汽车总数的0.2%，而且人们对天然气汽车的兴趣有增无减。

　　美国现有天然气汽车8.9万辆，根据其国家规划，到2010年，天然气汽车将达160万辆。其他一些国家也同样制定了类似规划。

　　天然气燃料具有良好的驱动发动机的性能，比如它的辛烷值较高，可以采用较高压缩比(小尺寸发动机可取14)，因此同汽油机相比，天然气发动机具有更高的燃料经济性。在把柴油机改为天然气发动机时，所获得的燃料经济性取决于其改装方法。

　　天然气发动机降低了有害气体的排放(见图1)。同柴油原型机相比，改装的天然气发动机的单位排放降低了，特别是颗粒排放特别少，因此不需要安装昂贵、目前性能又不太可靠的颗粒废物过滤器。CO、CH和NOx的排放只取决于改装的方法。应当指出，天然气发动机不向大气排放高分子量的碳氢化合物、硫、苯、烯类废气及醛类废气。

　　表1是同一辆汽车在使用不同发动机时的单位排放值。其中，采用在3.5MPa的压力下把天然气吸附在多孔活性炭中的储气方法(取代了通常以20MPa压力存储压缩天然气的方法)，汽车的排放情况最好。而且，气瓶压力降低能减少能耗及压缩时有害废物的排放。这种多室非圆形气瓶用铝合金制成，能较方便地安装到汽车上。

表1 .各种发动机单位排放的比较

　　* 非甲烷碳氢化合物

　　在以同样大小的普通压缩气气瓶在以吸附的形式存储天然气时，当气瓶内的压力降低到原来的1/6时，气瓶中的天然气存储量只减少了1/3，这样就可以减小气瓶质量，降低汽车能耗。从表1可以看出，当以吸附形式储存天然气时，汽车在较重要的循环中，NOx、SO2及CO2的排放降低了。

　　应当强调的是，在发动机稀薄燃烧时，如何使甲烷的排放达到将来的排放标准是天然气发动机研究工作中的一项艰巨任务。在使用一般的贵金属催化中和器时(α＞1)，由于存在着水蒸气及氮氧化物，即使在很高的温度下(400℃)，甲烷的氧化程度还是远远不够。因此，开发能有效氧化甲烷的中和器，是当前研制稀薄燃烧概念天然气发动机的迫切任务之一。
使用天然气能极大降低CO2的单位排放。



1.发展中国家；2.欧盟;3.瑞士;4.匈牙利;5.日本;6.俄罗斯;7.新西兰;8.澳大利亚;9.冰岛;10.挪威;11.美国;12.加拿大.

图2 京都会议制定的到2008－2012年各国应减少的CO2排放额度(与1990年相比下降的百分比)

　　图2给出的是，到2008 -2012年，各国应减少的CO2排放额度，这是在日本京都举行的联合国"改善气候"公约国第三次会议上制定的。交通工具排放的CO2在全球CO2总排放量中占较大份额，占20%左右，其中80%以上又是汽车排放的。

　　使用天然气时可极大地减少燃油润滑油的消耗。柴油机改为天然气发动机后，使用寿命可延长30～50%。在工厂直接生产天然气发动机的成本要比柴改气的成本低10%。但是考虑到储供气装置(其中一部分安在车上)，从整体上说天然气发动机的成本还是高一些。据俄罗斯汽车＆汽车发动机研究所国家技术中心估算，由俄罗斯里金客车厂生产的里柯斯-5256型柴油车改装为天然气汽车所需费用，在它投入运行9个月后就可收回，因为它减少了燃油润滑油的消耗。

　　火花点火式天然气发动机噪音要比柴油机低3～6 dB。它的起动性能也要比液态燃料发动机好。这是因为，首先，在混气过程中，燃油不需要加热和汽化，而且在起动天然气发动机时，不必使混合气富油，而液态燃料发动机在起动时，要使混合气富油，因此向排放了大量未完全燃烧的碳氢化合物。

　　莫斯科工业大学与俄罗斯汽车＆汽车发动机研究所技术中心进行的实验表明，当环境温度在-8℃以上、使用标准机油时，卡马斯柴油发动机改装成的天然气发动机(不带增压器、在2200r/min时功率为140～143kW、火花点火、集中喷射供气、量调节、压缩比为ε=13)，在起动时，不需要加热。在更低温度下，机油黏度增大会导致发动机起动转速降低，因此要把冷的柴油电加热到20℃。在这种情况下，从发动机起动后到加荷前，要在怠速状态下把发动机加热10～15min，对于露天放置的汽车，发动机准备加荷的总时间为35～45min.

　　天然气发动机的加速性能并不比汽油发动机逊色(这种比较性试验在原则上具有相同燃料供给系统及控制系统的发动机上进行)，但具有外部混气机构的天然气发动机，特别集中供气的天然气发动机同柴油机相比，柴油机的加速性能要好一些，但是，这是以增大油耗、颗粒排放及其它一些未燃烧产物为代价的。

　　欧美国家为了增加天然气汽车的数量，采取了提高燃气公共汽车舒适性、增加方便市民乘车的公共汽车站、在城市生活区设置燃气公共汽车行驶路线等措施，并给予天然气汽车一系列税收优惠政策。

　　三、天然气汽车的分类

　　莫斯科工业大学尝试了天然气发动机的各种研制方案，并把各种天然气发动机的主要性能指标作了比较。





图3 液态燃料发动机改为天然气发动机的分类

　　图3是按车载储气法和直接按动力装置把汽车分为几类。吸附储气法前面已经讲过。天然气以液态储存在-162℃的专用气瓶中，因为两层瓶壁之间为高度真空，所以能达到较为理想的绝热。液化天然气含杂质较少，存储液化天然气所使用的气瓶也比压缩天然气气瓶轻的多。但是，这种气瓶目前成本较高，而且在使用过程中还存在着漏气。另外，还得建立高产能的天然气液化工厂。

　　大部分天然气汽车采用的是《化学计量发动机理论》，并带有三元催化中和器；五种天然气汽车是采用的《稀薄燃烧发动机》理论，第一种理论用于改装汽油机，第二种理论用于改装柴油机单一天然气发动机通常靠火花点火，可由柴油机改装或者由汽油机改装。如果汽油机具有外部混气机构，那么改装后的天然气发动机同样具有外部混气机构。这两种发动机安装了三元中和器，其空气/燃料通常使用化学计量混合。

　　研制的天然气发动机较多采用集中供气，而未采用从进气管分配供给燃料。2000年在日本横滨天然气汽车会议期间举办的展览说明了这一点。

　　这是因为：

　　- 分配供气系统要比集中供气系统成本高得多。

　　-在使用天然气时，集中供气不是导致各个气缸混合比不同的原因。而向汽油机集中供给汽油、特别是喷射供给汽油时，各气缸混合比呈现不同。各气缸中的汽油分布得不太均匀，不仅数量不同，而且馏份各异。

　　-分阶段(与起动期一致)供气比较困难，这一问题目前还未完全解决。由于气阀必须保持足够大的通过截面，因此作用到气阀上的力增大，气阀开合的时间变长。为了完成极其精确地控制，气阀须在0.2～0.3 ms内快速动作，而轿车发动机从起动到达到额定转速的时间为5 ms。显然，以现有发动机结构，要求气阀在2.5～3 ms内快速动作，精确控制天然气流量是不可能的。试图增加气阀前的天然气压力，使气阀快速动作也是行不通的，因为这样做会降低汽车的行程。

　　提高天然气发动机的压缩比是比较可行的。俄罗斯的天然气成分比较稳定，含有98～99%的甲烷，因此在没有增压器的情况下，可把压缩比提高到13～14。当然，这是以发动机的结构能承受为前提的，否则，须开发不同于现有汽油机的新结构天然气发动机。

　　提高压缩比能提高燃油的经济性，减少汽油机改用天然气时出现的功率下降，极大降低有害废气及CO2的排放(CO2的排放降低是基于相同功率的发动机而言)。

　　在外部混气时，发动机功率出现下降，主要是由下列原因造成的：

　　-在空气/天然气混合气中天然气占有较大的分体积，因此进入气缸的空气较少。

　　-因为燃料毋须加热、汽化，在集中供气时，混合气被更多加热。

　　-天然气空气混合气的热值同汽油空气混合气的热值相比要低一些。

　　-由于平均指示压力降低，因而机械效率有所降低。

　　四、柴改气可采用不同方案

　　在以柴油机为原型机改装天然气发动机时可以采用下列方案:

　　1.应用化学计量混合气发动机方案，并使用三元催化中和器。

　　这一方案能使发动机排放的有害废气大为减少，具体为：NOX减少到1.0～1.5g/kW.h；CO减少到0.8～1.0 g/kW.h；CH(总计)减少到0.5 g/kW.h(在13级欧洲循环试验时)。在使用化学计量混合气时，发动机的功率要比原型柴油机大一些。在不使用增压器的情况下，它们的备用扭矩都有所增大，但是同柴油原型机相比，天然气发动机的燃料经济性明显降低，零部件的热负荷也相应增加，这就要求在发动机生产过程中，对柴油机、天然气发动机分别采用不同的材料及工艺，但由于天然气发动机的产量相对较小，这么做是不值得的。另外发现，天然气发动机的气门和气门座磨损明显加剧，这是由于天然气发动机在燃烧过程中，在气门和气门座表面没有形成象柴油机燃烧时那样形成的保护层。虽然还可以以汽油机为原型机改装天然气发动机，但是在这一点上也同样毫无办法。

　　2.应用稀薄燃烧方案(α＝1.4～1.6)。

　　要使天然气发动机保持原型机功率和最大扭矩，必须采用增压中冷措施(如果原型柴油机没有增压器)，外部混气的天然气发动机应安装增压器以提高压力，补偿由于天然气具有较大的分体积而导致进入气缸的空气减少。莫斯科工业大学的研究结果表明，带有增压器(α=1.6)的天然气发动机零部件的热负荷，要比相同功率不带增压器(α=1)的发动机的零部件热负荷低一些。采用这种方案，把柴油机改装为天然气发动机，其优势是能明显提高燃料经济性。天然气发动机的最大有效系数达0.38，比采用化学计量混合方案的天然气发动机高出10～12%，只比原型柴油机低10～12%。

　　康明斯L10-260G型天然气发动机在α=1.3～1.5时(使用了尾气中和器，以降低甲烷排放)，单位废气排放情况如下：NOX+NMHC 1.5～2g/kW.h；CH(总计)0.3 g/kW.h；微粒0.015－0.027 g/kW.h。

　　据莫斯科工业大学的经验，把燃气涡轮增压柴油机改用天然气时，只有当可变涡轮发动机的涡轮进气道最小有效截面比柴油机的更小时，才考虑使用增压装置。

　　3.开发一种天然气发动机，在节气门全开时，采用保持额定功率及最大扭矩的混合比，而在节气门非全开时，采用稀薄燃烧。

　　研制这种集中喷射供气发动机的经验表明，如果不使用尾气中和器，要想达到欧Ⅱ排放标准是不可能的。因为，要想达到原型柴油机的原有功率和扭矩，就必须降低空气过量系数(从α=1.55～1.38降到α=1.05～1.2)。当空气过量系数变小时，混合比趋近NOX排放量最大时的相应数值。因为同其他11级工况循环相比，最大扭矩及额定扭矩对按R49法令确定的NOX单位排放量影响甚大，因此按欧洲13级工况循环确定的NOX的单位排放量，要比欧Ⅱ排放标准规定的数值大得多。

　　重新吸入占吸入空气充量质量4.1～4.5%的冷却废气，可以把NOX的排放降低15～30%(在不同转速时)，但是这时发动机的功率和扭矩下降了4～11%。

　　向进气管喷射占空气充量质量5%的雾状水，可以把NOX的排放降低60～75%(在不同速度时)，这一排放指标优于欧Ⅱ排放标准(7g/kW.h)，但是，发动机的功率下降了7～8%。而且，如果汽车在环境温度低于零度、露天停放时，在汽车上储水是个难题。

　　尽管从理论上说，这一技术方案是可靠的，但是发动机供水系统很复杂，是一个不容忽视的问题。为了达到欧Ⅱ排放标准，另一种更可行的办法是把发动机的尺寸改动13～15%，相应增加过量空气。在不使用尾气中和器的情况下，NOX的单位排放也能达到欧Ⅱ排放标准。

　　4.发动机在节气门全开、α=1的状态下工作，而在其它状态下采用稀薄燃烧。

　　在这种情况下，必须使用带有λ探头反馈的燃料电控定量供给装置、在节气门全开时开始工作的三元尾气中和器。在这一方案中，同原型柴油机相比，天然气发动机有可靠性下降的危险。

　　把采用上述各种方案改装的发动机的性能指标，经过对比分析，发现第二种方案是最合适不过的。俄罗斯卡马汽车厂成功地应用该方案，以柴油机为原型机，开发了200kW的公共汽车天然气发动机，其NOX的排放量符合欧Ⅲ排放标准(5g/kW.h)，但是要达到欧Ⅲ排放标准所规定的CO及CH的排放量，就必须使用专门的尾气中和器。

　　根据图3所示的思路，莫斯科工业大学研究了汽油－天然气两用燃料发动机。模拟试验表明，当发动机改用天然气时，发动机的功率将不可避免地降低13～18%。当以集中供油式汽油发动机为原型机，改装两用燃料发动机时，发动机的功率下降得最为明显，这是因为：发动机的功率下降，不仅与燃料较大的分体积、较低的化学计量热值、较小的机械效率有关，而且还与天然气发动机要更多地加热混合气有关。

　　所以，在以汽油发动机为原型机改装天然气发动机时，这一种方案应用的最广。

　　5.同时使用柴油－天然气。

　　在同时使用柴油－天然气时，从理论上说，由于保持了原型柴油机较高的压缩比和质调节，所以具有很高的燃料经济性。但是应该看到，在负荷减少和质调节时，部分燃烧室内的空气－天然气混合气不易燃烧，导致发动机尾气中甲烷排放量较大，因此在部分规范下，必须采用量调节，但是与质调节时相比，燃料的经济性有所降低，而且发动机的调节系统趋于复杂化。

　　不能不注意到，发动机燃料供给装置中的一个重要零件──柴油发动机的喷射器的可靠性有所降低。在使用柴油－天然气时，它的温度急剧上升，因为同原型柴油机一样，热流停留在喷射器，而当发动机满负荷运行、发热强度最大时，喷射器的散热速度极大降低，这也加速了喷孔的焦化。

　　研制柴油－天然气发动机所取得的一系列成果，是建立在使用非常复杂的控制液态和气态燃料供给的微信息处理装置之上的。要知道，这种带有两套燃料供给装置的发动机，结构过于复杂、成本过于昂贵，也是其缺点之所在。这一评价对于两用燃料发动机来说不失公正。

　　同火花点火发动机相比，柴油－天然气发动机也有其它一些不足之处，这里不再赘述。

　　五、结束语

　　目前，各国在研制混合动力装置方面所所积累的经验，并不是很多，从现有的文献资料来看，混合动力装置的确能极大提高燃料的经济性和降低有害废气的排放，当活塞式发动机使用天然气时，就可明显感觉到这一点。对于如何使用天然气这个问题还要系统地进行研究，尽可能地考虑并搞清楚各种影响因素之间的相互关联。当然，如果要更好地使用这种混合动力装置，那就需要从根本上全盘改进汽车的结构。

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是表里吗？
【 在 xuppp (爱德华王子岛) 的大作中提到: 】
: 电动怎么还有废气排放……
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对哦，搞不懂  难道是指hybrid吗？ Nox还挺多的，呵呵。
【 在 xuppp (爱德华王子岛) 的大作中提到: 】
: en
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