浅析LNG在商用车中的应用

柯贤志

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

浅析LNG在商用车中的应用

柯贤志

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

论文对LNG在商用车中的应用进行了分析研究，对LNG汽车的市场前景进行简要分析，并从LNG燃料的优点、LNG汽车供气系统技术方案、动力性研究以及其经济性四个方面进行了具体的阐述。研究表明LNG作为后起之秀，具有无与伦比的优势，发展前景看好。

LNG汽车；市场前景；优点；供气系统；动力性研究；经济性

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

1、LNG天然气车市场前景

今年以来，我国各地出现持续性雾霾天气，严重的空气污染已经影响到人民群众的日常生活。一边是遏制污染的迫切性，另一边是要保持经济稳步发展，二者兼顾不容易，而发展天然气等替代燃料则是两全其美的选择。

与此同时，新一届中央政府明确提出要为建设“美丽中国”创造更好的生态条件，作为机动车污染大户，商用车的节能减排刻不容缓。凭借丰富的燃气储量、技术相对成熟产业已成规模和显著的经济效益，可以预见，LNG商用车有着巨大的潜力。

2、LNG燃料的优点

液化天然气LNG主要成分是甲烷，其作为一种优质燃料，具有洁净、经济、高效、资源丰富和储运方便等优点，在整个能源结构中的比例逐渐增长。天然气用作汽车代用燃料，与汽油、柴油相比，其二氧化碳排放量明显降低，是一种优良的汽车发动机绿色代用燃料；其燃料成本、维护保养成本均较低，具有显著的经济效益；泄漏后不易自燃，不易形成爆炸气体，较安全。因此，天然气是汽车较佳的清洁代用燃料[1～4]。

2.1 天然气具有环保性

根据有关资料统计，城市大气环境污染60%来自机动车辆的尾气排放，公路网的大气环境污染100% 来自机动车辆，因此对汽车尾气进行治理刻不容缓。目前，采用天然气作为车用燃料代替传统汽油、柴油，是减少汽车尾气污染的重要措施之一。大力发展天然气汽车事业，提高清洁、高效、优质的天然气能源在我国能源消耗中所占的比例，是坚持可持续发展战略、优化能源结构、提高人民生活质量、保护环境的重要措施。

现通过以下计算，对比柴油、天然气作为车用燃料的二氧化碳排放量。

根据C02潜在排放系数和燃料的平均低位发热量，可计算出燃料燃烧产生C02的量。

① 基础数据

根据国家发展和改革委员会节能信息传播中心发布的数据，C02潜在排放系数见表1。C02潜在排放系数是指一种燃料燃烧或使用过程中单位热量所产生的C02排放量。

表1 C02潜在排放系数

根据文献[5]可查得各种燃料平均低位发热量，见表2。损失较小，对大气的有害排放污染物少。从燃料来源考虑，LNG汽车对环境保护是更有利的，具有一定的社会效益。

表2 各种燃料平均低位发热量

2.2 有较高的经济效益

在相同的当量热值时，世界各国一般将1立方米天然气的价格控制为1升汽油柴油的一半。如果各类发动机的热效率比较近，则天然气汽车的燃料费用大约是汽油车或柴油车的一半。这不仅弥补了由于汽车数量不断增加而引起的液体燃料供应不足，而且使用汽车的运行费用大幅度降低。此外天然气容易扩散，在发动机中容易和空气均匀混合，燃烧比较完全、干净、不容易产生积碳，抗爆性能好，不会稀释润滑油，因而使发动机汽缸内的零件磨损大大减少，使发动机的寿命和润滑油的使用期限大幅度增长。这些都会降低汽车的保养和运行费用，提高汽车使用的经济性。

2.3 比较安全

LNG汽车的气瓶或气罐等都很结实可靠。天然气本身比空气轻(LPG除外)，稍有泄漏，很快就会扩散到大气中。气体燃料系统的各个部件，特别是密封部分，都经过严格的检查。因此，天然气作为汽车燃料是比较安全的。

3、LNG汽车技术方案及动力性研究

② 计算方法

燃料燃烧产生C02的量按下式计算：

式中： mCO2——燃料燃烧产生C02的质量，kg；

mf——燃料消耗的质量，kg；

Q1——燃料平均低位发热量，KJ/ kg；

k——C02潜在排放系数，kg/GJ。

将表1、2的基础数据代入式（1），经计算得：

燃烧1t柴油产生的C02的质量mCO2=3.16t；

燃烧1t天然气产生的C02的质量mCO2=2.00t。

与石油燃料相比，气体燃料在制备过程中能量

3.1 车用LNG供气系统技术方案

3.1.1 系统组成和流程

车用LNG供气系统包括专用车载低温绝热瓶、充装接口、安全限流装置、LNG汽化器、稳压器、压力显示等装置组成，其流程见下图：

供气必备条件：LNG储存瓶内压力始终高于发动机要求的进气压力0.2Mpa以上，供气管路上的调压阀出口压力设定比发动机要求的进气压力高0.05～0.1Mpa。

为维持瓶内高于发动机进气压力，我们采用了两种技术方案：

1）气瓶不带自增压，加气站对储存的LNG（-140～-162℃）进行加温，使其饱和蒸汽压达到发动机要求的压力（LNG温度不同，对应的饱和蒸汽压不同），充装到车用瓶内不调压；LNG瓶正常工作温度为-130℃左右；

2）气瓶带自增压，加气站不对储存的LNG进行调温，LNG饱和蒸汽压的压力尽可能低，这样有利于LNG储存、减少气站排空损失；LNG充装到车用瓶内后进行自增压直至高于发动机进气压力0.2Mpa,并自动稳压，LNG瓶正常工作温度为-162℃以上；当LNG温度高于-130℃时，可关闭自增压系统 。

3.1.2 系统技术性能

1）供气流量：根据发动机给定参数设定管件内径；

2）供气压力：可在0.25～1.2 MPa内设定，工作时设定值波动±10PSI；

3）供气温度：可在10℃—40℃内设定；

4）系统有优先使用气相功能，即当LNG瓶内压力高于经济阀设定值时优先使用气相，保持瓶内压力基本恒定；

5）系统有自增压功能,即液体饱和压力不足时,开启自带的增压系统给瓶内增压；

6）本系统充液时可闷充，无须接气相，不放空；

7）充液速度可达40kg/分钟；

8）本系统使用的液体温度为-162℃～-110℃；

3.2 LNG汽车动力性研究

3.2.1 天然气汽车发动机动力性研究进展

天然气汽车发动机动力性下降的原因有混合气热值低和分子变更系数小以及充气效率下降等诸多因素。混合气热值低和分子变更系数小是由于燃料分子中含氢比例较大造成的，对于天然气，其分子结构是固定的无法改变。要提高天然气发动机的动力性，只能从增压、缸内直喷、降低进气温度、大负荷工况减气增油等方面进行。天然气辛烷值为115～139，比汽油高出50%，抗暴性能强，提高压缩比、增大点火提前角也是提高天然气发动机功率简单易行的有效方法。

1）LNG发动机技术

目前，国内天然气汽车的开发中采用的主要是CNG技术，在实际应用中遇到了如车辆行驶里程短、动力性、经济性不够理想、安全性能较差等问题，从而限制了其应用范围。与之相比 LNG具有更多的优点：

a）LNG和 CNG的主要成分均为甲烷，LNG通过深冷前的净化处理几乎除掉了天然气中的全部杂质，深冷净化处理过程中又分离出不同液化点的重烃类成分和其他气体成分，因此 LNG的纯度很高，甲烷含量为 97.5%～99.5%，而CNG中的甲烷含量只有 81.3%～97.5%。LNG燃料成分的单一性和一致性有利于发动机压缩比等设计参数的确定，避免了乙烷、丙烷等成分的爆燃对发动机及其部件造成的不良影响。

b）LNG 的能量密度是CNG的3.5倍，这表明LNG储存效率更高，可以使车辆获得较长的行驶里程，或者说在相同行驶里程的情况下可以使车辆的总重量更轻，从而比使用 CNG有更好的燃料经济性。同时储存效率高也使 LNG更利于运输，扩大了LNG使用的地域范围。

c）LNG的储气瓶为具有绝热夹层的压力气瓶,储存温度为- 162℃,储存压力稍高于1.0MPa,而CNG通常以 20～25MPa的高压储存在高压气瓶中,因此使用LNG更安全。

d）使用 LNG可以充分利用其低温特性降低混合气的温度，从而降低燃烧温度，提高发动机的热效率，同时降低 NOx 的排放。

e）使用 LNG易于使发动机对负荷变化获得更好的响应性。

可见，LNG是一种比 CNG更具有开发潜力的车用燃料。LNG燃料开发和应用的难点之一在于天然气常温下难以液化，因此LNG的制取比CNG要复杂，而且 LNG在常压下只有保持在-162 ℃以下才能呈现为液态，故LNG的气瓶和传输管路需要具有良好的绝热性能，其设计制造相当复杂。

4、LNG汽车经济性分析

4.1 天然气具有价格优势

天然气作为汽车燃料较燃油、液化石油气等都

具有一定的能源价格优势。天然气是一次能源，国家发展和改革委员会能源研究所等单位在《中国天然气发电政策研究综合报告》中的研究结论是：“尽管天然气价格也受国际能源供需形势的影响，但影响没有石油大，按等热值计算，天然气(包括LNG)在价格上比石油有优势。通过对韩国、印度的LNG进口的价格计算公式进行整理，得出表3：

分析可知，LNG比原油或作为二次能源的汽油、液化石油气等均有一定价格竞争优势，而且原油价格越高，这种优势越明显，且LNG因签订有长期的照付不议合同，价格相对稳定，气源供应基本上有保障。

4.2 冬季汽车易发动节省费用

LNG汽车克服了汽油车、柴油重载汽车冬季发动困难的难题，方便了用户的使用，节省了费用。

汽油车在冬季发动困难是因为汽油发动机在冷启动时，汽油中只有最轻组分蒸发形成混合气进行燃烧，若10%馏分馏出温度过高，发动机因混合气中油气过少而启动困难，启动时间增长，增加了耗油量[6]。柴油馏分组成不能太重，小于300℃馏分的含量愈少，启动愈困难。

LNG基本上是纯质烷烃，其中甲烷体积分数达到96%以上，给发动机提供了稳定的可控制的空燃比，使发动机的工作性能得到优化，发动机燃烧平衡，相对于汽油车、柴油车，不存在发动困难的问题，节省了燃料消耗。

4.3 可延长设备寿命

以LNG为燃料的汽车，可延长设备寿命，降低费用。由于天然气燃烧完全，结碳少，减少气阻和爆震，使发动机寿命延长2～3倍，大修理间隔里程延长(2.0～2.5)×104km，天然气汽车相对汽油车、柴油车年降低维修费用50%以上[7]。

5、结束语

通过对LNG燃料的优点、LNG汽车供气系统技术方案、动力性研究以及其经济性四个方面的论述，显而易见LNG汽车在商用车市场占有一定的位置，并随着LNG汽车各项技术的发展LNG将成为天然气汽车的主要发展方向。LNG汽车凭借自己无与伦比的优势将会给我们带来不可估计的经济效益和社会效益。

[1] 刘永志，彭晓青.四川省及重庆市CNG汽车与加气站发展回顾[J].煤气与热力，2007，27(6)：21-25.

[2] 赵红，张纪鹏，张铁柱，等.青岛市燃气汽车的发展[J].煤气与热力，2007，27(11)：12-14.

[3] 李秋利.发展滨海新区天然气汽车的构思[J].煤气与热力，2008，28(2)：B23 -B25.

[4] 张纪鹏，赵红，吴彦，等.丹东市燃气汽车及清洁汽车行动[J].煤气与热力，2009，29(9)：B08-B12.

[5] 徐飞，王文堂，王峰涛，等.化工节能技术手册[M].北京：化学工业出版社，2005：582.

[6] 王从岗，张艳梅.储运油料学[M].北京：中国石油大学出版社，2006：67.

[7] 王遇冬.天然气处理原理与工艺[M].北京：中国石化出版社，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

柯贤志，就职于陕西重型汽车有限公司。