天然气汽车的经济性分析

何田，潘江如，印治涛

（1.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

前言

从现实需求出发，文章着重分析天然气汽车和汽油、柴油等传统燃油汽车的燃油消耗量的经济性对比，具有重要的现实经济效益。目前的文献中，大部分是将传统燃油汽车与纯电动汽车的全生命周期成本进行了系统性的对比分析，天然气是最清洁的可再生性能源，应是当下作为汽车能量消耗的主要研究对象。相比传统性的混合型动力汽车 ，天然气汽车不仅仅是在有害气体（CO、NOX）、温室气体CO2的排放问题上做出了巨大的贡献，而且天然气汽车还提高了车辆的动力性能。因而，天然气汽车的前景接受度可能性相对高于以前的燃油汽车和纯电动型汽车。

天然气与之前的汽车燃料相比，比如汽油、柴油，天然气具有很多方面的优势，天然气资源丰富，燃烧污染小，经济性能更好，而且更加的安全。天然气同时也对国家又好又快发展是有益的，提供广大的源泉与动力。包括中国在内的世界各国，资源短缺和环境污染问题日趋严重，这也就使得人们对于排放污染小的燃料的需求量越来越大，这样肯定会导致清洁型资源在消费观念中有了大幅度的提升，比例平均每年逐步增长。

文章通过研究天然气汽车加速百公里耗气量的计算方法，和耗气量的消耗过程的描述，采用叠加的计算方法给出了比较系统的燃气消耗量，并阐述了天然气汽车的经济性能。

1 天然气汽车的耗气量的计算

汽车加速百公里气耗计算主要通过计算汽车在加速行驶100km的各个瞬态的耗气量的累加值，为了简化分析，可以将整个过程分为等加速阶段、等速阶段和等减速阶段[2]。

1.1 等加速行驶工况

在汽车加速行驶情况下，阻力功率主要表现为滚动阻力功率、空气阻力功率和加速阻力功率。这时的汽车功率平衡方程为：

式中：pe-发动机功率；ηt-传动系效率；G-重力；f-滚动阻力系数；CD-空气阻力系数；A-汽车的迎风面积；ua-汽车速度；δ-汽车旋转质量换算系数；m-汽车质量；-汽车行驶加速度。

其中，δ主要和飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量以及传动系的传动比有关：

式中：Iw-车轮的转动惯量；If-飞轮的转动惯量；i0-主减速器传动比。

图1 等加速过程燃气消耗量Fig.1 Gas consumption in accelerated process

以每增加1km/h的速度为间隔，将汽车加速过程可以分为若干个相同宽度的小区间，并将各个区间计算的气耗量相加，即得加速气耗量。（如图1）

每个小区间起始或终了时刻车速对应的单位时间燃气消耗量：

汽车行驶速度每增加1km/h所需时间：

按照行驶的初始速度ua1加速至ua1+1km/h所需燃气量：

从行驶初速度ua1+1km/h的基础上再加速1km/h所需要的燃气量：

相应的，则各区间的燃气消耗量为：

所以，整个加速过程的燃气消耗量为：

加速区段内汽车行驶的距离为：

1.2 等速行驶工况

在汽油发动机的万有特性曲线图上，有等燃油消耗率曲线，根据曲线可以确定发动机在一定的转速n下，发出一定功率pe时的燃油消耗率be[3]。

同样，在将天然气发动机转速n按汽车等速行驶时的最高档转换成行驶速度，并画在横坐标上。同时计算出等速行驶时汽车阻力功率，这就是发动机发出的功率。根据匀速行驶时的车速ua及阻力功率P，可在发动机万有特性曲线图上采用插值法确定相应的燃气消耗率be[4]。从而可以计算出在单位时间内该车匀速行驶时的燃气消耗量Qt：

式中：Qt-燃气消耗量(mL/s)；P-阻力功率(kW)；be-燃气消耗率；ρ-天然气的密度，汽车可取为 0.71～0.73kg/L，柴油可取为0.81～0.83 kg/L，天然气可取为0.78～0.89 kg/m3；g-重力加速度。

若匀速行驶的时间为ts，则燃气的消耗量为：1.3 等减速行驶工况

在汽车减速行驶时，发动机处于怠速状态。故减速工况下燃气消耗量是减速行驶时间与怠速气耗的乘积[5]。

由行驶初速度ua2减速至ua3所需燃气减速时间：

减速过程燃气消耗量：

减速区段内汽车行驶的距离：

综上，整个加速工况的燃气消耗量为三个阶段之和，由公式（5）～（10）最终可得加速行驶工况的百公里燃气消耗量为：

2 缸内直喷发动机燃油/气消耗

由于甲烷在天然气中的含量在90%以上，所以通常把天然气也叫甲烷气，我们可以把甲烷气的一般特性视作天然气的特性。甲烷的特性如下：甲烷是无色无味的气体，在燃烧时有浅浅微光的淡蓝色火焰，比空气的质量轻，在低温高压下可变成液体，当液化温度达到-82.1℃，液化压力达到4.64Mpa时，天然气可以实现液化，体积是原来的1/600，需要9.52 m3空气才可以将1m3甲烷完全燃烧，甲烷在空气中的爆炸极限：下限为5%；上限为15%[6]。

表1 发动机相关参数Tab.1 Engine related parameters

缸内直接喷射是利用装配在缸盖上的喷油器在进气行程或者压缩行程的过程中将点火时所需的燃油直接喷入气缸内，在气缸内燃油与空气形成混合气，通过火花塞的点火实现燃烧[7]。在本次试验中，主要采用的仪器有 AVL电力测功机、AVL735 油耗仪、AVL753C 燃油恒温装置、AVL620 燃烧分析仪、火花塞式缸压传感器等，在发动机动态试验台进行燃烧的性能试验，比较中小负荷、中低转速时，发动机在使用汽油与天然气不同燃料的燃烧情况。试验过程中，除各缸火花塞并安装火花塞式缸压传感器，燃烧分析仪相连，集发动机缸内燃烧数据；利用 AVL735 油耗仪测量试验过程中发动机燃油消耗。试验发动机相关参数如表1所示。

从表2中可以看出，天然气和液化石油燃料相比具有以下特点：

1） 抗爆性能高：天然气有较好的抗爆性，在对比之下，天然气具有较高的辛烷值（RON可达 130），所以，汽车发动机在使用天然气当燃料的时候，若要提高发动机是经济性指标、动力性指标、环境指标、可靠性指标和耐久性指标等，需要适当地增大发动机压缩比和点火提前角[8]。

2）使用天然气作为燃料时，混合气有比较宽是着火界限；

3）与汽油相比，天然气的着火温度高，传播速度慢，因此火花塞点火时需要较高的点火能量[9]。但实际上，在点火时，火花塞的点火能量通常在所需点火能量的5倍以上，这样就不存在点火能量不足的问题。

4）在汽车发动机的众多燃料中，天然气是比汽油和柴油更为“清洁”的燃料。减少对大气的污染，天然气汽车污染物的排放少于汽、柴油汽车的污染物排放。

5）汽车使用天然气比使用汽油更安全。汽油与空气形成的混合气，着火极限是13%～76%，在遇到微小的火花时极易着火；而空气与天然气形成混合气时，着火极限是 5%～15%，加之管路密封技术要求高，即使泄露，由于天然气密度比空气小，质量比空气轻，极易被微风驱散，所以不易形成可燃混合气，故使用安全性好[10]。

表2 天然气与汽油的特性比较Tab.2 Comparison of characteristics between natural gas and gasoline

图2为试验发动机采用缸内直喷技术，在燃烧两种不同的燃料时的燃油消耗率对比图。可以看出，1 500 r/min、2 000 r/min中小负荷、中低转速（BMEP 小于 0.5 MPa）工况下，用天然气燃料时试验发动机具有更低的燃油消耗率，随着负荷的减小，两者之间的差值在逐渐增加，汽油的燃料消耗时优势明显；在3 000 r/min工况点，用不同的燃油喷射模式，油消耗率相差不大[11]。

从图2的三张图可以明显看出，汽油的燃油消耗率略高于天然气的燃油消耗率。在两种燃料同质量时，天然气的价格是汽油价格的1/3，但实际上它们的性价比是不足1/3的。由于天然气的储存问题，燃气罐的自身重量过大，从而导致了车重的加大，在燃烧效率的计算过程中，这很大程度上的影响了功率的输出。

图2 天然气与汽油的消耗率对比图Fig.2 Comparison Chart of gas consumption and gasoline consumption

BMEP：平均有效缸内压力，指在内燃机的膨胀行程中，能推动活塞作出与每一工作循环有效功相等的功的一种假想不变的压力。是判断内燃机每单位气缸工作容积作功能力的指标。常用符号“Pe”表示，单位为“MPa”。

3 结论

在汽油、柴油、醇类燃料、天然气等多种车用燃料中相比，天然气辛烷值是最高的，自燃温度高达 704℃，可以通过提高发动机的压缩比来提高其热效率和改善功率[12]。与燃烧汽油的汽车相比，天然气汽车CO、HC、NOX、SO2、CO2均可以有不同程度下降，据美国EPA报告，天然气汽车可以在HC的排放降低40%，CO排放降低50%，无碳烟排放，而且排放的尾气中碳氢化合物大约90%为甲烷类物质，光化学反应低，现有技术尚可进一步降低污染物的排放[13]。这些都是与各国有关的环境排放标准相吻合的，天然气噪音小，天然气储量丰富，成本低廉，安全可靠性好[14]。但是需要投入储运加注等基础设施，更适用于富产天然气的地区和大中城市推广，如果像汽油那样大量用在汽车上，其资源也显得有限，仅仅可以作为一种过渡能源，而非彻底的替代能源。