城市天然氣公交車輛動(dòng)力匹配技術(shù)研究

王 單

昆明華潤(rùn)車用燃?xì)庥邢薰荆颇侠ッ?650222

1 天然氣城市公交車輛發(fā)展現(xiàn)狀分析

目前，中國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的汽車消費(fèi)市場(chǎng)，一方面源于我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增長(zhǎng)，另一方面則源于社會(huì)生產(chǎn)、生活形態(tài)的變化，在城市化發(fā)展背景下，汽車逐漸走入了個(gè)體家庭，成為重要的交通代步工具。但是，除此之外還有一個(gè)不容忽視的事實(shí)是，隨著我國(guó)汽車數(shù)量的不斷增加，石化燃料消耗所造成的生態(tài)環(huán)境破壞也越來越嚴(yán)重，較為典型的如城市空間的霧霾等有害氣體等。不僅如此，以傳統(tǒng)石化能源為基礎(chǔ)發(fā)展汽車工業(yè)，對(duì)于我國(guó)有著很大的不利條件，這與我國(guó)能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀有密切關(guān)系——煤炭多、石油少、天然氣豐富，在這種背景下，積極研究天然氣為燃料的汽車產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

結(jié)合現(xiàn)狀分析，國(guó)外以天然氣為燃料發(fā)展汽車工業(yè)的時(shí)間較早，20世紀(jì)20年代就已經(jīng)出現(xiàn)，并將其應(yīng)用在解決燃油短缺策略中。1986年國(guó)際天然氣汽車協(xié)會(huì)（IANGV）成立，掀起了探索天然氣為燃料的汽車研究高潮。

相對(duì)而言，我國(guó)天然氣汽車研究起步較晚、時(shí)間較短，但發(fā)展速度很快，從20世紀(jì)80年代開始，國(guó)內(nèi)各大城市都開始了推廣天然氣汽車的嘗試工作，城市交通系統(tǒng)是重點(diǎn)參與對(duì)象；究其原因，主要是推廣天然氣為燃料的汽車動(dòng)力系統(tǒng)存在障礙，發(fā)展初期天然氣燃料補(bǔ)充系統(tǒng)（加氣站）不完善，數(shù)量少且分布均衡，社會(huì)車輛難以保障供給，相應(yīng)的公交車運(yùn)營(yíng)路線固定，可以在公交車站及沿途中心點(diǎn)設(shè)置加氣站。也因?yàn)檫@種技術(shù)不完善性，很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)公交車輛同時(shí)具有燃油和天然氣兩種動(dòng)力系統(tǒng)。

近年來，隨著城市公交系統(tǒng)的交通重要性越來越突出，以及節(jié)能、排放法律法規(guī)越來越嚴(yán)格，促使城市公交車輛全面轉(zhuǎn)向新能源（其中就包含天然氣車輛）領(lǐng)域。這樣不僅可以減少生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，同時(shí)也可以極大地縮減公交運(yùn)營(yíng)成本。研究表明，汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的匹配性，直接影響公交車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的平衡。其研究方式，可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)模擬汽車運(yùn)行狀態(tài)下的累計(jì)油耗、瞬間油耗、行駛距離、行駛時(shí)間、傳動(dòng)比、空氣阻力系數(shù)等，為天然氣城市公交車輛動(dòng)力匹配提供科學(xué)依據(jù)。我國(guó)目前也開始了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)研究，如一汽集團(tuán)開發(fā)的“汽車動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)型模擬計(jì)算機(jī)軟件（EP）”。

2 天然氣為車輛燃料應(yīng)用的技術(shù)要求與分析

2.1 車用天然氣標(biāo)準(zhǔn)

天然氣作為燃料應(yīng)用的主要有效成分為烷烴，甲烷所占比例最高，此外包括一乙烷、丙烷、丁烷等有效成分。但除了有效成分之外，天然氣本質(zhì)上是一種復(fù)雜的混合物質(zhì)，包括了氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)等多種混合形式，僅氣體中的非有效成分就多達(dá)幾十種，如二氧化碳、氮?dú)狻2S、氦氣等；從化學(xué)屬性上說，經(jīng)過脫硫處理的天然氣（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）對(duì)大氣環(huán)境的影響很小，主要排出物為二氧化碳和水，并且與煤炭相比所產(chǎn)生的二氧化碳量不足40%，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水等，安全高效、綠色環(huán)保。從物理屬性上說，常溫狀態(tài)下天然氣壓縮之后不能被液態(tài)，密度為0.7174kg/Nm3，相對(duì)密度（水）為0.45（液化）燃點(diǎn)（℃）為650，爆炸極限（V%）為5～15。

天然氣分為壓縮天然氣和液化天然氣兩種，對(duì)比而言，壓縮天然氣的成本較低，常溫下生產(chǎn)壓力為0.3MPa，運(yùn)輸與使用中的壓縮天然氣（CNG）壓力介于10～25MPa之間，是天然氣加壓并以氣態(tài)儲(chǔ)存在容器中。液化天然氣（LNG）是天然氣經(jīng)壓縮、冷卻至其沸點(diǎn)（-161.5℃）溫度后變成液體儲(chǔ)存在容器中。

車用天然氣存在一定的標(biāo)準(zhǔn)要求，其標(biāo)準(zhǔn)中，較為重要的三個(gè)分別是硫化氫、水分和雜質(zhì)。硫化氫是一種腐蝕成分，它在天然氣中的成分過高，容易導(dǎo)致“氫脆現(xiàn)象”，并且含量過高所產(chǎn)生的尾氣也會(huì)嚴(yán)重污染大氣。水分決定了天然氣的動(dòng)力效率，因此無論何種用途的天然氣產(chǎn)品，事先都要進(jìn)行脫水處理，車用天然氣脫水處理后要達(dá)到0.1×10-6的水分體積分?jǐn)?shù)含量標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)然，以此標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，含水量越低越好。“雜質(zhì)”包括的范圍較廣，天然氣被開采過程中會(huì)混入一些碎渣，必須進(jìn)行清除以防止進(jìn)入汽車系統(tǒng)內(nèi)部。

2.2 天然氣在城市公交車輛應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

一方面，低排放率的優(yōu)勢(shì)。天然氣被列為“清潔能源”，其排氣污染要遠(yuǎn)比燃油汽車低。主要的污染氣體指標(biāo)中，一氧化碳對(duì)比可降低90%，碳?xì)浠衔餃p少70%，這對(duì)于改善城市大氣環(huán)境有重要的意義。

另一方面，高安全性的優(yōu)勢(shì)。天然氣存儲(chǔ)于密閉度較高的容器內(nèi)，相對(duì)于燃油油箱的“敞開式”結(jié)構(gòu)更為安全。同時(shí)，天然氣的燃點(diǎn)是645℃，比汽油燃點(diǎn)高218℃。相比而言，天然氣的安全性比汽油要高，高壓儲(chǔ)存的天然氣在運(yùn)輸或使用過程中，一旦泄漏，天然氣會(huì)從周圍環(huán)境中吸收大量的熱，甚至?xí)a(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，從而降低了燃燒爆炸的幾率。

此外，使用天然氣作為車輛燃料更為經(jīng)濟(jì)。目前，國(guó)內(nèi)汽油價(jià)格波動(dòng)較大，價(jià)格穩(wěn)中上升，增加了車輛的運(yùn)營(yíng)成本；而天然氣的儲(chǔ)量高、價(jià)格低、使用方便，在成本上要低于汽油機(jī)或柴油機(jī)費(fèi)用的45%左右。當(dāng)前世界范圍內(nèi)石油價(jià)格不斷飆升，并呈現(xiàn)日漸匱竭的態(tài)勢(shì)，這導(dǎo)致燃油價(jià)格不斷上升，并最終會(huì)被新能源取代，因此積極研究天然氣車輛燃料應(yīng)用具有長(zhǎng)遠(yuǎn)性優(yōu)勢(shì)。

3 天然氣公交車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)匹配研究

3.1 案例工況

結(jié)合案例分析，針對(duì)某城市所使用的公交車輛運(yùn)行工況展開分析，呈現(xiàn)出規(guī)律為：先加速、后勻速、再減速，按照這一過程展開循環(huán)。基于6115-3型號(hào)柴油公交車，公交車站距離約為1～1.5km，采用K市典型公路線路況展開對(duì)比研究，采用ECE城市循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)案例循環(huán)過程800s，行駛距離3.951km最高車速達(dá)到50.2km/h，平均速度為25.4km/h，其中怠速時(shí)間占據(jù)240s，約為全部實(shí)驗(yàn)時(shí)間的30%。

3.2 實(shí)驗(yàn)匹配

采用6115Q液化天然氣公交車為對(duì)比試驗(yàn)車型，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)WP7NG240E40、變速器型號(hào)HC6S-120X2、驅(qū)動(dòng)橋型號(hào)420-5.286，該車型的發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性曲線，表明運(yùn)行中將天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗率換算為正常運(yùn)行中柴油的消耗率，以此為依據(jù)計(jì)算，所得到的數(shù)據(jù)可視為每百公里柴油的用量。

同樣采用ECE城市循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，燃料消耗統(tǒng)計(jì)為7.28L/l00km，輛原地起步連續(xù)換檔加速到50km/h車速的時(shí)間為15.8s，直接檔由30km/h車速加速到60km/h車速的時(shí)間為25.0s，以上數(shù)據(jù)符合液化天然氣公交車輛制造企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

結(jié)合柴油、天然氣兩種城市公交車輛的數(shù)據(jù)對(duì)比，原地起步連續(xù)換檔加速達(dá)到50km/h車速的時(shí)間為15.5s，直接檔從30km/h車速加速達(dá)到60km/h，所消耗的時(shí)間為24s，明顯柴油動(dòng)力優(yōu)于天然氣動(dòng)力。但對(duì)比接近公交車行駛工況的ECE城市循環(huán)的燃料消耗量，液化天然氣為37.28L/100km，原型柴油車為31.96L/100km，天然氣車比原型柴油車高5.32%，這是一筆很大的成本消耗，因此在未進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)匹配之前，液化天然氣的優(yōu)勢(shì)并不突出。

分析可知，以天然氣為燃料的公交車運(yùn)行中，動(dòng)力匹配合理性與柴油為燃料的情況存能耗大的特征，這一點(diǎn)并不符合天然氣“高效性”特征，應(yīng)將此作為分析、研究和解決的重點(diǎn)方向。對(duì)比之下，兩種燃料的公交車動(dòng)力匹配差異主要存在于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)光面，其中天然氣采用的是點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是壓燃點(diǎn)火，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行上，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采取的是奧托循環(huán)，相對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的狄塞爾，表現(xiàn)出較低的指示效率，這是形成能耗過高的主要原因。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，公交車在市區(qū)運(yùn)行的環(huán)境中，起步、停車十分頻繁，能夠保持平均車速的時(shí)間不多，怠速時(shí)間較長(zhǎng)。

基于以上，發(fā)動(dòng)機(jī)差異與公交車動(dòng)力匹配不變的共同作用下，以天然氣為燃料的公交車在能耗上略顯劣勢(shì)，因此需要調(diào)整車輛動(dòng)力總成技術(shù)參數(shù)，使其更符合城市交通運(yùn)行的需要。

3.4 優(yōu)化策略

天然氣公交車輛在未來城市空間發(fā)展趨勢(shì)明顯，基于公交車輛運(yùn)行環(huán)境的特征，能耗降低的主要方向是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力總成參數(shù)的最優(yōu)化，可從兩個(gè)方面入手：（1）降低后橋主減速比；（2）改變變數(shù)器數(shù)比。結(jié)果表明，液化天然氣車輛原地起步連續(xù)換檔加速到50km/h車速的時(shí)間為15.8s，直接檔由30km/h車速加速到60km/h車速的時(shí)間為24.5s，優(yōu)化效果較為明顯。

4 結(jié)語

總體而言，天然氣作為一種高效清潔的能源，在城市公交車輛運(yùn)行層面具有重要的發(fā)掘價(jià)值；并且節(jié)能降耗，保護(hù)大氣環(huán)境，走資源節(jié)約型的發(fā)展道路是我國(guó)當(dāng)前必然的戰(zhàn)略選擇。而城市清潔能源公交車輛的推廣應(yīng)用，是發(fā)展清潔交通、推進(jìn)綠色出行的重要舉措。

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