天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)解析及技術(shù)特點(diǎn)研究

潘永亮

摘 要：隨著近幾年國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)家汽車保有量有了井噴式的增長(zhǎng)，汽車已成為民眾日常出行最重要的代步工具，在此背景下，網(wǎng)約營(yíng)運(yùn)車也快速興起，據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止2018年，隨著網(wǎng)約車用戶規(guī)模的增加，其市場(chǎng)規(guī)模增加至2720.5億元，較2017年同比增加28.31%[1]。在油價(jià)不斷攀升，經(jīng)營(yíng)成本居高不下的壓力下，越來越多的營(yíng)運(yùn)車主向市場(chǎng)提出了低成本燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。同時(shí)，油耗及排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，也讓市場(chǎng)意識(shí)到清潔代用燃料需求的緊迫性。天然氣作為具有高燃燒熱值、高穩(wěn)定性、低成本、應(yīng)用范圍廣的清潔能源，逐漸在市場(chǎng)需求下嶄露頭角，躋身為最熱門的汽車代用燃料之一。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)約車;經(jīng)營(yíng)成本;清潔能源;天然氣發(fā)動(dòng)機(jī);技術(shù)特點(diǎn)

1 引言

近年來，隨著我國(guó)汽車行業(yè)快速發(fā)展，其帶來的能源緊張和環(huán)境污染問題也日益凸顯，解決汽車需求持續(xù)增長(zhǎng)帶來的能源緊張和環(huán)境污染問題迫在眉睫。同時(shí)，網(wǎng)約車的興起也讓越來越多的客戶對(duì)汽車市場(chǎng)提出了低運(yùn)營(yíng)成本乘用車的強(qiáng)烈需求。因此，尋找一個(gè)價(jià)格低廉的清潔能源作為汽車的代用燃料成為了各主機(jī)廠和售后改裝市場(chǎng)的一個(gè)重要任務(wù)。壓縮（液化）天然氣也就在此前提下，在清潔代用燃料中顯現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為市場(chǎng)普及率最高的代用燃料。根據(jù)世界天然氣協(xié)會(huì)（INAGV）發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截止到2017年，我國(guó)天然氣動(dòng)力車輛共608萬(wàn)輛，相比前一年增加了50.4萬(wàn)輛，增幅為9%。其中，CNG汽車保有量為573萬(wàn)輛，相比前一年增加了41.4萬(wàn)輛，增幅為7.8%; LNG汽車保有量為35萬(wàn)輛，同相比前一年增加了9萬(wàn)輛，增幅為34.6%[2]。從以上數(shù)據(jù)我們可以看出，國(guó)內(nèi)的天然氣燃料汽車已初具市場(chǎng)規(guī)模，并仍有較大的增幅空間。

2 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)解析

2.1 政策支持

2018年國(guó)務(wù)院發(fā)布的“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃”中要求，我國(guó)必須加快推進(jìn)國(guó)三及以下排放標(biāo)準(zhǔn)營(yíng)運(yùn)柴油貨車提前淘汰更新。2019年7月1日起，重點(diǎn)區(qū)域、珠三角地區(qū)、成渝地區(qū)提前實(shí)施國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，推廣使用達(dá)到國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)馄嚒?/p>

生態(tài)環(huán)境部等11個(gè)部門聯(lián)合發(fā)布的《柴油貨車污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃》也提出，2020年底前加快淘汰國(guó)三及以下標(biāo)準(zhǔn)排放標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)柴油貨車100萬(wàn)輛。據(jù)資料顯示，我國(guó)目前擁有國(guó)三以下的車輛總數(shù)為6326.3萬(wàn)輛。這意味著，大量不合格車輛短期內(nèi)均需更新，將會(huì)有一部分車輛替換為天然氣汽車。

2.2 硬件設(shè)施支持

根據(jù)世界天然氣汽車協(xié)會(huì)（IANGV）2018年10月發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球87個(gè)國(guó)家和地區(qū)的天然氣加氣站保有量已達(dá)3.1萬(wàn)座。在國(guó)內(nèi)，截至2017年年底，加氣站保有量已達(dá)8400座，同比增加了600余座，增幅達(dá)7.7%，居世界首位。

中石化在2018年發(fā)布消息稱，計(jì)劃在2024年前新建超1000座車用天然氣加氣站。中國(guó)燃?xì)庖舶l(fā)布公告稱，中燃集團(tuán)已和中海石油氣電集團(tuán)簽署了戰(zhàn)略合作的框架協(xié)議，尋求合作新建項(xiàng)目。加氣站的密度正在逐年加大，對(duì)于使用天然氣作為燃料的車輛續(xù)航的保障能力逐步提升。

2.3 排放法規(guī)更易達(dá)成

天然氣的主要成分是甲烷（CH4），通常CNG的甲烷含量在80-95%，LNG的甲烷含量在88%-99%之間。所以以天然氣作為汽車燃料，會(huì)有效減少污染物排放。根據(jù)筆者對(duì)天然氣車輛排放物調(diào)查對(duì)比，使用CNG代替汽油作為汽車燃料，可使顆粒物排放減少約40%，二氧化碳減少約24%，碳?xì)浠衔餃p少約72%，一氧化碳排放量減少約97%，相比汽油和柴油燃料，更易達(dá)成當(dāng)前國(guó)六階段排放法規(guī)要求。但是，由于天然氣的燃點(diǎn)高，缸內(nèi)燃燒溫度會(huì)較汽油機(jī)和柴油機(jī)偏高，這一特點(diǎn)對(duì)于氮氧化物的排放是不利的，可考慮由目前國(guó)五天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用的稀薄燃燒改為當(dāng)量燃燒，減少氮氧化物的排放。

2.4 綜合運(yùn)營(yíng)成本低

根據(jù)以上天然氣和汽油的燃料特性參數(shù)，我們對(duì)以壓縮天然氣做燃料和以汽油做燃料進(jìn)行計(jì)算對(duì)比如下：

1.對(duì)應(yīng)和每升汽油產(chǎn)生同等的熱量，燃?xì)庀牧浚?/p>

2.根據(jù)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)后市場(chǎng)改裝調(diào)研及作者對(duì)原廠開發(fā)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)性能摸底對(duì)比，同一款發(fā)動(dòng)機(jī)，使用天然氣為燃料相比使用汽油燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降在15%～20%左右。在該前提下，同一車型綜合工況下燃油消耗量按照10L/100kM定義，那么對(duì)應(yīng)的燃?xì)庀牧抗浪闳缦拢?/p>

注：1.2為因發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降帶來的燃料消耗量提升系數(shù)。

3.當(dāng)前，在CNG發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)市場(chǎng)重慶地區(qū)的92#汽油價(jià)格為7.06元/L，CNG價(jià)格約5.04元/kg，對(duì)應(yīng)百公里燃料成本價(jià)格：汽油為70.6元/100kM，CNG為38元/100kM。

根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，使用CNG為燃料綜合運(yùn)營(yíng)成本較汽油下降至少45%，對(duì)于客戶而言，這個(gè)運(yùn)營(yíng)成本的吸引力可見一斑。

3 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)研究

3.1 核心系統(tǒng)

以天然氣為燃料的汽車由三大核心系統(tǒng)組成，分別是儲(chǔ)氣系統(tǒng)、供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。儲(chǔ)氣系統(tǒng)指儲(chǔ)存CNG/LNG的裝置，主要由天然氣儲(chǔ)氣瓶、高壓截止閥、氣量顯示器、壓力表、充氣閥、壓力傳感器及高壓管線等組成;供給系統(tǒng)主要由燃?xì)膺^濾器、高壓減壓器、燃?xì)鈬娚鋵?dǎo)軌（混合器）、燃?xì)鈬娚渥斓冉M成;控制系統(tǒng)是指ECU部件，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況調(diào)整燃?xì)夤┙o量，針對(duì)雙燃料系統(tǒng)，可以切換控制噴油或噴氣，主要由ECU控制單元、燃料切換開關(guān)及相關(guān)線束組成。

3.2 性能特點(diǎn)

1.低溫啟動(dòng)性能較汽油機(jī)差。由于天然氣的著火點(diǎn)比汽油高220℃，所以其要求的點(diǎn)火能量比汽油機(jī)更高，燃燒對(duì)火花塞的要求也更高。一般對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，為保證其良好的點(diǎn)火性能需要采用高能量點(diǎn)火線圈和氣體機(jī)專用的火花塞。

2.性能較汽油機(jī)有所下降。由于單位體積內(nèi)氣體燃料相對(duì)液體燃料的混合熱值較低，動(dòng)力性會(huì)有所下降，一般天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性較汽油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)下降15～20%左右。為盡量減少性能下降程度，考慮天然氣具有較高的辛烷值（130），抗爆震性能強(qiáng)，對(duì)CNG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，可適當(dāng)提升發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比;此外，天然氣燃燒速度比汽油慢，可適當(dāng)將點(diǎn)火提前角提前，但需綜合考慮點(diǎn)火提前角提前造成缸內(nèi)最大爆壓增加帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

3.各缸進(jìn)氣均勻性差異較大。燃?xì)鈬娚涫軐?dǎo)軌容積限制，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)在高速高負(fù)荷工況下各缸的進(jìn)氣均勻性會(huì)有一定差異，高速時(shí)各缸燃燒不均勻，長(zhǎng)期下來各缸的氣門和座圈磨損也會(huì)不一致。此外，氣體燃料的密度受環(huán)境溫度影響較大，會(huì)導(dǎo)致夏冬季節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)性能差異偏大的情況。

4.可靠性較汽油機(jī)更嚴(yán)苛。天然氣中含有少量的硫或硫化物等有害成份;與汽油相比，本體及其燃燒產(chǎn)物不具備潤(rùn)滑功能，燃燒溫度偏高、燃燒速度慢等特點(diǎn)無疑會(huì)加劇燃燒室內(nèi)相關(guān)零部件工作環(huán)境的惡化，其中影響最為明顯的是排氣門及座圈早期磨損，因此排氣門及座圈需采用耐高溫、耐磨性、耐腐蝕性及自潤(rùn)滑性能優(yōu)良的材料。

3.3 安全性

天然氣汽車與汽油相比在安全性上具有一定的優(yōu)勢(shì)，而并非直觀感覺上的高危險(xiǎn)性，其在安全性能方面主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，天然氣相對(duì)空氣的密度低，為0.48，如果出現(xiàn)氣體泄漏，會(huì)快速在空氣中散發(fā)，很難達(dá)到遇明火而燃燒的濃度;第二，本身具有高燃點(diǎn)，前文中也已說到，其燃點(diǎn)比汽油高近220℃，所以與汽油相比更不易被點(diǎn)燃;第三，天然氣的爆炸極限窄，僅為5%～15%，在自然環(huán)境下達(dá)到爆炸條件比較困難。因釋放過程是一個(gè)膨脹吸熱過程，泄漏點(diǎn)周圍會(huì)迅速形成一個(gè)較低溫度區(qū);第四，整個(gè)天然氣的儲(chǔ)存及供給系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上有嚴(yán)格的安全保障措施，對(duì)高壓系統(tǒng)使用的零部件，安全系數(shù)均選用1.5～4以上，在減壓調(diào)節(jié)器、儲(chǔ)氣瓶上安裝有安全閥，控制系統(tǒng)中，安裝有緊急斷氣裝置;第五，高壓儲(chǔ)氣裝置出廠前有100%安全檢驗(yàn)，除開常規(guī)檢測(cè)，還需充氣作火燒、爆炸、墜落、槍擊等試驗(yàn)，合格后，方能出廠使用。在全球開始發(fā)展天然氣汽車60年來，未發(fā)生過因天然氣爆炸、燃燒而導(dǎo)致車輛事故的事例。

4 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前能源消耗量巨大，傳統(tǒng)汽車燃料價(jià)格日益攀升，環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重的形式下，汽車行業(yè)的能源多樣化需求也愈加強(qiáng)烈。天然氣作為理想的清潔替代燃料仍有巨大的發(fā)展空間和探索價(jià)值。此外，結(jié)合當(dāng)前混動(dòng)發(fā)展現(xiàn)狀，在以天然氣做燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)混動(dòng)總成，也會(huì)是一個(gè)值得探索的動(dòng)力方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]前瞻網(wǎng).2019年中國(guó)網(wǎng)約車行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析[EB/OL].（2020-01-07）.https：//www.sohu.com/a/365221172_114835index.html.

[2]清潔能源汽車網(wǎng). 中國(guó)天然氣汽車保有量連續(xù)4年全球第一[EB/OL].（2018-09-20）.http：//cevhome.com/content/detail.php？id=1270&sid=4.