LNG汽車技術發(fā)展及其推廣應用前景

溫永剛 陳運文 樊栓獅 安成名 徐文東

（1．深圳市燃氣集團股份有限公司 2．華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室）

隨著世界能源危機和環(huán)境污染問題的日益突出，汽車工業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。一方面，石油資源短缺，逐年激增的汽車保有量加劇了能源稀缺的矛盾；另一方面，汽車的大量使用則加劇了環(huán)境污染，加速推廣和發(fā)展以天然氣汽車為代表的新能源汽車勢在必行。當前已經(jīng)投入應用的天然氣汽車按照天然氣使用形態(tài)的不同，可分為壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，簡稱CNG）汽車與液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱 LNG）汽車。相比CNG汽 車［1］，LNG 汽 車 所 具 有 的 優(yōu) 勢 主 要 包括［2－3］：儲能密度大，車輛續(xù)駛里程長、燃料加注時間短、車用瓶布置簡單；存儲壓力低，更安全；甲烷含量高，更純凈，燃燒更清潔；溫度更低，發(fā)動機充氣效率更高，冷能可循環(huán)利用；加氣站投入少，運營成本低。

目前以LNG為燃料的汽車一般分三種形式：一種是完全以LNG為燃料的純LNG汽車，一種是LNG與柴油混合使用的雙燃料LNG汽車，一種是LNG與汽油替換使用的兩用燃料汽車［4］。這幾種LNG汽車的燃氣系統(tǒng)基本相同，都是將LNG儲存在低溫絕熱的車用LNG儲罐內，通過汽化裝置將其汽化為0．15MPa左右的氣體供給發(fā)動機，其主要構成包括LNG儲罐、汽化器、減壓調壓閥、混合器和控制系統(tǒng)等［5］。

作為一種清潔、高效的能源，LNG密度為標準狀態(tài)下甲烷的600多倍，體積能量密度為汽油的72%，具有熱值大、性能高等特點，因此很多國家都將LNG列為首選燃料。大力推廣并實現(xiàn)LNG汽車的應用對于改善能源消費結構，降低環(huán)境污染都具有重要的作用和意義。

1 LNG汽車國內外技術現(xiàn)狀

將燃氣作為汽車燃料在發(fā)達國家已相當普遍，是先進國家落實環(huán)保能源政策的重要措施之一。目前世界上已有一百多萬輛汽車使用天然氣，根據(jù)國際天然氣汽車協(xié)會（IANGV）預測，到2020年，若天然氣汽車的年增長率能保持在相對保守的18%左右，屆時天然氣汽車的保有量將達到6 500萬輛，約為世界汽車保有量的近9%。

當前，隨著人們對石油危機和環(huán)境污染的日益關注，天然氣汽車面臨著新的開發(fā)環(huán)境，并研發(fā)出更先進的閉環(huán)電子控制系統(tǒng)、單點與多點電噴系統(tǒng)、高壓直噴技術、稀燃技術等，使車用天然氣發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性都有極大的改善，天然氣發(fā)動機在技術上的不斷完善更有利于其未來的發(fā)展［6－8］。

美國在LNG汽車的推廣和技術應用方面始終處于領先地位，擁有全球半數(shù)以上的LNG加氣站和LNG汽車。近十幾年來，美國在開發(fā)LNG汽車方面取得快速的進展，各大汽車公司如福特、卡特彼勒、康明斯等公司都已經(jīng)生產(chǎn)出LNG發(fā)動機，并且其尾氣排放量非常低。美國的MVE公司是目前世界上生產(chǎn)制造LNG設備主要的廠家之一，生產(chǎn)的設備主要包括車用LNG氣瓶、LNG加氣站、LNG自動加氣機及大型LNG儲存罐等。此外，日本的鈴木、尼桑等多家汽車公司也已成功開發(fā)出了電控多點噴射式的LNG發(fā)動機，主要面向客車使用。

相對于國外，我國針對LNG汽車的研究起步較晚。1999年，我國啟動了“空氣凈化工程清潔汽車行動”，由國家13個部委成立了全國清潔汽車行動協(xié)調領導小組，并啟動了北京、上海、重慶、四川等12個示范城市和地區(qū)，2005年擴展至19個城市和地區(qū)。2006年，國家再次啟動“節(jié)能與新能源汽車”高科技計劃，繼續(xù)強力推進天然氣汽車發(fā)展的進程。中國的天然氣汽車由此進入了快速發(fā)展期［9］。近些年來，許多國內汽車企業(yè)都將目光投向LNG汽車的開發(fā)及相關技術的研究上，并取得了較好的成果，LNG汽車技術不斷進步，整車已實現(xiàn)商品化。以上柴、玉柴、淮柴等發(fā)動機廠家為代表的LNG發(fā)動機的研發(fā)；以宇通、黃海、恒通客車廠家為代表的大型客車的研發(fā)；以陜重、東風重卡廠家為代表的重型卡車的研發(fā)，目前已全部商品化并投入運營。整車性能不斷提高。以貴陽公交為代表的國內企業(yè)，不斷探索研發(fā)柴油車改燃LNG。目前，國內有60余家企業(yè)生產(chǎn)整車，360余個車型獲得新產(chǎn)品公告（含底盤），發(fā)動機功率覆蓋40～250kW；OEM原產(chǎn)車超過6萬輛／年［10］。華晨汽車工程研究院通過在傳統(tǒng)車基礎上的改造，自主研究開發(fā)了LNG汽車車型，在LNG汽車電控系統(tǒng)設計、整車結構布局及車載燃料系統(tǒng)設計等方面開展了樣車試制和試驗驗證［11］。我國的LNG汽車產(chǎn)業(yè)從改裝、引進到自主研發(fā)，正在逐步縮小與國際水平的差距。

目前，我國有近百座城市正在進行天然氣汽車的推廣，為我國未來LNG汽車的發(fā)展和全面推廣應用奠定了良好的基礎［12］。四川、重慶、新疆等地正在組織開展天然氣汽車城際間和區(qū)域化示范。新疆、貴陽、湛江、海南等地LNG汽車的示范應用也已取得階段性成果。僅示范城市每年的燃油替代量就已超過300×104t，不到汽車總保有量1%的天然氣汽車實現(xiàn)了超過3%的燃油替代效果，每年節(jié)約燃料費近百億元。

截至2011年年底，我國共有天然氣汽車（CNG和LNG）148萬輛以上，據(jù)濰柴動力股份有限公司的數(shù)據(jù)顯示，截至2012年4月23日，其累計銷售LNG發(fā)動機30 000臺，而其2012年的銷售目標則為20 000臺。安迅思息旺能源分析師估計，按此計算，目前中國LNG汽車在40 000輛以上，至2012年底則有望突破70 000輛，增速迅猛［13］。

此外，據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國目前已擁有LNG固定式加氣站200多座，撬裝式加氣站預計超過300座。現(xiàn)有LNG固定式加氣站多分布在沿海、西北及新疆等地，其中新疆區(qū)域數(shù)量最大，預計2012年我國的LNG固定式加氣站總數(shù)將增至380座。LNG加氣站數(shù)量的不斷增多無疑為LNG汽車的推廣和應用提供了廣闊的市場。

2 LNG汽車經(jīng)濟性分析

LNG作為汽車燃料，具有能量密度大、運輸方便、燃燒更加潔凈、安全性好、建設投資少、運行成本低等優(yōu)點。相比之下，CNG汽車受到的制約因素較多，主要包括：車用高壓鋼瓶自重大，燃料能量密度低，連續(xù)行駛里程短；同時CNG加氣站建站投資大，占地廣，加氣站不能脫離天然氣管網(wǎng)建設，難以網(wǎng)絡化布點。和CNG汽車加以比較，LNG汽車的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在兩個方面：一是汽車本身在燃料方面和性能方面的經(jīng)濟性，另一方面包括加氣站建設的經(jīng)濟性。

2．1 燃料經(jīng)濟性分析

LNG的熱值是柴油的1．23倍，價格卻只有柴油的1／2，其爆炸極限和著火點均比汽油和柴油高，具有較高的辛烷值和抗爆性，作為燃料使用具有良好的安全性［14］。LNG車輛燃料的經(jīng)濟性取決于兩個方面：第一，天然氣與柴油的價格差；第二，LNG車輛與同功率的柴油車輛百公里燃料消耗量。表1就兩方面數(shù)據(jù)進行了對比分析［15］。

表1 LNG公交車和0＃柴油公交車經(jīng)濟性比較Table 1 Economy comparison between LNG bus and 0＃ diesel bus

由表1可以看出，將LNG作為汽車燃料，燃料成本下降15%～20%，維修保養(yǎng)成本節(jié)約10%。

2．2 加氣站經(jīng)濟性分析

在加氣站建設方面，LNG加氣站較CNG加氣站成本顯著降低，以10 000m3／d天然氣加氣站建設及運行成本為例進行估算，其中CNG加氣站建設成本和運行費用成本分別為461．3萬元和78．2萬元，而LNG加氣站建設成本和運行費用分別為136萬元和25．3萬元，僅僅為CNG加氣站建設成本和運行費用的29%和32%，各項費用節(jié)省2／3以上。比較情況如表2所示［16］。

表2 10 000 m3／d天然氣加氣站建設及運行成本估算表Table 2 Cost estimation for construction and operation of 10 000 m3／d natural gas station

此外，LNG充裝平均速度為100～180L／min，是CNG充裝速度的3倍，可以大大提高充裝效率，有效減少充裝等待時間。綜合而言，LNG汽車具有安全性好、經(jīng)濟效益顯著、性能優(yōu)越、環(huán)保效益顯著等優(yōu)點［17］，值得大力推廣。

3 LNG汽車推廣應用及發(fā)展建議

3．1 加快LNG汽車關鍵技術研發(fā)

LNG汽車涉及到多項關鍵技術，如燃料供給技術、燃料儲存技術、燃料加注技術、燃氣發(fā)動機技術等，其中發(fā)動機技術為LNG汽車的核心技術之一，其關鍵技術研發(fā)包括電子控制技術、空燃比控制技術、優(yōu)化燃燒技術及先進的后處理技術等。此外，由于歐IV排放法規(guī)，不僅要求限制天然氣發(fā)動機非甲烷碳氫（NMHC）的排放，而且還要求控制總碳氫排放（THC）。先進的氧化型后處理技術如何成功地運用于氣體發(fā)動機也是關鍵的技術之一，具有很高的研究價值。

3．2 重視LNG加氣站基礎設施建設

影響LNG汽車推廣和發(fā)展的一個重要因素是加氣站的建設，加氣站規(guī)劃和建設也是天然氣汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展最重要的環(huán)節(jié)和瓶頸問題之一，亟需加強LNG加氣站建設，改善供氣能力，加快LNG加氣站基礎設施建設。天然氣汽車的發(fā)展要有計劃有步驟地作好發(fā)展規(guī)劃，逐步實施。各大城市，特別是有條件建設的城市應將天然氣汽車加氣站的建設列入城市的發(fā)展規(guī)劃中，并盡早投入經(jīng)費建立天然氣的供氣系統(tǒng)。

3．3 加強政府引導和政策支持

政府的經(jīng)濟政策是影響燃氣汽車發(fā)展的另一個最重要因素。在LNG汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，堅持“政府引導、技術先行、應用示范、產(chǎn)業(yè)發(fā)展”的思路，對于帶動天然氣汽車的推廣應用、技術進步及產(chǎn)業(yè)發(fā)展將會產(chǎn)生良好的促進作用。我國政府應結合實際情況，積極發(fā)揮引導、支撐和排障的作用，如在法律方面予以保障，在燃氣汽車生產(chǎn)、改裝、零部件生產(chǎn)、加氣站建設、燃氣汽車購買和使用等環(huán)節(jié)給予稅收、資金等方面的優(yōu)惠政策。

3．4 完善標準化編制工作

建立和健全標準規(guī)范體系是天然氣汽車行業(yè)安全、健康發(fā)展的有力保障。2011年新頒布了兩項標準包括國家標準GB／T 26980－2011《液化天然氣（LNG）車輛燃料加注系統(tǒng)規(guī)范》和由國家能源局牽頭制訂的NB／T 1001－2011《液化天然氣（LNG）汽車加氣站技術規(guī)范》，上述兩項標準的頒布和實施，在一定程度上大大推進了國內LNG燃料汽車的發(fā)展，加快了國內配套LNG加氣站的建設速度。

4 結 語

基于與燃油汽車及加氣站建設等方面的經(jīng)濟比較分析，可以看出在我國推廣LNG汽車具有良好的可行性和經(jīng)濟性，是改善我國當前能源結構、解決能源危機和汽車排放污染的最佳路徑。天然氣作為汽車燃料的優(yōu)勢將會在未來十年內被大力開發(fā)和利用，LNG汽車替代CNG汽車和LPG汽車是未來天然氣汽車發(fā)展的必然趨勢。我國LNG汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展應在關鍵技術攻關的基礎上，加強LNG基礎設施建設，在政府支持和引導下，完善LNG汽車體系中各項技術標準的編制工作并頒布執(zhí)行，以推動我國液化天然氣汽車事業(yè)的快速發(fā)展。

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