天然气汽车研究综述--本科毕业论文（设计）.doc

学院毕业设计（论文）本科毕业论文（设计）天然气汽车研究综述 III目 录摘要IIIABSTRACTIV第1章 绪论11.1研究背景及意义11.1.1研究背景11.1.2研究意义2第2章 天然气及天然气汽车的发展现状、问题、对策32.1天然气的特性32.1.1天然气的特性32.1.2 车用天然气技术52.1.3天然气用作汽车能源的优点72.2天然气汽车82.2.1 天然气汽车分类82.2.2天然气汽车的特性102.3天然气汽车的发展状况112.3.1国外发展状况112.3.2 我国天然气汽车发展状况132.4 我国天然气汽车发展面临的挑战142.5 我国天然气汽车发展的对策152.6 本章小结16第3章 天然气汽车性能及特性173.1 天然气汽车的燃烧过程173.1.1天然气燃烧的应用过程热效率的计算173.1.2 CNG发动机和汽油机燃烧的比较183.1.3 天然气燃烧过程对性能的影响213.1.4 天然气汽车发动机燃烧过程的分析253.2 天然气汽车排放物273.2.1 一氧化碳（CO）的生成机理及影响因素293.2.2 氮氧化物生成机理及影响因素293.2.3碳氢化合物生成机理及影响因素313.3天然气汽车的排放性能323.4本章小结33第4章 天然气汽车中的问题及现状技术344.1天然气汽车应用过程中的技术问题344.1.1发展概况及应用特性344.1.2天然气在汽车发动机上的应用形式354.2 天然气汽车的技术状况374.2.1稀燃天然气汽车发动机技术374.2.2天然气HCCI发动机技术404.3 天然气应用的一些关键问题及对策424.3.1 腐蚀与早期磨损的原因及措施424.3.2天然气发动机动力性降低的原因434.3.3 提高天然气汽车功率的措施444.4 本章小结46第5章 全文总结和工作展望475.1全文总结475.2 工作展望48主要参考文献49致谢50摘要随着世界经济的快速发展，汽车保有量的迅速增加，全球能源紧缺以及能源的消耗所带来的环境问题，已经日趋严峻。为了解决这个问题，实现可持续发展，开发新能源汽车低排放汽车，已经成为汽车工业发展方向之一，寻求可代替能源成为当务之急。天然气作为一种“清洁能源”，用作汽车燃料，不仅可以节约石油资源、降低燃料费用，而且还大大降低环境污染。所以发展天然气汽车是解决传统能源危机和环境污染的有效方法。本文阐述了天然气汽车的现状。并对其燃烧过程的计算分析、排放物生成机理以及影响因素进行分析总结得出影响天然气汽车性能下降的原因。最后阐述了天然气汽车现状的技术情况，就其性能下降的原因，提出解决和提高改善性能的方法、结论。关键词：天然气汽车 燃烧 性能 燃烧Natural gas vehicle research and summarizeABSTRACTWith the rapid development of world economy, the increasing quantity of the automobile, environmental issues caused by global energy shortages and energy consumption become severe day by day. In order to solve this problem and realize the sustainable development, it has become one of the auto-industry development directions and to develop the new energy vehicles and low emission vehicles. It has become an urgent matter to seek alternative fuel sources. Natural gas is a kind of “clean energy” which can be used as automobile fuel, not only can save oil resources and reduce fuel costs, but also reduces the environmental pollution significantly. So the development of natural gas vehicles is an effective method to solve traditional energy crisis and environmental pollution. This paper expounds the present situations of natural gas vehicles. It calculates and analyzes its combustion process and the formation mechanism and influencing factors of emissions. And it draws a conclusion of the causes of natural gas vehicles performance decline. Finally, present technology situations of natural gas vehicles are described in this thesis. It puts forward the methods and the conclusion of improving performance for the reasons of its performance decline.Keywords：Natural gas vehicle burning performance burn第1章 绪论1.1研究背景及意义 交通运输业是保证社会持续发展、国民经济生产总值稳步提高的关键。汽车作为交通运输行业一个重要的组成部分，其发展与城市交通的发展是密不可分的。近年来，汽车制造工业迅速发展，全世界汽车的保有量迅速的增加，与此同时，城市道路交通网络的建设也在飞快的进行当中。交通事业的发展带动了国家的经济增长、增强了国家的综合能力，但同时也带来两个突出的问题：石油资源短缺和大气污染。如果没有可靠的替代能源，一旦出现燃油短缺，将使全国的交通运输体系陷入瘫痪，将对国民经济的发展以及国家安全构成严重的威胁。另外，在一些西方发达国家的大都市以及我国北京、上海、广州等城市，机动车的排气污染已成为城市空气污染的主要源头。 因此，尽快遏制我国城市机动车排放污染日益严峻的势头、促进汽车能源结构多元化的形成具有十分重要的战略意义。 CNG（压缩天然气）汽车的产生和发展正是解决这两大问题的一项对策。CNG汽车是指以压缩天然气代替汽油或柴油作为燃料的汽车，它被称作“清洁能源”汽车正在世界各国大力推广1 刘惠春. 天然气汽车的发展现状、问题及对策J 哈尔：哈尔滨职业技术学 2008（5）：181。1.1.1研究背景天然气作为汽车燃料于20世纪30年代初由意大利人率先采用，到1939年意大利就有1万辆天然气汽车。但20世纪5060代发展都较缓慢，只在某些特定地区、特定用途的车上小规模地使用，如在贫油地区以气代油。直到1973年第一次石油危机之后，人们逐步认识到使用天然气代替传统的石油产品作为汽车燃料具有经济、清洁的突出优点，于是纷纷加快了天然气汽车的发展在天然气资源丰富的俄罗斯、意大利、阿根廷、新西兰、巴西、印度尼西亚等国家和地区，以及受到环保法规和国家政策制约的美国、日本等国家，天然气汽车的发展非常迅速。近年来，全球CNG汽车快速成长。目前世界共有80多个国家和地区推广CNG汽车，CNG汽车保有量超过700万辆，CNG加气站过万座。过去的8年间，亚洲地区CNG汽车年均增长高达50.1%，其次分别为南美洲地区、非洲、欧洲。 迄今为止，阿根廷、巴基斯坦、巴西是全球CNG汽车发展最多的国家，而孟加拉国是CNG汽车比例最高的国家，已占汽车保有量的27.3%2 周怡沛, 周志斌. 中国CNG汽车市场发展现状、趋势与策略J 国际石油经济报 2009 (10):4647。受天然气迅猛发展和节能减排政策等影响，我国CNG汽车发展也驶入快车道。上世纪80年代中期，我国在四川建立了国内第一个CNG加气站，1999年又启动了北京、天津、上海等12个试点城市地区的清洁能源推广应用。初步统计，目前全国CNG汽车保有量达到20多万辆。天然气资源大规模开发及管道建设步伐加快使发展CNG汽车成为可能。2004年以来，我国天然气产量跨越式递增，2007年达到693.1亿立方米，预计2008年总产量约800亿立方米。从管道建设来看，近几年随着西气东输一线、陕京二线等一大批输气管道及沿线城市燃气管道相继建成，大规模利用天然气的基础设施逐步完善，天然气加气站也正构成网状之态。无论是环境角度，还是从能源问题角度，发展CNG汽车均具有重要意义。正是基于这样的考虑，我国将新型清洁能源汽车列入国家科技发展中长期规划，“十一五”期间国家将继续组织实施涉及各种清洁能源汽车的重大科技项目，重点支持包括CNG汽车在内的整车、零部件等关键技术，这必将进一步促进CNG汽车的发展。21.1.2研究意义CNG汽车具有经济节能和环保两大特点，许多城市都计划或已经将它用作城市公共交通的主要车辆。随着城市CNG汽车保有量急剧增加，对CNG加气站的需求也不断的增大。目前，许多城市已经初步的形成了CNG加气网络。但是针对天然气汽车的发展情况来看，它没有普及就是因为天然气汽车在很多技术问题没有得到解决。天然气汽车的性能没有突破燃油汽车的性能，这是现在天然气汽车发展的状况，针对这种情就要知道是什么原因导致它的功能不够，性能达不到想要的要求，通过本论文找到原因并提出解决这些问题的办法，希望天然气汽车在能源缺乏和环境污染问题已严峻的今天，能得到一个更好的发展来解决能源与环境方面的问题。第2章 天然气及天然气汽车的发展现状、问题、对策2.1天然气的特性天然气简称NG(Natural Gas)，是多种烃类物质和非烃类的气体组成的混合气体，是埋藏在地下的古生物经过亿万年的高温和高压等作用而形成的可燃气，是一种无色无味无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源。其主要成分是甲烷，另含有少量的乙烷、丙烷、丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气。天然气又可分为伴生气和非伴生气两种。在燃烧过程中产生的能影响人类呼吸系统健康的物质极少，产生的二氧化碳仅为煤的40%左右，产生的二氧化硫也很少。同时燃烧后无废渣、废水产生，具有使用安全、热值高、洁净等优势。2.1.1天然气的特性1密度由于天然气的主要成分是甲烷。通常状态下，甲烷是一种非常轻的气态物质。因为气体密度是指单位体积气体的质量。常温常压下，甲烷的密度只相当空气的55%(甲烷密度/空气密度 =0.55)。天然气密度约相当于空气的60%。常温常压下，甲烷密度:0.71kg/，天然气密度约为0.78kg/ (随着各地天然气组成成分的不同，密度有所差别)。天然气密度随压力增高而增大，随温度增高而减小。由于天然气的密度比较小，所以无论在储存中或在运输管道中发生泄漏时，就会上移，很快扩散在空气中。因此，天然气的安全性优于汽油等大多数燃料。2.颜色、气味和毒性天然气是没有颜色、气味和毒性的物质。但是，在空气中的浓度过高时，对人有一定的麻痹作用。出于安全的原因，生产时，可以在天然气中加入具有独特臭味的加臭剂(硫醇、硫醚等物质)。当发生泄漏时，很容易发觉，不会因天然气泄漏而造成伤害。3热值甲烷是最简单的碳氢化合物，一个甲烷分子中含有一个碳原子和4个氢原子。在碳氢化合物中，分子中含有的碳和氢原子数越多，燃烧后产生的能量越多。同为气体状态，在相同的环境条件下，相同体积含有的分子数是相同的，因此分子中含碳和氢原子数越多的物质，燃烧产生的能量越多。因此每千克天然气的热值略高于汽油，但每立方米理论混合气热值要比汽油混合气低；甲烷含量愈高，相差越大，纯甲烷理论混合气热值比汽油低10%左右4 邵恩坡.发展天然气汽车存在的问题及对策J.节能技术，2005，23(134):554556。4状态、沸点在常温、常压下，天然气是一种气态物质，当温度到达-162和低于此温度时，天然气将转变为液态，以液态形式存在。此温度为天然气的沸点（-162）。由于沸点非常低，天然气是非常难以液化的，储存液态天然气也是非常困难的。因此一般以气体状态储存和运输天然气。5自燃温度自燃温度是指在此温度下，燃料和空气接触将会被点燃并连续燃烧。对于一种燃料，自燃温度不是一个常数。汽油的自燃温度220417；天然气的自燃温度为630730。自燃温度很高表明天然气的安全性是非常好的。6混合气发火界限宽燃料和空气混合形成混合气，混合气的浓度在一定范围内，才能够被点燃、产生能量。混合气的浓度过浓（燃料过多）或过稀（燃料过少）是难于被点燃的。可被点燃的混合气浓度范围的上、下限是天然气点火极限的上限和下限。天然气与空气混合后的工作混合气具有很宽的发火界限。天然气点火极限的上限为15%，下限为5%。其过量空气系数的变化范围为0.60.8可在大范围内改变混合比提供不同成分的混合气。通过采用稀薄燃烧技术，可进一步提高汽车的经济性和环保性。 7起燃方式 天然气自燃温度比汽油更高，因而天然气不宜于压燃，而适宜用外火源点燃。同时由于其辛烷值远高于汽油，所以它又适宜于在较高的压缩比下点燃。也可用在柴油/天然气双燃料汽车上，用柴油压燃方式引燃。 8抗爆性和辛烷值 燃料的抗爆性是指燃料在发动机汽缸内被点燃、燃烧时，避免产生爆燃的能力，亦即抗自燃能力，是燃料的一个重要指标。燃料的抗爆性用辛烷值表示，燃料的辛烷值越大，表示抗爆性越好。汽油的辛烷值MON一般在8189之间；天然气的主要成分是甲烷，纯甲烷的马达法辛烷值MON约为140，5 汪卫东.燃气汽车的现状及发展J.北京汽车.2005,4:1516大多数天然气的MON在115130之间，因为天然气是产地不同，其MON值有一定的差异。所以，与汽油相比，天然气具有较高的抗爆燃性能，因此，燃用天然气的单燃料发动机可采用较高的压缩比，从而可以改进和提高燃气汽车的动力性、经济性。2.1.2 车用天然气技术1车用天然气技术要求从地下开采出来的天然气不能直接用作汽车发动机燃料，由于从地上开采出来的天然气含有烯烃、硫化氢、二氧化碳、水、等杂质。所以，国内、外对车用天然气的质量均有相应标准 技术要求。表2.16 GB18047-2000车用压缩天然气M.北京:中国标准出版社，2000是车用压缩天然气技术要求，对车用压缩天然气发热量、含硫量、二氧化碳、含氧量、水露点温度等作了严格的规定。同时为了车用天然气是安全使用，在压缩天然气加入适量的硫醇、硫醚等含硫有机化合物配制的加臭剂，保证CNG的浓度在空气中达到爆炸下限的20%前能被察觉。表2.1车用天然气的技术要求项目质量指标高位发热量/(MJ/)31.4硫化氢()含量/()15总硫（以硫计）含量/()200二氧化碳()含量/(V/V)3.0氧气()(%)0.5水露点/在汽车驾驶的特定区域，在最高操作压力下，水露滴点不应高于-13；当最低气温低于-8，水露滴点应比最低气温低5。注：气体体积的标参比条件是101.325kPa、20。（1）水分如果车用天然气的含水量过高，对天然气汽车有以下的危害：首先：燃烧的生成的水化合物，会造成管道、储气瓶嘴、充气嘴等的堵塞；天然气水合物是一种像冰一样的固体，它会在管道、钢瓶表面沉积，不仅降低了有效容积，阻碍天然气的流动，严重时会堵塞气嘴。其次：它能加速天然气中酸性气体对金属设备的腐蚀。在天然气中，总是含有少量的酸性气体，如硫化氢、二氧化碳等，这些气体在水中会电离，电离质子的存在会腐蚀金属设备，严重时还会造成金属开裂。同时当环境温度0，会出现结冰7 崔心存.内燃机代用燃料M .北京:机械工业出版社, 1990, 8。因此，在车用天然气中控制水分的含量越少越好。当然现在技术上还不能达到一定要求，所以就把它控制在一个标准。天然气中水份含量通常用水露点和湿度两种方法表示。 水露点是指天然气在一定压力下，天然气析出第一批露珠时的温度，露点温度越高说明天然气中含水分越高，水露点不充许超过标准。否则，影响车辆的正常充气和使用，危及车辆安全。（2）硫化氢开采出来的天然气虽然要经过脱硫处理，但是，天然气中或多或少总会有硫化氢的存在。当天然气中硫化氢的含量过高时，会严重腐蚀钢瓶。天然气中总会有水分，当天然气中含硫量高时，使钢瓶出现氢腐蚀，导致钢瓶氢脆(易造成爆破)，国家规定硫化氢含量不得超过15mg/并越低越好。（3）重烃天然气中会含有一定量的重烃，当到达一定量时，在对天然气压缩的过程中，由于压力变化较大，就会导致烃露点升高，使这些重烃在天然气中凝结成液体。由于这些液体不能被及时气化，在储气瓶中越积越多，会降低储气瓶的有效体积。为此，应脱去天然气中在高压下易液化的重烃，使乙烷及重烃含量3%，以防止发动机点火燃烧不正常。2车用天然气的储存天然气在常温、常压下的密度非常低，为有效的储存天然气，以提高天然气的储存压力，一般采用以下三种方式：(1)压缩天然气：Ceompressed Natural Gas简称CNG，储气瓶内的天然气以高压(通常为20MPa)气态储存，相当于将常压天然气压缩200倍。(2)液化天然气：Liquefied Natural Gas简称LNG，液化后的天然气密度是常温、常压下气态天然气密度的625倍，体积则为标准状况下的1/625，储带方便，应用潜力较大。(3)吸附天然气：Adsothed Natural Gas简称ANG，储气瓶内的天然气以吸附方式(压力通常为3.56MPa)储存。吸附天然气储存的能量密度介于压缩天然气和液化天然气之间，且储存压力大为降低。2.1.3天然气用作汽车能源的优点1.来源丰富按近几年的勘察情况看，天然气的储量比汽油的多，世界上的天然气大约可以开采60年，而石油大约可以开采40年。而我国的天然气可以开采上百年，而石油只够开采20年。2. 热效率高天然气的辛烷值比汽油高，高达130，燃用天然气比燃用汽油时许用的压缩比高24个单位，相应的理论热循环热效率可以提高7%12%。此外，天燃气与空气的混合气形成质量比汽油与空气的好，燃烧的完全度高，有利于热效率的提高。3. 燃料价格较低如果1立方米售价为3.6元，而汽油1升为6.3元。按热值算，1立方米天然气相当于0.81升汽油，因此天然气比汽油便宜38%。压缩天然气汽车是城市公交车及出租车改装的首选车型。下面以出租车为例说明压缩天然气汽车的经济性。如果出租车的改装费用为4000元，压缩天然气与汽油的经济比较如表2.2所示。从表中可以看出，使用压缩天然气后，以每日行驶200km计算，每日节省燃料费60.48元，月节省燃料费为1800元左右，改装费用可在3个月左右收回，则以后每年可节约燃料费19000元左右。从此可以看出，使用压缩天然气的经济性是非常良好的。表2.2 小轿车使用压缩天然气、汽油的比较燃料种类单车日行驶里程/km价格行驶100km燃料消耗量单车日耗燃料费用/元单车日节约燃料费用/元汽车2006.3元/L10.0L126-天然气2003.6元/9.165.5260.484. 排污少天然气的燃烧比较完全，故排放物当中CO比汽油低90%，HC低50%，微颗粒低40%。天然气的热值低，燃烧温度较低，故NOx排放浓度小30%，天然气中含硫量极少，低70%，铅的排放也几乎为零，在发热量相同时排气中的低23%。5.发动机使用寿命长天然气含硫量少，所以燃烧后的硫化物腐蚀性减轻，提高了寿命。同时天然气以气态供入气缸对气缸壁的冲刷作用小，对润滑油的污染轻，使损害减轻。6.维修费用少，可减少50%首先，天然气以气态形式存在不会稀释液态的润滑油，使换油周期增长，1万公里可换润滑油一次。其次，天然气燃烧完全，所产生的积炭少，使火花塞、活塞环寿命增长。7. 怠速及过度工况运行稳定性好不存在汽油所面临的汽油雾化、蒸发、管壁油膜等不稳定因素的影响，混合气浓度易于满足工况要求。2.2天然气汽车2.2.1 天然气汽车分类根据其使用燃料不同、燃料的使用形态不同和使用方法的不同，用图表式，如图2.1所示燃气汽车燃气汽车天然气汽车液化天然气汽车（LNGV）压缩天然气汽车（CNGV）吸附天然气汽车（ANGV）液化石油汽车（LPGV）单燃料燃气汽车两用燃料燃气汽车双燃料燃气车图2.1 燃气汽车的分类1.按储带天然的压力和形态分类（1）压缩天然气汽车（CNGV）。以高压气态储带天然气的天然气汽车称为压缩天然气汽车。储带于储气瓶内的高压天然气（通常是20MPa）工作时，经降压、计量、混合后进入汽缸，也可以直接喷入汽缸或进气管。CNG是天然气汽车的主体。（2）液化天然气汽车（LNGV）以液化储带天然气的天然气汽车称为液化天然气汽车。工作时，液化天然气经升温、气化、计量、混合后进入气缸，也可以直接喷入汽缸或进气管。由于天然气液化后的体积仅为标准状况下体积的1/625，储带方便，所以应用潜力较大。（3）常压天然气汽车（NNGV）。以常压气态储带天然气的汽车称为常压天然气汽车。常压天然气汽车出现于第一次世界大战期间，因为这种原始的储带方式，不仅携带不方便和安全隐患太大，现在基本淘汰。（4）吸附天然气汽车（ANGV）。以吸附方式储带天然气的天然气汽车称为吸附天然气汽车。2按燃料的组成与应用分类。（1）纯（或专用）天然气汽车。纯天然气汽车是指燃用单一天然气的燃料汽车，其发动机为点燃式。这种汽车需要重新设计、制造或原机进行较大幅度的改造，其续驾驶里程较短，故使用范围局限于有加气网络的地区。（2）天然气/汽油两用燃料（Flexible Fuel）汽车。天然气/汽油两用燃料汽车的发动机是点燃式发动机，备有两套燃料系统和天然气、汽油两用燃料。通常是在汽油车是哪个加装一套天然气燃料供给装置而成。它的工作方式是燃用汽油时切断天然气的供给，燃用天然气时切断汽油的供给，不管哪种工作方式，混合气都是预混并有电火花点燃。这种汽车的主要问题是在燃用天然气时动力性下降显著。（3）天然气/柴油双燃料（Dual Fuel）汽车。是指同时燃用天然气和汽油的汽车。在常规柴油车发动机上加装一套天然气供给装置，即可以成为天然气/柴油双燃料发动机。它的优点是可以大幅度地降低大负荷工况的微粒排放，但是小负荷的HC、CO的排放量和燃料消耗率有所增加。3按控制方式分类。（1）机械控制式天然气汽车。是指以机械方式为主控制天然气供给的天然气汽车。（2）电控式天然气汽车。是指利用微机来控制不同工况天然气供给的天然气汽车，电控方式又有开环和闭环之分。（3）机电联合控制式天然气汽车。是指以机电联合控制方式来控制天然气供给的天然气汽车。4按天然气的供给方式分类。（1）喷射式天然气汽车。是指天然气以一定的压力经喷气嘴直接喷入汽缸或进气管的天然气汽车。其燃料供给的方式类似于汽油喷射式汽油机或柴油机的供给方式。（2）真空进气方式天然气汽车。是指天然气靠进气管真空度引入气管的天然气汽车。它的燃料供给类似于化油器式发动机的燃料供给方式。2.2.2天然气汽车的特性天然气是世界上公认的优质燃料之一，它燃烧稳定、安全、比气轻。以天然气代替汽车用油，可显著降低尾气的污染，对改善空气质量有积极的环保效应。以天然气气作为汽车燃料有以下性能指标： 1.动力性能天然气的理论空燃比为17:1，在进入发动机时，天然气将占有约10%的体积空间，导致吸入发动机的空气量减少约10%，进气效率下降，从而引起动力性的下降；与使用汽油相比，使用CNG时的动力性下降约15%。 2.抗爆能力天然气作为汽车的燃料不会稀释润滑油，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。3燃烧性能由于气体燃料的能量密度低，一般行驶距离较汽油车短。由于气体燃料在汽缸中的可燃混合气里占有一定的容积，在同样的汽缸工作容积下，用天然气作燃料时作的功少。而目前用的天然气发动机大多是由原汽油机改装的，因而汽油汽车在改用天然气后功率往往会下降10%20%左右。4. 混合气着火界限宽天然气与空气混合后的工作混合气的着火界限为515，比汽油的1.47.6宽很多。因此，使用天然气可在较大范围内改变混合比，以提供不同成分的混合气。而且可以采用稀薄燃烧技术，进一步提高发动机的经济性和动力性。2.3天然气汽车的发展状况2.3.1国外发展状况天然气是一种洁净的能源,主要成分是甲烷,燃烧后的主要生成物为二氧化碳和水,其产生的温室气体只有煤炭的1/2,是石油的2/38 李广，周淑慧. 我国天然气汽车发展方向和状况 J 北京：中国石油出版社 2008（7）： 69。天然气汽车则是以天然气作为燃料的汽车,按照天然气的化学成分和形态,可分为压缩天然气(CNG)汽车、液化天然气(LNG)汽车和液化石油气(LPG)汽车三种。近年来,天然气汽车在全球发展很快,在应用与运营方面比较成功。天然气汽车是一种理想的低污染车,与汽油汽车相比,它的尾气排放中CO、HC、NOx、下降很多。微粒排放可降低约40%,铅化物可降低100%9 吴基安、吴洋.新能源汽车知识读本M.北京：人民邮电出版社。2009.63。可见天然气对环境造成的污染远远小于石油和煤炭,是一种优良的汽车发动机绿色代用燃料。同时,天然气汽车的使用成本较低,比燃油汽车节约燃料费约50%。此外,与电动汽车相比,天然气汽车的续驶里程长。有关专家认为天然气汽车是目前最具有推广价值的低污染汽车,尤其适合于城市公共交通和出租汽车使用。目前,它已在世界上得到大量的应用。燃料燃值计算天然气汽车在世界上已有70多年的历史。20世纪20年代末、30年代初，意大利人为解决车用汽油短缺问题，率先开发了常压囊式天然气汽车和CNG汽车。到20世纪80年代，由于石油危机加重，改善环境的呼声日渐高涨和压缩机技术的不断进步，天然气汽车获得较快发展。1986年，30多家燃气企业在加拿大渥太华成立了国际天然气汽车协会（IANGV）。自20世纪90年代以来，天然气汽车发展的要素进一步成熟，俄罗斯、美国等国分别成立了天然气汽车协会10 刘永峰.天然气发动机汽车的优势和发展现状J.现代化工，2006.。 根据世界燃气汽车协会的最新统计10，截止到2008年3月，全世界天然气汽车总量超过850万辆，近几年天然气汽车的年均增长率超过30%；天然气加气站则超过了12000座。阿根廷、巴基斯坦、巴西、印度、伊朗和意大利的天然气汽车保有量居世界前六位。值得注意的是，近几年亚太地区的天然气汽车发展迅速，20002007年年均增长50%，其中巴基斯坦、印度、伊朗的CNG汽车保有量分别达到165万辆、82万辆和73万辆（见表2.3）。图就能直观的表示出这些国家的基本状况。相对于我国来说天然气汽车在国外发展比我国要快得多。表2.3 部分国家天然气汽车及加气站统计数据序号国家天然气汽车/辆加气数量/座月均天然气/万标准立方米截止时间1阿根廷16987001753247132008.32巴基斯坦165000019232008.13巴西15328441612211392008.34印度82187232552002008.35伊朗7301074022008.46意大利43290060949002007.37哥伦比亚25168831345002007.58孟加拉16000021121362007.99乌克兰12000022446002007.910亚美尼亚10135220623802008.311美国100000110055002007.912俄罗斯9500022224002007.9图2.2部分国家天然气汽车及加气站统计数据直观图2.3.2 我国天然气汽车发展状况我国天然气汽车从20世纪50年代开始出现，当时主要采用低压气囊式。当时使用天然气汽车是由于我国当时的石油产量低，不能满足汽车燃料使用需求，采用燃气代替燃油是种被动的应急措施。随着我国大庆、胜利等油田的相继发现，我国的石油产量大幅度增长，已经能过满足汽车燃料需求，这一阶段汽油车和柴油车得到了较为迅速的发展，而天然气汽车的发展则停步不前。随着国民经济的迅速发展，交通运输及农业机械化对矿物燃料需求急剧增加，燃油紧缺程度加大，并且由于环境污染日趋严重，从1986年以后，我国天然气汽车出现了发展的好势头。1999年，我国启动了“空气净化工程清洁汽车行动”，由原国家科委、原国家计委、国家环保总局、建设部等13个部委成立了全国清洁汽车行动协调领导小组，随后启动了北京、上海、重庆、四川等12个示范城市和地区，2005年示范城市和地区扩大到19个。2006年，国家再次启动“节能与新能源汽车”高科技计划，继续大力推进天然气汽车发展的进程。截至2007年底，全国已有30个省市自治区的80多个城市推广天然气汽车。其中16个重点推广城市（地区）共发展天然气汽车26.5万辆，比2006年增长近8万辆；建成天然气加气站555座，比2006年增加75座。我国天然气汽车和加气站主要集中在气源地附近，如四川、重庆、乌鲁木齐、西安和兰州等，天然气供应方便，气价低（仅为油价的40%50%）是CNG汽车快速发展的主要驱动力。国内部分城市CNG汽车和加气站统计见图2.211 周美艳. 我国天然气汽车发展现状及对策分析R 沈阳：沈阳东基工业集团有限公司 2009 ,10。作为天然气汽车的一种，液化天然气汽车近年也得到一定发展。加拿大、美国等采用高压直喷技术的液化天然气载重卡车已投入商业运营，该车总载质量为45吨，配备2个680升的LNG储存箱，可连续行驶800千米。我国一些城市和相关厂商自2003年始，也在进行液化天然气汽车及配件的开发，北京、乌鲁木齐、长沙和四个城市已有液化天然气汽车在城市公交车领域的示范应用。随着沿海LNG接收站的建设，未来几年液化天然气汽车在我国必将得到快速发展。图2.2国内部分城市天然气汽车和加气站统计2.4 我国天然气汽车发展面临的挑战（1）市场竞争日趋激烈目前，国内天然气资源丰富的地方，从事CNG加气站投资和运营的企业可分为四种类型：一是国有大型企业；二是城市燃气公司；三是地方公交公司；四是民营实体，这些地政府和多种投资主体的介入，使得目前国内这些地方的CNG加气站市场激烈竞争。（2）安全要求高、车辆排放有待达标现阶段，市场上改装的双燃料汽车基本上没有环保优势，只是可以达到一些中小城市的欧环保标准。目前国内原产重型燃气发动机、燃气轿车整车排放可满足欧标准，还不能达到车辆排放标准12 蔡凤田.汽车节能与环保实用技术M.北京:人民交通出版社,1999.。（3）加气站站址选择越来越困难目前，出于安全的考虑，国内加气站按照建设要求，必须与周围建（构）筑物保持相当的距离，国内大中城市CNG加气站在规划上往往受到市内建成区用地紧张的限制，很难做到合理布局选址，特别是在北京、上海、等特大型城市，站址选择异常困难，影响了CNG汽车发展的积极性。另外，现在许多大中城市CNG站建设用地采用招标的形式出让，土地价格偏高导致加气站建设成本整体升高，经济效益难以得到保证。（4）相关的标准规范有待完善国内天然气汽车产业尚处于发展期，在一系列的标准规范上存在缺失。尽快建立完善相应的标准规范体系。天然气汽车管理监督机制的完善与强化，天然气汽车相关产品认证制度、法规等。只有完善的标准规范体系才是CNG行业安全、健康发展的有力保障。2.5 我国天然气汽车发展的对策（1）天然气发动机技术的保障应用先进的电子控制技术对天然气发动机的燃料供给、点火定时等进行精确控制，是实现天然气汽车发动机高效率、低污染燃烧的关键之一。发动机燃烧技术和高能点技术及协调优化是实现最佳性能的必要条件，因此要优化燃烧技术和配套先进的氧化型后处理技术，达到排放法规和标准但是还是不够完善。（2）天然气钢瓶的研制研制储存量大、耐高压、轻质的车载复合气瓶是必须解决的关键技术。欧洲国家研制并生产的工作压力大于25Mpa的复合材料气瓶，解决了改装压缩天然气汽车时自重的增加和续驶里程受限的问题。我国可以采用别人的已有技术来完善自己。（3）加快完善加气站的建设影响天然气汽车发展的一个重要因素是加气站的建设，计划有步骤地作好发展规划，利用西气东输和进口天然气的管网对沿线和周边城市供气，发展天然气汽车必有大量加气站网点作保障。为大力发展天然气提供必要条件，并尽早投入经费建立天然气的供气系统。（4）国家和政府的支持许多发达国家的政府为了保护环境，制定各种优惠政策鼓励发展燃气汽车，在价格税收、投资、补贴等方面制定优惠措施。国家和地方政府应结合本地区的实际情况，积极发挥引导、支撑、和排障，目前我国正在进行燃油税改革，实行税改以后，燃油价格将上升，对燃气汽车的发展具有重要的促进作用。2.6 本章小结自天然气汽车问世以来到现在为止虽然没有大量代替燃油汽车，但是从发展上来看，有了不小的突破。天然气是一种可以代替燃油的燃料，所以不管国内国外对天然气汽车加大了生产，在2008年时阿根廷的产量已超过了1600000量，我国在天然气储量较广的四川的产量也超过了12.98万辆，在技术上虽然有一定的保障、资源丰富。但是在其他方面，我国都采取一定的措施和对策，从技术发展上看，很多方面都还待改善，比如天然气汽车的性能、排放以及其他特性都还待研究改善。在政府的支持下也可以促进天然气汽车的发展。第3章 天然气汽车性能及特性3.1 天然气汽车的燃烧过程3.1.1天然气燃烧的应用过程热效率的计算1.热效率的计算天然气的燃烧过程中会有一些损失13 杨晨波.天然气发动机燃烧循环变动试验分析与仿真研究A. 动力机械与工程，2010。所以提出了热效率的分析，热效率的分析是以热力学第一定律为基础进行评价，计算公式为：= （2.1）式中 热效率 发动机燃烧得到的热量，kJ 天然气燃烧放出的热量，KJ2.燃值替换计算因为天然气发动机是在柴油机的基础上进行计算分析的，该天然气发动机气缸内的工质已假定为理想气体，该工质由天然气燃料和空气混合而成。其中天然气的低热值为50MJ/kg，而柴油的低热值为42.80 MJ/kg，通过公式（2.2）进行燃料替换计算，得1千克柴油燃料燃烧所放出的热量与0.86千克天然气燃料所放出的热量相等。（2.2）式中：为燃料燃烧所放出的热量（单位为MJ），为燃料质量（单位为kg），为燃料低热值（单位为MJ/kg）。对于天然气发动机，空燃比用于描述气体的组成。空燃比就是可燃混合气中空气的质量与天然气的质量之比。通过公式（2.3）可计算得1千克的天然气燃料需要的理论空气量为17.4千克，则0.86千克天然气燃料需要的理论空气量为15千克。（2.3）式中：为理论空气量（单位为kg），为燃料质量（单位为kg）。那么通过式子（2.4）可计算得可燃混合气的理论空燃比为17.4。（2.4）式中：为理论空气量（单位为kg），为燃料质量（单位为kg）。通过上述计算可以知道，天然气的热值比柴油的燃烧释放出来的热量还高，不过现在技术跟不上，有很多因素可以导致天然气汽车的性能受到影响。3.1.2 CNG发动机和汽油机燃烧的比较1 NG与汽油的特性比较（1）辛烷值CNG的辛烷值RON为115130,适宜的压缩比()为1012,极限可达到15,14 黄海波.燃气汽车结构原理与维修(第一版)M.北京:机械工业出版社,200203这是CNG既适宜点燃式发动机又适宜压燃式发动机的重要原因；现代汽油机的为6.510.0,个别可达到11。从热力循环理论上讲,提高发动机的可提高其动力性和热效率。（2）燃烧特性CNG空气混合气的稳定性远高于汽油空气混合气。层流火焰速度(SL)是关于燃烧物理和化学过程的很重要的特征参数,在过量空气系数()为0.751.25的范围内对SL进行试验表明,空气混合气的SL为33.8cm/s,比汽油空气混合气的SL(39 cm/s47cm/s)低得多,使得CNG发动机的燃烧持续时间增大,偏离等容加热过程,致使热效率降低。另外,CNG空气混合气的发火界限很宽,在=0.61.8均可燃烧,有利于稀薄燃烧,提高经济性,降低排放表3.115 邵毅明,压缩天然气汽车改装与维修M.人民交通出版社,2004,5.。3.1汽油和天然气燃烧污染排放物比较表排放物汽油天然气气比油排放颗粒杂质（g/km）0.120.0741.67%非甲烷烃类(g/km)5.172.4452.80%NOx(g/km)10.527.2231.37%CO(g/km)4.380.4589.73%HC(g/km)21.046.3070%（3）混合气热值在相同的环境条件下,相同体积中含有的分子数相同,分子中含C和H原子数越多的物质,燃烧产生的热量越多。CNG是复杂的HC混合物,以甲烷为主要成分。1个甲烷分子含有1个C原子和4个H原子。因此,CNG的热值略高于汽油（见表3.2）图3.1所示它们的一系列特性可知汽油相对分子量密度比较高，而热值是天然气的较高理论相比起来汽油就稍差一点。图可以清楚看出它的百分比。表3.2燃料的特性燃料汽油甲烷CNG分子式CH4相对分子量11016.0417.082密度/ kgm-37500.720.782高热值/ MJkg-147.355.553.11低热值/ MJkg-144.048.7947.93理论空燃比14.617.1616.34研究法辛烷值(RON)92.98130115130理论混合气低热值/ MJkg-12.832.692.76环境条件:温度为0,大气压力为10图3.1燃料的特性但在CNG空气混合气中,由于CNG分子占据了部分空气分子的位置,使得其热值约低于汽油空气混合气10 %16 姚勇.EQ61001C汽油/CNG两用燃料发动机研究J.拖拉机与农用运输车,2005(3):32-36。汽油在进入气缸前并没有完全汽化,实际上即使压缩行程终了汽油也达不到完全汽化；另外,在汽油汽化时吸收热量,使汽油空气混合气的温度降低,密度增加,有利于充气系数的提高。针对CNG的特点,可采用缸内喷射的方法,提高充气系数,从而提高输出功率。（4）着火温度一种燃料的自燃温度不是一个常数。CNG的自燃温度为63073017 孙济美.代用燃料汽车技术J.汽车工艺与材料,2002(11):14,汽油的自燃温度为220470,因而CNG较适宜于较高下的点燃。利用汽油机进行改制有其方便性,自燃温度高表明CNG有较好的安全性。（5）燃料互换性发动机燃料的互换是以辛烷值为依据的,替代燃料必须与原来燃料的辛烷值相同才行。而辛烷值是燃料的抗爆震参数,辛烷值越高燃料的抗爆震性能越好。由于目前的发动机还没有达到CNG的抗爆震极限,所以,现在没有使用抗爆震参数作为互换的依据,而是采用沃泊指数(W),相同W的燃料可以互换。W的物理意义是体积热值,用公式W=H/18 姚勇. CNG发动机和汽油机燃烧的比较分析J 河北石家庄：河北师范大学职技学院 2005（10）31来计算,W为CNG的沃泊指数；H为CNG的体积高位发热量,MJ/；d为CNG的相对密度,空气的相对密度为1。从上述的燃烧比较可以得知，天然气的燃烧有其独特的优点，所以发展天然气汽车可代替燃油汽车无法实现的特性。但是还是有其缺点在技术上不能解决它的性能等问题，如果能突破技术上的难关天然气汽车就将得了广泛的使用。3.1.3 天然气燃烧过程对性能的影响燃烧过程会受到很多因素的影响，而天然气对其影响也是主要的因素，所以本着这种情况对天然气特性对燃烧过程的研究分析。常温下的天然气含碳量较少，值轻易燃气体，经过净化、干燥、压缩处理后呈气态的压缩气体，主