天然气汽车_1--天然气概述.ppt

1、天然气概述,消费结构、制备、储量分布、 优点：节能减排，缺点 国内外研究现状,随着排放法规的日益严格和能源需求的日益加大，发展车用替代燃料已成为汽车领域发展的新热点。 天然气由于储量丰富，排放低等特点成为各大汽车厂商开发替代燃料汽车的理想选择。,在各种代用燃料中，天然气因其储量丰富而具有特别意义,天然气的主要成分是甲烷CH4（质量含量一般在83%99%）及少量的烃类和CO2等。 天然气空气混合气的燃烧值高达3226kJ/m3（汽油为3758kJ/m3，柴油为3819kJ/m3），很适合作发动机燃料。天然气燃料本身是气体状态，不需要进行雾化，燃烧很充分。 天然气是一种清洁燃料，排气中的CO为汽油

2、的1/41/36；HC为1/21/3；NOx为2/31/3。 天然气的抗爆震能力强，其辛烷值高达110127，故可大幅度提高发动机的压缩比。 天然气燃烧的过量空气系数变化范围广，为0.581.8，这就有利于组织“稀薄”燃烧，进一步提高发动机热效率。,石油是一种无法短期内再生的资源，随着全世界内燃机保有量的增加，作为内燃机主要燃料的石油面临着日益短缺的严重问题。英国石油的研究报告显示，2002年，在全球能源使用量中，石油占37.5%，天然气占24.3%，煤炭占25.5%，水力发电占6.3%，石油仍为全球第一大能源品种 。,车上用以取代汽柴油的燃料，这些燃料多以煤、天然气、石油副产品、生物质等为原

3、料制备。代用燃料首先强调的是石油替代性，因此代用燃料主要是由非石油能源和石油副产品生产的。 甲醇、合成油、二甲醚等代用燃料在国际上多以天然气为原料，在中国则主要以煤为原料，因此又称为煤基燃料。,为提高气体燃料的能量密度，在汽车上使用天然气时，或是将天然气加压，或是将天然气液化。 天然气压缩后储存在高压气瓶中放在车上相当于普通汽车的油箱，气瓶中气体的压力一般为20MPa，这就是所谓的CNGV (Compressed Natural Gas Vehicle)，即压缩天然气汽车。 将天然气在常压下一162时液化后装入低压保温容器中放在汽车上作为燃料，就是所谓的LNGV(Liquid Natural

4、Gas Vehiele)，即液化天然气汽车。 在油田轻烃回收装置中处理天然气时和在石油炼制过程中都有一种以丙 烷和丁烷为主的副产品。它们也是天然气组成的一部分，较易液化，在常压下是气态，也可做汽车燃料，这就是液化石油气LPG(Liquefied Petroleum Gas)。靠燃烧LPG获取动力的汽车叫液化石油气汽车，英文缩写为LPGV，习惯上也将LPGV作为天然气汽车的一种。,天然气储备接近于石油储备(石油储备为1410亿吨)。根据2000年世界天然气和石油的需求状况，天然气还够用63年，石油还够用41年。 因此，天然气在全球能源储备上的重要作用不言而喻。如果近几十年 能把天然气用作汽车燃料

5、，就会极大地拓宽稳定的汽车动力能源的来源，以防止液态燃料的不足。,我国天然气储量较为丰富,全国天然气资源量为47.4万亿m3，最终可采资源量1015万亿m3。 自20世纪90年代以来，陆上形成了三个新气区：塔里木盆地、鄂尔多斯盆地及柴达木盆地；一个老气区四川盆地获得了新发展。近海形成了两大气区：莺歌海琼东南盆地和东海盆地。 六大气区天然气可采资源量为9.285万亿m3，占全国可采资源量的66%。截至2004年底，六大气区累计探明天然气可采储量2.4266万亿m3,占全国探明可采储量的88%。六大气区的形成和发展，推动了天然气产量和储量的快速增长。,天然气当之无愧成为汽车燃料，这不仅是因为天然气

6、的开采量在日益增多，而且还因为天然气发动机的排放性能比较好，主要表现在CO排放量较小、未燃HC成分引起的光化学反应低、燃料几乎不含硫的成分、微粒的排放量几乎为零。相同压缩比情况下改变发,动机的燃料和燃料供给方式时的废气排放结果表明：天然气发动机的NOX的排放量比汽油机约低30%，天然气发动机NMHC的排放量比汽油机低5060%，天然气发动机排放废气中HC的大部分是甲烷，而甲烷在空气中比较稳定，光化学反应低。另外，天然气发动机CO2的排放量比汽油机约低20%。因此，使用天然气可以将影响地球气温升高的因素CO2排放量降低20%，这对生态环境保护是很有意义的。同柴油机相比，天然气发动机的NOx和颗粒

7、排放特别少，因此不需要安装昂贵的颗粒过滤器。,面对不断增长的汽车数量，内燃机节能和不断降低排放成为永恒的任务。在这种情况下替代燃料受到了世界范围内的广泛重视，特别是天然气以其长期可获得性和均匀的地域分布优势而成为最有前途的车用代用燃料，天然气发动机得以深入研究和发展。,天然气发动机的发展状况,基于天然气的丰富储量和良好的排放特性，世界很多国家和地区在发展天然气汽车（CNGV）方面投入了巨大的精力，进行了大量的研究开发工作，并已具备了较为成熟的技术。 南美制定了“蓝色走廊”（Blue Corridors）计划，在巴西的圣保罗，阿根廷的布宜诺斯艾里斯，乌拉圭的蒙得维的亚，智利的圣地亚哥之间建立“蓝

8、色走廊”，协调天然气运输、供应及进出口问题，协调发展天然气汽车，尤其是公交和公路运输车辆燃气化的问题，并在税收上给予优惠。到目前为止，南美是CNGV保有量最大的地区，CNGV保有量近300万辆。,美国自80年代初开始进行CNGV的研究工作，特别是1990年，美国政府颁布的能源政策法案（the Energy Policy Act）鼓励进行替代燃料技术的研究、开发和引进。其目的是使用可再生的国内能源来降低对进口石油的依赖。能源政策法案颁布后，美国能源部设立多个项目来促进能源的多元化和替代石油基汽车燃料。美国可再生能源试验室设立的“燃料利用项目”鼓励发动机制造商将已经过试验室验证的代用燃料发动机装备

9、到在用车上，为其进行投产前与传统车的性能比较和用户使用试验。 1996年，美国能源部重型车技术办公室投资进行重型车用天然气系统的技术开发，支持在竞争激烈的交通运输业中增加天然汽车的使用量。该项目的目标是降低天然气汽车的排放，实现天然气汽车经济规模，持续支持所有新天然气系统的试验和安全评价。政策法案的引导和多个支持项目的进行促进了美国天然气汽车的快速发展。亚洲有16个国家发展天然气汽车，已经拥有天然气汽车100多万辆，其中，巴基斯坦70万，印度20万。,国内外研究现状,天然气发动机的燃料供给与控制系统,也经历了混合器机械控制式、混合器机电控制式、电控单点喷射式、电控多点喷射式等阶段。燃料供给与控

10、制系统不同，发动机的性能也有所不同，特别是排放性能差别明显。 就电控技术本身而言，天然气发动机的控制策略和控制算法在国外已属成熟技术，诸如BOSCH、DELPHI、DENSO、SIEMENS等公司都有针对不同排放标准的产品投放市场。今后电控系统的发展有如下趋势：,（1）安全与环保，重视安全与环保是未来汽车发展的大趋势。 （2）电子元件微型化，由于技术进步，微型化的趋势是十分明显的。例如，BOSCH公司的汽油机燃油管理系统的发展，在不断提高功能的同时，都大大减少了零件数量、体积与质量。16位和32位微处理器正在迅速地扩大市场。 （3）集成化、模块化、区域网络化。为了减小体积，减轻质量，提高可靠性

11、，减少装配工时，这都要求将分散的部件，组合成一个整体模块，就像汽油发动机的点火系统、喷油系统，现在已经集成为一个燃油控制管理系统。这样可以共用传感器、控制元件、线路，使零件数量减少，减少连接点从而提高可靠性。,（4）传感器向智能型发展。由于电子控制系统的复杂多样化，使其所需要的传感器种类和数量不断增加。为此，研究新型、高精度、高可靠性和低成本的传感器是十分必要的。未来的智能化集成传感器，不仅要能提供用于模拟和处理的信号，而且还能对信号作放大和处理。同时，它还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正，具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力，以保证传感器信号的质量不受影响。即使在特别严酷的使用条件下仍能保持

12、较高的精度。它还具有结构紧凑、安装方便的优点，从而免受机械特性的影响。 （5）新的控制理论和方法将大量应用。除了经典的PID控制方法外，随着控制技术的不断发展，一些新的控制方法将更多地应用于汽车的控制系统之中。如最优控制理论、模糊控制理论等，相信随着所有这些控制方法在汽油机上的成功应用，将极大改善汽油机控制系统控制的质量精度，提高使用性能。,国内CNG汽车发展现状,天然气汽车的结构发展经历四代,车用天然气发动机技术的发展过程大致经历了三个阶段,第一阶段是20世纪60年代以前。这个阶段CNG汽车在前苏联、意大利等少数国家和地区有所发展，主要目的是以气代油，节约能源。这一时期的技术研究主要是解决车

13、辆的驾驶性能，如起动性、运行可靠性等，尽量缩小与液体燃料发动机的各种性能差距，特别是动力性差距。此时开发的是用于化油器汽车的混合器式CNG发动机装置。 第二阶段是20世纪60年代以后到90年代初，这个阶段的主要目的是解决汽车尾气排放污染问题。由于天然气汽车比汽、柴油车的排放污染少，许多国家都大力推广天然气汽车。技术上主要是进一步降低有害排放物，先后开发了用于开环控制供气的化油器式汽车及开环控制的电喷供气装置，开发出了较为环保的比第一代先进的天然气汽车。 第三阶段是20世纪90年代以后。由于汽油机进行了技术改进，排放污染也大大减少，天然气汽车优势不明显，从而促进了CNG汽车产业对发动机进行改造，

14、开发出更先进的闭环电子控制、电子数字控制、单点与多点电喷、高压直喷的燃气供给系统。特别是1995年以后，在车用天然气发动机上采用了理论空燃比反馈控制稀燃等技术，使车用天然气发动机效率、经济性，排放性和动力性都有极大的提高，车用天然气发动机技术发生了质的飞跃。,吸附储气法采用在3.5MPa压力下把天然气吸附在多孔活性炭中的储气方法(取代了通常以20MPa压力存储压缩天然气的方法)，汽车的排放情况最好。而且，气瓶压力降低能减少能耗及压缩时有害废物的排放。这种多室非圆形气瓶用铝合金制成，能较方便地安装到汽车上。液化储气法将天然气以液态储存在-162的专用气瓶中，因为两层瓶壁之间为高度真空，所以能达到

15、较为理想的绝热。液化天然气含杂质较少，存储液化天然气所使用的气瓶也比压缩天然气气瓶轻得多。但是，这种气瓶目前成本较高，而且在使用过程中还存在着漏气。另外，还得建立高产能的天然气液化工厂。目前广泛应用的天然气汽车是采用以20MPa压力存储压缩天然气的压缩天然气汽车。,压缩天然气发动机按燃料种类分为单一燃料天然气发动机、两用燃料发动机和柴油-天然气双燃料发动机。,两用燃料发动机使用汽油或压缩天然气,当发动机燃用天然气时，发动机的功率将不可避免地降低1318%。这是因为：发动机的功率下降，不仅与天然气燃料较大的分体积、较低的化学计量热值、较小的机械效率有关，而且还与天然气发动机要更多地加热混合气有关

16、。,柴油天然气双燃料发动机,从理论上说，由于保持了原型柴油机较高的压缩比和质调节，所以具有很高的燃料经济性。但是应该看到，在负荷减少和质调节时，部分燃烧室内的空气天然气混合气不易燃烧，导致发动机尾气中甲烷排放量较大，因此在部分负荷工况下，必须采用量调节，但是与质调节时相比，燃料的经济性有所降低，而且发动机的调节系统趋于复杂化。不能不注意到，发动机燃料供给装置中的一个重要零件柴油发动机的喷射器的可靠性有所降低。在使用柴油天然气时，它的温度急剧上升，因为同原型柴油机一样，热流停留在喷射器，而当发动机满负荷运行、发热强度最大时，喷射器的散热速度极大降低，这也加速了喷孔的焦化。研制柴油天然气双燃料发动

17、机所取得的一系列成果，是建立在使用非常复杂的控制液态和气态燃料供给的微信息处理装置之上的。要知道，这种带有两套燃料供给装置的发动机，结构过于复杂、成本过于昂贵，也是其缺点之所在。由于上述问题，柴油天然气双燃料发动机一般仅作为单一燃料天然气发动机的过渡产品，应用在加气设施不够完善的地区。,单一燃料天然气发动机只使用压缩天然气，,可以在汽油机或柴油机基础上开发而成。 在汽油机基础上开发的天然气发动机主要应用化学计量混合气发动机方案，并使用三元催化器。这一方案能使发动机排放的有害废气大为减少。但是天然气发动机的燃料经济性明显降低，零部件的热负荷也相应增加，这就要求在发动机生产过程中，对汽油机、天然气

18、发动机分别采用不同的材料及工艺，但由于天然气发动机的产量相对较小，这么做成本较高。另外发现，天然气发动机的气门和气门座磨损明显加剧，这是由于天然气发动机在燃烧过程中，在气门和气门座表面没有形成象汽油机燃烧时那样形成的保护层。,在柴油机基础上开发的天然气发动机可以采用图1-7所示的5种方案。第1种采用理论空燃比方案的天然气发动机燃料经济性明显降低，发动机的能量利用率平均比柴油机低1020%，零部件的热负荷高。采用第3种方案的天然气发动机，如果不使用催化转化器，要想达到欧排放标准是不可能的。因为，要想达到原型柴油机的原有功率和扭矩，过量空气系数就必须降低到=1.051.2。这是NOx排放量最大时的

19、过量空气系数值，最大扭矩及额定功率工况点对按欧排放标准确定的NOx排放量影响甚大。采用第4种方案的天然气发动机必须使用带有氧传感器的燃料电控定量供给装置、在节气门全开时三元催化器开始工作。在这一方案中，同原型柴油机相比，天然气发动机有可靠性下降的危险。把采用上述各种方案改装的发动机的性能指标进行对比分析发现，第2种稀薄燃烧方案是最合适的方案。,亚洲已经成为继南美之后天然气汽车发展最快的地区，韩国，日本，泰国，菲律宾等国家都在积极推广使用天然气汽车。早在30年代初，欧洲的意大利和苏联就开始出现以CNG作为燃料的汽车。除了意、俄外，其他如荷兰、英、德、法等20多个国家的企业和政府都很重视这方面的工

20、作。1995年5月，欧洲联盟国家与1994年1月成立的欧洲天然车协会共同制订了“欧洲代用燃料政策”，对欧洲的天然气汽车发展起到了巨大的推动作用。 我国政府在1999年开展了“清洁汽车行动”，对天然气发动机进行研究开发。到目前为止，我国16个示范城市内有公交车3万多辆，出租车6万多辆，其它用途车辆超过3万辆，还有10余个省市正在启动天然气汽车的发展计划。,国外研究发展状况,在国外一些发达国家电控喷气技术在天然气发动机上已经获得一定的应用： 日本本田公司（Honda）研制的天然气发动机采用了在电控燃油喷射系统(PGM-FI)的基础上发展的电控多点气体喷射系统(PGM-GI)，天然气由气体喷射器供到

21、发动机进气门处，发动机的排放值明显降低，CO和HC分别比燃用汽油时下降了78%和80%；该公司经过多年研究开发的小型天然气汽车CIVIC GX型也采用了电控多点喷射供气方式，配合氧反馈式三元催化转换系统，实现了超低污染物排放。 沃尔沃客车公司开发成功的THG103天然气发动机为电控单点喷射式单燃料天然气发动机，采用了稀燃技术19。,国外研究发展状况,美国福特公司1999年推出的天然气发动机也采用多点喷射系统，新一代缸内喷射系统也正在研究之中。 美国的西南研究院(SWRI)研制成功HDDGE重型天然气发动机以及CUMMINS的C系列电控进气道单点喷气增压中冷天然气发动机。 目前在美国底特律柴油公

22、司（DDC）的DDC6V-92TA柴油机和德国MAN-B&W公司的28/32柴油机上改装的双燃料发动机都开发应用了天然气电控缸内直喷(NGDI)系统，采用专用喷气装置通过电子控制实现天然气的缸内直接喷射、稀薄燃烧结合催化技术实现发动机超低排放。,国内研究发展状况,在国内，目前还处于自主开发电控喷气技术的发展阶段，也有很多企业和学校开发喷气发动机控制系统，研究利用柴油引燃天然气以及汽油-天然气两用燃料发动机等，天然气替代率可达到80%以上，但因缺乏双燃料发动机的技术改进以及系统控制手段，怠速排放控制难度大。,国内研究发展状况,国内大型公交车用天然气发动机多为进口机型，国产机型多为机械混合器式，电控机型所占比例低于5%。国内市场急需国产高性能大功率低排放的天然气发动机。 上海柴油机股份有限公司的T6114系列天然气发动机是在D6114柴油机的基础上，专为城市客车开发