天然气汽车发展现状及趋势 陈 昊，韩 斌，陈轶嵩，张鹏，贺晶晶，马金秋，滑海宁， 李阳阳，马文晓，谢斌 （长安大学汽车学院，陕西西安７１００６４） 摘要：在能源结构优化、环境污染控制、气候变化约束的驱动下，天然气汽车具有较高 的发展潜力。天然气汽车动力源主要有４种形式：压缩天然气（ＣＮＧ）单一燃料发动机（燃 料是天然气或天然气掺氢）、ＣＮＧ汽油两用燃料发动机、ＣＮＧ柴油双燃料发动机、液化天然 气（ＬＮＧ）发动机。天然气汽车主要应用于我国交通运输行业营运车辆，主要以ＣＮＧ汽车、 ＣＮＧ／汽油两用燃料汽车的形式在出租车中应用；以ＣＮＧ汽车形式在公交车中应用；以ＬＮＧ 汽车形式在重卡中应用。天然气汽车未来应该大力发展ＬＮＧ重卡；保持ＣＮＧ公交客车比例， 并推动气电混合动力公交的发展；将两用燃料出租车逐步替换为ＣＮＧ汽车。发展天然气汽车 对我国能源结构优化、交通运输节能减排具有重要意义。 关键词：天然气汽车；ＣＮＧ发动机；ＣＮＧ／汽油两用燃料；ＣＮＧ／柴油双燃料；ＬＮＧ发动机 中图分类号：ＴＫ０１ 文献标识码：Ａ文章编号：１００３．２３５５一（２０１ ８）０２．００３６．０６ Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００３—２３５５．２０１ ８．０２．００７
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｏｆ ｃｌｉｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＣＮＧ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｆｏｕｒ ｅｎｇｉｎｅ ｍｏｄｅｓ：ＣＮＧ ｅｎｇｉｎｅ ｆｕｅｌｅｄ ｗｉｔｈ ＣＮＧ ｏｒ ｍｉｘｔｕｒｅ ｏｆ ＣＮＧ ａｎｄ Ｈ２，ＣＮＧ／ｇａｓｏｌｉｎｅ ｂｉ—ｆｕｅｌ ｅｎｇｉｎｅ，ＣＮＧ／ｄｉｅｓｅｌ ｄｕａｌ ｆｕｅｌ ｅｎｇｉｎｅ，ａｎｄ ＬＮＧ ｅｎｇｉｎｅ．Ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｓｅｃｔｏｒ，ｗｉｔｈ ＣＮＧ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ，ＣＮＧ／ｇａｓｏｌｉｎｅ ｂｉ—ｆｕｅｌ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ｆｏｒ ｔａｘｉｓ，ｗｉｔｈ ＣＮＧ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ｆｏｒ ｂｕｓｅｓ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ＬＮＧ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ｄｕｔｙ ｔｒｕｃｋｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ，ＬＮＧ ｈｅａｖｙ ｄｕｔｙ ｔｒｕｃｋｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ；ＣＮＧ ｂｕｓｅｓ ａｎｄ ＣＮＧ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈｙｂｒｉｄ ｂｕｓｅｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ；ｂｉ—ｆｕｅｌ ｔａｘｉｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ ｗｉｔｈ ＣＮＧ ｔａｘｉｓ．Ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ ｐｌａｙ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ ｓｅｃｔｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓ；ＣＮＧ Ｅｎｇｉｎｅｓ；ＣＮＧ／Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｂｉ．ｆｕｅｌ；ＣＮＧ／Ｄｉｅｓｅｌ Ｄｕａｌ Ｆｕｅｌ；ＬＮＧ Ｅｎｇｉｎｅｓ
１ 概述 天然气作为汽车代用燃料，具有来源丰富、 燃料经济性好、污染物排放量少、安全性好等特 点。天然气辛烷值高达１ ２０，天然气发动机许用压 缩比可以达到１２（汽油机为６～８），理想循环热效 率可以提高７％～１２％…。此外，天然气与空气形成 的混合气质量比汽油与空气形成的混合气的质量 好，提高了燃烧完全度，有利于热效率的提高。 天然气自燃温度高达５４０℃，汽油的自燃温度 为２６０～３７０℃，在汽车发生碰撞等事故时，天然 气在容器内激烈震荡、摩擦、温度急剧升高达到
自燃点而起火爆炸的可能性比汽油低…。天然气 分子量比空气小，气瓶意外泄漏时，天然气会迅 速向上逸散，不易聚积；天然气可燃范围下限为 ５％体积比，明显高于汽油的１．３％体积比，由此 看出，天然气很难达到被点燃的浓度条件。因此， 天然气汽车安全性较好。 ２ 天然气汽车发展现状 ２．Ｉ 天然气汽／｝ 仃艟 础没施 截至２０１５年６月，我国天然气汽车保有量已 达５００万辆，加气站７９５０座，均位居世界第一位口】。
收稿日期：２０１７—１１－０７ 作者简介：陈吴（１９８１一），博士，副教授，长安大学汽车学院副院长；主要从事清洁能源汽车技术、汽车代用燃料开发与应用的研究工作。
３６／中回：５忐溺·ＥＮＥＲＧＹ ＯＦ ＣＨＩＮＡ 伊朗天然气探明储量居于世界第一位，其天然气 汽车发展迅速，保有量已达４００万辆，加气站 达２３８０座 】。据ＢＰ年度能源统计显示，我国天 然气探明储量由２０ｌ４年底的３．５万亿ｍ 增长至 ２０１６年底的５．４万亿ｍ ［３１，天然气探明储量仍很 低，属于“贫气”的能源结构。近年来，我国大力 发展新能源汽车（纯电动汽车与混合动力电动汽 车），大力推动电动汽车和零部件的生产及产业整 体发展。国际能源署的数据显示，２０１ ５年中国的 电动轿车保有量为３１．３万辆；２０１６年达到６４．８万 辆。中国新能源汽车保有量（包含电动轿车和其它 车型）达１０９万辆，与２０１ ５年相比增长８６．９％， 其中，纯电动汽车保有量为７４。ｌ万辆，占新能源 汽车总量的６７．９８％。目前，天然气汽车仍是我国 应用最为广泛、推广最为成功的清洁能源汽车。 ２．２ 天然气汽车发展的能源 障 我国天然气探明储量远远低于伊朗、俄罗斯、 卡塔尔、土库曼斯坦等“富气”国家。如果按单位 国土面积来计算，我国单位面积天然气储量极低。 但是，较石油而言，天然气来源较为丰富。 第一，中亚油气管道、中俄油气管道为我国 天然气供给提供了保障。２０１４年５月，在中俄两 国元首的共同见证下，中国石油与俄罗斯天然气 工业股份公司签署《中俄东线供气购销合同》，投 资金额高达４０００多亿美元，合同期３０年。双方 约定，从２０１ ８年起，俄罗斯将每年向中国输送 ３８０亿ｍ 天然气 ］。２０１ ５年我国原油对外依存度 已达６０．６％，天然气对外依存度接近３２％。这种 能源保障受到地缘政治、国际关系等问题的影响。 第二，我国天然气资源潜力大，截至２０１５年 底，我国常规天然气剩余可采储量５．２万亿ｍ ； 煤层气剩余可采储量３０６３亿ｍ ；页岩气剩余 可采储量１３０２亿ｍ ３【 。页岩气是指赋存于以富有 机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，是 连续生成的生物化学成因气、热成因气或二者的 混合，可以游离态存在于天然裂缝和孔隙中。国产 气已经形成常规、非常规多元化供气局面。２０１５ 年，我国国产气１３５０亿ｍ。，其中煤层气抽采量 ４４亿ｍ ，页岩气产量４６亿ｍ。；进１５气６１４亿ｍ ， 其中管道气３５６亿１Ｙｌ ，ＬＮＧ２５８亿ｍ 。 第三，海域成为未来天然气主要增储上产区 之一，我国东海和南海都有非常丰富的天然气资 源。我国海域还拥有储量丰富的可燃冰。可燃冰 学名天然气水合物，主要成分是甲烷，是一种白 色或浅灰色结晶，是一种自然存在的冰状笼型化 合物，主要分布于海洋、少量分布于陆地冻土带。 作为燃料能源，可燃冰清洁无污染，燃烧放热量 大，１１１３ 可燃冰相当于ｌ６４ｍ 天然气燃烧释放的 热量 ＇ 。 ２．３ 天然气汽车发展的驱动力 （１）能源消费结构的优化驱动 能源消费没有最优结构，或者说不同的目标 约束会产生不同的能源消费结构。在未来２０年 内，石油、天然气和煤炭仍然为三大主要能源。 在此背景下，五大常规能源消费量的合理排序为 石油、天然气、煤、核能与水电。２０１６年，我 国一次能源消费量达３０５３Ｍｔｏｅ，较２０１ ５年增加 １．５７％，除煤炭消费量下降外，其余能源消费量均 有所增长；可再生能源消费量基数小，增加幅度 高达３３．７０％。按合理消费量排序，我国天然气、 核能和可再生能源有较大的发展空间。 ２０１ ５年，我国人均天然气消费量约１４０ｍ ， 天然气占一次能源消费总量的比重约为５．９％，远 低于世界平均水平的２３．７％。随着我国绿色低碳 能源战略的持续推进，发展清洁低碳能源将成为 优化能源结构的重要途径，未来较长一段时间天 然气将在我国能源发展中扮演重要角色 ］。 （２）环境污染的控制驱动 以内燃机为动力源的汽车在运行过程中会产 生大量污染物排放，包括ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ 、颗粒 物以及非常规的醇类、醛类、酸类、酮类等物质。 与汽油相比，天然气燃烧比较完全，其ＣＯ排放 比汽油低９０％，ＨＣ比汽油低５０％，颗粒物比汽 油低４０％；天然气混合气热值低，燃烧温度较 低，其ＮＯ 排放比汽油低３０％…。我国提出发展 清洁能源汽车，天然气作为技术成熟、应用广泛 的清洁代用燃料将在特定领域持续高速发展。 （３）气候变化和碳排放的约束驱动 化石燃料燃烧和毁林、土地利用变化等人类 活动所排放的温室气体导致大气温室气体浓度大 幅增加，温室效应增强，从而引起全球气候变暖。 据美国橡树岭实验室研究报告显示，自１７５０年以 来，全球累计排放了二氧化碳１万亿ｔ以上，其中 发达国家排放约占８０％『８】。气候变化导致灾害性 气候事件频发，冰川和积雪融化加速，水资源分 布失衡，生物多样性受到威胁，气候变化还引起 海平面上升 】。甲烷Ｃ／Ｈ比低、含碳量低，相同 工况下天然气汽车ＣＯ，排放较汽油车低２０％。
第４０卷第２期２０１８年２月／３７