天然氣汽車的經(jīng)濟(jì)性分析

何田，潘江如，印治濤

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

前言

從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，文章著重分析天然氣汽車和汽油、柴油等傳統(tǒng)燃油汽車的燃油消耗量的經(jīng)濟(jì)性對比，具有重要的現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)效益。目前的文獻(xiàn)中，大部分是將傳統(tǒng)燃油汽車與純電動汽車的全生命周期成本進(jìn)行了系統(tǒng)性的對比分析，天然氣是最清潔的可再生性能源，應(yīng)是當(dāng)下作為汽車能量消耗的主要研究對象。相比傳統(tǒng)性的混合型動力汽車 ，天然氣汽車不僅僅是在有害氣體（CO、NOX）、溫室氣體CO2的排放問題上做出了巨大的貢獻(xiàn)，而且天然氣汽車還提高了車輛的動力性能。因而，天然氣汽車的前景接受度可能性相對高于以前的燃油汽車和純電動型汽車。

天然氣與之前的汽車燃料相比，比如汽油、柴油，天然氣具有很多方面的優(yōu)勢，天然氣資源豐富，燃燒污染小，經(jīng)濟(jì)性能更好，而且更加的安全。天然氣同時(shí)也對國家又好又快發(fā)展是有益的，提供廣大的源泉與動力。包括中國在內(nèi)的世界各國，資源短缺和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，這也就使得人們對于排放污染小的燃料的需求量越來越大，這樣肯定會導(dǎo)致清潔型資源在消費(fèi)觀念中有了大幅度的提升，比例平均每年逐步增長。

文章通過研究天然氣汽車加速百公里耗氣量的計(jì)算方法，和耗氣量的消耗過程的描述，采用疊加的計(jì)算方法給出了比較系統(tǒng)的燃?xì)庀牧浚㈥U述了天然氣汽車的經(jīng)濟(jì)性能。

1 天然氣汽車的耗氣量的計(jì)算

汽車加速百公里氣耗計(jì)算主要通過計(jì)算汽車在加速行駛100km的各個(gè)瞬態(tài)的耗氣量的累加值，為了簡化分析，可以將整個(gè)過程分為等加速階段、等速階段和等減速階段[2]。

1.1 等加速行駛工況

在汽車加速行駛情況下，阻力功率主要表現(xiàn)為滾動阻力功率、空氣阻力功率和加速阻力功率。這時(shí)的汽車功率平衡方程為：

式中：pe-發(fā)動機(jī)功率；ηt-傳動系效率；G-重力；f-滾動阻力系數(shù)；CD-空氣阻力系數(shù)；A-汽車的迎風(fēng)面積；ua-汽車速度；δ-汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m-汽車質(zhì)量；-汽車行駛加速度。

其中，δ主要和飛輪的轉(zhuǎn)動慣量、車輪的轉(zhuǎn)動慣量以及傳動系的傳動比有關(guān)：

式中：Iw-車輪的轉(zhuǎn)動慣量；If-飛輪的轉(zhuǎn)動慣量；i0-主減速器傳動比。

圖1 等加速過程燃?xì)庀牧縁ig.1 Gas consumption in accelerated process

以每增加1km/h的速度為間隔，將汽車加速過程可以分為若干個(gè)相同寬度的小區(qū)間，并將各個(gè)區(qū)間計(jì)算的氣耗量相加，即得加速氣耗量。（如圖1）

每個(gè)小區(qū)間起始或終了時(shí)刻車速對應(yīng)的單位時(shí)間燃?xì)庀牧浚?/p>

汽車行駛速度每增加1km/h所需時(shí)間：

按照行駛的初始速度ua1加速至ua1+1km/h所需燃?xì)饬浚?/p>

從行駛初速度ua1+1km/h的基礎(chǔ)上再加速1km/h所需要的燃?xì)饬浚?/p>

相應(yīng)的，則各區(qū)間的燃?xì)庀牧繛椋?/p>

所以，整個(gè)加速過程的燃?xì)庀牧繛椋?/p>

加速區(qū)段內(nèi)汽車行駛的距離為：

1.2 等速行駛工況

在汽油發(fā)動機(jī)的萬有特性曲線圖上，有等燃油消耗率曲線，根據(jù)曲線可以確定發(fā)動機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速n下，發(fā)出一定功率pe時(shí)的燃油消耗率be[3]。

同樣，在將天然氣發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速n按汽車等速行駛時(shí)的最高檔轉(zhuǎn)換成行駛速度，并畫在橫坐標(biāo)上。同時(shí)計(jì)算出等速行駛時(shí)汽車阻力功率，這就是發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率。根據(jù)勻速行駛時(shí)的車速ua及阻力功率P，可在發(fā)動機(jī)萬有特性曲線圖上采用插值法確定相應(yīng)的燃?xì)庀穆蔮e[4]。從而可以計(jì)算出在單位時(shí)間內(nèi)該車勻速行駛時(shí)的燃?xì)庀牧縌t：

式中：Qt-燃?xì)庀牧?mL/s)；P-阻力功率(kW)；be-燃?xì)庀穆?；?天然氣的密度，汽車可取為 0.71～0.73kg/L，柴油可取為0.81～0.83 kg/L，天然氣可取為0.78～0.89 kg/m3；g-重力加速度。

若勻速行駛的時(shí)間為ts，則燃?xì)獾南牧繛椋?.3 等減速行駛工況

在汽車減速行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)處于怠速狀態(tài)。故減速工況下燃?xì)庀牧渴菧p速行駛時(shí)間與怠速氣耗的乘積[5]。

由行駛初速度ua2減速至ua3所需燃?xì)鉁p速時(shí)間：

減速過程燃?xì)庀牧浚?/p>

減速區(qū)段內(nèi)汽車行駛的距離：

綜上，整個(gè)加速工況的燃?xì)庀牧繛槿齻€(gè)階段之和，由公式（5）～（10）最終可得加速行駛工況的百公里燃?xì)庀牧繛椋?/p>

2 缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)燃油/氣消耗

由于甲烷在天然氣中的含量在90%以上，所以通常把天然氣也叫甲烷氣，我們可以把甲烷氣的一般特性視作天然氣的特性。甲烷的特性如下：甲烷是無色無味的氣體，在燃燒時(shí)有淺淺微光的淡藍(lán)色火焰，比空氣的質(zhì)量輕，在低溫高壓下可變成液體，當(dāng)液化溫度達(dá)到-82.1℃，液化壓力達(dá)到4.64Mpa時(shí)，天然氣可以實(shí)現(xiàn)液化，體積是原來的1/600，需要9.52 m3空氣才可以將1m3甲烷完全燃燒，甲烷在空氣中的爆炸極限：下限為5%；上限為15%[6]。

表1 發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)Tab.1 Engine related parameters

缸內(nèi)直接噴射是利用裝配在缸蓋上的噴油器在進(jìn)氣行程或者壓縮行程的過程中將點(diǎn)火時(shí)所需的燃油直接噴入氣缸內(nèi)，在氣缸內(nèi)燃油與空氣形成混合氣，通過火花塞的點(diǎn)火實(shí)現(xiàn)燃燒[7]。在本次試驗(yàn)中，主要采用的儀器有 AVL電力測功機(jī)、AVL735 油耗儀、AVL753C 燃油恒溫裝置、AVL620 燃燒分析儀、火花塞式缸壓傳感器等，在發(fā)動機(jī)動態(tài)試驗(yàn)臺進(jìn)行燃燒的性能試驗(yàn)，比較中小負(fù)荷、中低轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)動機(jī)在使用汽油與天然氣不同燃料的燃燒情況。試驗(yàn)過程中，除各缸火花塞并安裝火花塞式缸壓傳感器，燃燒分析儀相連，集發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒數(shù)據(jù)；利用 AVL735 油耗儀測量試驗(yàn)過程中發(fā)動機(jī)燃油消耗。試驗(yàn)發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

從表2中可以看出，天然氣和液化石油燃料相比具有以下特點(diǎn)：

1） 抗爆性能高：天然氣有較好的抗爆性，在對比之下，天然氣具有較高的辛烷值（RON可達(dá) 130），所以，汽車發(fā)動機(jī)在使用天然氣當(dāng)燃料的時(shí)候，若要提高發(fā)動機(jī)是經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、動力性指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)、可靠性指標(biāo)和耐久性指標(biāo)等，需要適當(dāng)?shù)卦龃蟀l(fā)動機(jī)壓縮比和點(diǎn)火提前角[8]。

2）使用天然氣作為燃料時(shí)，混合氣有比較寬是著火界限；

3）與汽油相比，天然氣的著火溫度高，傳播速度慢，因此火花塞點(diǎn)火時(shí)需要較高的點(diǎn)火能量[9]。但實(shí)際上，在點(diǎn)火時(shí)，火花塞的點(diǎn)火能量通常在所需點(diǎn)火能量的5倍以上，這樣就不存在點(diǎn)火能量不足的問題。

4）在汽車發(fā)動機(jī)的眾多燃料中，天然氣是比汽油和柴油更為“清潔”的燃料。減少對大氣的污染，天然氣汽車污染物的排放少于汽、柴油汽車的污染物排放。

5）汽車使用天然氣比使用汽油更安全。汽油與空氣形成的混合氣，著火極限是13%～76%，在遇到微小的火花時(shí)極易著火；而空氣與天然氣形成混合氣時(shí)，著火極限是 5%～15%，加之管路密封技術(shù)要求高，即使泄露，由于天然氣密度比空氣小，質(zhì)量比空氣輕，極易被微風(fēng)驅(qū)散，所以不易形成可燃混合氣，故使用安全性好[10]。

表2 天然氣與汽油的特性比較Tab.2 Comparison of characteristics between natural gas and gasoline

圖2為試驗(yàn)發(fā)動機(jī)采用缸內(nèi)直噴技術(shù)，在燃燒兩種不同的燃料時(shí)的燃油消耗率對比圖?？梢钥闯觯? 500 r/min、2 000 r/min中小負(fù)荷、中低轉(zhuǎn)速（BMEP 小于 0.5 MPa）工況下，用天然氣燃料時(shí)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)具有更低的燃油消耗率，隨著負(fù)荷的減小，兩者之間的差值在逐漸增加，汽油的燃料消耗時(shí)優(yōu)勢明顯；在3 000 r/min工況點(diǎn)，用不同的燃油噴射模式，油消耗率相差不大[11]。

從圖2的三張圖可以明顯看出，汽油的燃油消耗率略高于天然氣的燃油消耗率。在兩種燃料同質(zhì)量時(shí)，天然氣的價(jià)格是汽油價(jià)格的1/3，但實(shí)際上它們的性價(jià)比是不足1/3的。由于天然氣的儲存問題，燃?xì)夤薜淖陨碇亓窟^大，從而導(dǎo)致了車重的加大，在燃燒效率的計(jì)算過程中，這很大程度上的影響了功率的輸出。

圖2 天然氣與汽油的消耗率對比圖Fig.2 Comparison Chart of gas consumption and gasoline consumption

BMEP：平均有效缸內(nèi)壓力，指在內(nèi)燃機(jī)的膨脹行程中，能推動活塞作出與每一工作循環(huán)有效功相等的功的一種假想不變的壓力。是判斷內(nèi)燃機(jī)每單位氣缸工作容積作功能力的指標(biāo)。常用符號“Pe”表示，單位為“MPa”。

3 結(jié)論

在汽油、柴油、醇類燃料、天然氣等多種車用燃料中相比，天然氣辛烷值是最高的，自燃溫度高達(dá) 704℃，可以通過提高發(fā)動機(jī)的壓縮比來提高其熱效率和改善功率[12]。與燃燒汽油的汽車相比，天然氣汽車CO、HC、NOX、SO2、CO2均可以有不同程度下降，據(jù)美國EPA報(bào)告，天然氣汽車可以在HC的排放降低40%，CO排放降低50%，無碳煙排放，而且排放的尾氣中碳?xì)浠衔锎蠹s90%為甲烷類物質(zhì)，光化學(xué)反應(yīng)低，現(xiàn)有技術(shù)尚可進(jìn)一步降低污染物的排放[13]。這些都是與各國有關(guān)的環(huán)境排放標(biāo)準(zhǔn)相吻合的，天然氣噪音小，天然氣儲量豐富，成本低廉，安全可靠性好[14]。但是需要投入儲運(yùn)加注等基礎(chǔ)設(shè)施，更適用于富產(chǎn)天然氣的地區(qū)和大中城市推廣，如果像汽油那樣大量用在汽車上，其資源也顯得有限，僅僅可以作為一種過渡能源，而非徹底的替代能源。