王 單

昆明華潤車用燃氣有限公司，云南昆明 650222

1 天然氣城市公交車輛發(fā)展現(xiàn)狀分析

目前，中國已經(jīng)成為世界上最大的汽車消費市場，一方面源于我國經(jīng)濟實力的不斷增長，另一方面則源于社會生產(chǎn)、生活形態(tài)的變化，在城市化發(fā)展背景下，汽車逐漸走入了個體家庭，成為重要的交通代步工具。但是，除此之外還有一個不容忽視的事實是，隨著我國汽車數(shù)量的不斷增加，石化燃料消耗所造成的生態(tài)環(huán)境破壞也越來越嚴(yán)重，較為典型的如城市空間的霧霾等有害氣體等。不僅如此，以傳統(tǒng)石化能源為基礎(chǔ)發(fā)展汽車工業(yè)，對于我國有著很大的不利條件，這與我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀有密切關(guān)系——煤炭多、石油少、天然氣豐富，在這種背景下，積極研究天然氣為燃料的汽車產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實意義。

結(jié)合現(xiàn)狀分析，國外以天然氣為燃料發(fā)展汽車工業(yè)的時間較早，20世紀(jì)20年代就已經(jīng)出現(xiàn)，并將其應(yīng)用在解決燃油短缺策略中。1986年國際天然氣汽車協(xié)會（IANGV）成立，掀起了探索天然氣為燃料的汽車研究高潮。

相對而言，我國天然氣汽車研究起步較晚、時間較短，但發(fā)展速度很快，從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)各大城市都開始了推廣天然氣汽車的嘗試工作，城市交通系統(tǒng)是重點參與對象；究其原因，主要是推廣天然氣為燃料的汽車動力系統(tǒng)存在障礙，發(fā)展初期天然氣燃料補充系統(tǒng)（加氣站）不完善，數(shù)量少且分布均衡，社會車輛難以保障供給，相應(yīng)的公交車運營路線固定，可以在公交車站及沿途中心點設(shè)置加氣站。也因為這種技術(shù)不完善性，很長一段時間內(nèi)公交車輛同時具有燃油和天然氣兩種動力系統(tǒng)。

近年來，隨著城市公交系統(tǒng)的交通重要性越來越突出，以及節(jié)能、排放法律法規(guī)越來越嚴(yán)格，促使城市公交車輛全面轉(zhuǎn)向新能源（其中就包含天然氣車輛）領(lǐng)域。這樣不僅可以減少生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，同時也可以極大地縮減公交運營成本。研究表明，汽車動力傳動系統(tǒng)的匹配性，直接影響公交車輛動力性、經(jīng)濟性的平衡。其研究方式，可以通過虛擬實驗技術(shù)模擬汽車運行狀態(tài)下的累計油耗、瞬間油耗、行駛距離、行駛時間、傳動比、空氣阻力系數(shù)等，為天然氣城市公交車輛動力匹配提供科學(xué)依據(jù)。我國目前也開始了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)研究，如一汽集團開發(fā)的“汽車動力性經(jīng)濟型模擬計算機軟件（EP）”。

2 天然氣為車輛燃料應(yīng)用的技術(shù)要求與分析

2.1 車用天然氣標(biāo)準(zhǔn)

天然氣作為燃料應(yīng)用的主要有效成分為烷烴，甲烷所占比例最高，此外包括一乙烷、丙烷、丁烷等有效成分。但除了有效成分之外，天然氣本質(zhì)上是一種復(fù)雜的混合物質(zhì)，包括了氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)等多種混合形式，僅氣體中的非有效成分就多達幾十種，如二氧化碳、氮氣、H2S、氦氣等；從化學(xué)屬性上說，經(jīng)過脫硫處理的天然氣（標(biāo)準(zhǔn)狀況下）對大氣環(huán)境的影響很小，主要排出物為二氧化碳和水，并且與煤炭相比所產(chǎn)生的二氧化碳量不足40%，不會產(chǎn)生廢渣、廢水等，安全高效、綠色環(huán)保。從物理屬性上說，常溫狀態(tài)下天然氣壓縮之后不能被液態(tài)，密度為0.7174kg/Nm3，相對密度（水）為0.45（液化）燃點（℃）為650，爆炸極限（V%）為5～15。

天然氣分為壓縮天然氣和液化天然氣兩種，對比而言，壓縮天然氣的成本較低，常溫下生產(chǎn)壓力為0.3MPa，運輸與使用中的壓縮天然氣（CNG）壓力介于10～25MPa之間，是天然氣加壓并以氣態(tài)儲存在容器中。液化天然氣（LNG）是天然氣經(jīng)壓縮、冷卻至其沸點（-161.5℃）溫度后變成液體儲存在容器中。

車用天然氣存在一定的標(biāo)準(zhǔn)要求，其標(biāo)準(zhǔn)中，較為重要的三個分別是硫化氫、水分和雜質(zhì)。硫化氫是一種腐蝕成分，它在天然氣中的成分過高，容易導(dǎo)致“氫脆現(xiàn)象”，并且含量過高所產(chǎn)生的尾氣也會嚴(yán)重污染大氣。水分決定了天然氣的動力效率，因此無論何種用途的天然氣產(chǎn)品，事先都要進行脫水處理，車用天然氣脫水處理后要達到0.1×10-6的水分體積分?jǐn)?shù)含量標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)然，以此標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，含水量越低越好?！半s質(zhì)”包括的范圍較廣，天然氣被開采過程中會混入一些碎渣，必須進行清除以防止進入汽車系統(tǒng)內(nèi)部。

2.2 天然氣在城市公交車輛應(yīng)用的優(yōu)勢

一方面，低排放率的優(yōu)勢。天然氣被列為“清潔能源”，其排氣污染要遠比燃油汽車低。主要的污染氣體指標(biāo)中，一氧化碳對比可降低90%，碳氫化合物減少70%，這對于改善城市大氣環(huán)境有重要的意義。

另一方面，高安全性的優(yōu)勢。天然氣存儲于密閉度較高的容器內(nèi)，相對于燃油油箱的“敞開式”結(jié)構(gòu)更為安全。同時，天然氣的燃點是645℃，比汽油燃點高218℃。相比而言，天然氣的安全性比汽油要高，高壓儲存的天然氣在運輸或使用過程中，一旦泄漏，天然氣會從周圍環(huán)境中吸收大量的熱，甚至?xí)a(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象，從而降低了燃燒爆炸的幾率。

此外，使用天然氣作為車輛燃料更為經(jīng)濟。目前，國內(nèi)汽油價格波動較大，價格穩(wěn)中上升，增加了車輛的運營成本；而天然氣的儲量高、價格低、使用方便，在成本上要低于汽油機或柴油機費用的45%左右。當(dāng)前世界范圍內(nèi)石油價格不斷飆升，并呈現(xiàn)日漸匱竭的態(tài)勢，這導(dǎo)致燃油價格不斷上升，并最終會被新能源取代，因此積極研究天然氣車輛燃料應(yīng)用具有長遠性優(yōu)勢。

3 天然氣公交車輛動力傳動系統(tǒng)匹配研究

3.1 案例工況

結(jié)合案例分析，針對某城市所使用的公交車輛運行工況展開分析，呈現(xiàn)出規(guī)律為：先加速、后勻速、再減速，按照這一過程展開循環(huán)?；?115-3型號柴油公交車，公交車站距離約為1～1.5km，采用K市典型公路線路況展開對比研究，采用ECE城市循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，整個案例循環(huán)過程800s，行駛距離3.951km最高車速達到50.2km/h，平均速度為25.4km/h，其中怠速時間占據(jù)240s，約為全部實驗時間的30%。

3.2 實驗匹配

采用6115Q液化天然氣公交車為對比試驗車型，發(fā)動機型號WP7NG240E40、變速器型號HC6S-120X2、驅(qū)動橋型號420-5.286，該車型的發(fā)動機的萬有特性曲線，表明運行中將天然氣發(fā)動機的燃料消耗率換算為正常運行中柴油的消耗率，以此為依據(jù)計算，所得到的數(shù)據(jù)可視為每百公里柴油的用量。

同樣采用ECE城市循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，燃料消耗統(tǒng)計為7.28L/l00km，輛原地起步連續(xù)換檔加速到50km/h車速的時間為15.8s，直接檔由30km/h車速加速到60km/h車速的時間為25.0s，以上數(shù)據(jù)符合液化天然氣公交車輛制造企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 計算結(jié)果與分析

結(jié)合柴油、天然氣兩種城市公交車輛的數(shù)據(jù)對比，原地起步連續(xù)換檔加速達到50km/h車速的時間為15.5s，直接檔從30km/h車速加速達到60km/h，所消耗的時間為24s，明顯柴油動力優(yōu)于天然氣動力。但對比接近公交車行駛工況的ECE城市循環(huán)的燃料消耗量，液化天然氣為37.28L/100km，原型柴油車為31.96L/100km，天然氣車比原型柴油車高5.32%，這是一筆很大的成本消耗，因此在未進行動力傳動匹配之前，液化天然氣的優(yōu)勢并不突出。

分析可知，以天然氣為燃料的公交車運行中，動力匹配合理性與柴油為燃料的情況存能耗大的特征，這一點并不符合天然氣“高效性”特征，應(yīng)將此作為分析、研究和解決的重點方向。對比之下，兩種燃料的公交車動力匹配差異主要存在于發(fā)動機測光面，其中天然氣采用的是點燃式發(fā)動機，而柴油發(fā)動機采用的是壓燃點火，在發(fā)動機運行上，天然氣發(fā)動機采取的是奧托循環(huán)，相對于柴油發(fā)動機的狄塞爾，表現(xiàn)出較低的指示效率，這是形成能耗過高的主要原因。同時，結(jié)合實際應(yīng)用，公交車在市區(qū)運行的環(huán)境中，起步、停車十分頻繁，能夠保持平均車速的時間不多，怠速時間較長。

基于以上，發(fā)動機差異與公交車動力匹配不變的共同作用下，以天然氣為燃料的公交車在能耗上略顯劣勢，因此需要調(diào)整車輛動力總成技術(shù)參數(shù)，使其更符合城市交通運行的需要。

3.4 優(yōu)化策略

天然氣公交車輛在未來城市空間發(fā)展趨勢明顯，基于公交車輛運行環(huán)境的特征，能耗降低的主要方向是實現(xiàn)動力總成參數(shù)的最優(yōu)化，可從兩個方面入手：（1）降低后橋主減速比；（2）改變變數(shù)器數(shù)比。結(jié)果表明，液化天然氣車輛原地起步連續(xù)換檔加速到50km/h車速的時間為15.8s，直接檔由30km/h車速加速到60km/h車速的時間為24.5s，優(yōu)化效果較為明顯。

4 結(jié)語

總體而言，天然氣作為一種高效清潔的能源，在城市公交車輛運行層面具有重要的發(fā)掘價值；并且節(jié)能降耗，保護大氣環(huán)境，走資源節(jié)約型的發(fā)展道路是我國當(dāng)前必然的戰(zhàn)略選擇。而城市清潔能源公交車輛的推廣應(yīng)用，是發(fā)展清潔交通、推進綠色出行的重要舉措。

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