压缩天然气作为运输燃料的技术概述外文翻译资料

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压缩天然气作为运输燃料的技术概述

穆罕默德·伊姆兰·罕，阿卜杜勒·沙古尔

1、前言

当今世界，有12730M的能量被消耗，其中7205M是石油和天然气 (图 1)。交通运输部有超过 10 亿的轻型机动车正在运行，是主要的石油消费者[1-4]，而且石油需求呈上升趋势，从 1973 年的45.5%增至 2011 年的59%，其消耗形式主要是汽油和柴油。众所周知，现今石油储量正在以惊人的速度枯竭。此外，这些用于运输的传统燃料燃烧产生的气体造成了大气污染，威胁到了地球上生命的生存。人们也开始从这两方面的角度重新审查IC 引擎。能源危机和环境污染严重，引发世界各地争相发展低排放和高燃油效率的汽车，并将其作为其主要的研究目标。各种各样的替代燃料已被用于运输部门，例如液化石油气，丙烷，生物柴油，氢气，燃料电池。在这些可替代燃料中，压缩天然气（CNG）是一种能最大程度满足想要使用替代燃料的国家的需求。CNG，由于其固有的燃烧清洁的 [13-15]的性质已被视为最好的一种化石燃料的替代品。现在，作为环境友好型燃料，它已得到全世界的认可，把天然气作为一种运输燃料，已经得到越来越多的关注，其原因如下：

1. 广泛的可用性；
2. 生态友好；
3. 传统的SI和 CI 引擎兼容性；
4. 运营成本低

本文介绍了CNG燃料的性质、储存、安全等问题，其对发动机性能、效率、排放的影响，以及天然气在天然气汽车适应方面存在的障碍问题。另外，本文还综合比较了CNG与柴油、汽油燃料对环境的影响。

2、CNG作为燃料

在天然气汽车上使用的天然气，与国内用于其他领域，如烹饪和加热的天然气是一样的。CNG是通过压缩常规天然气（主要由甲烷-CH4组成），使其体积小于在标准大气压力下体积的1％而产生的。它通常被存储在压力为200-248bar的圆柱形状的刚性容器。表1是CNG和柴油、汽油理化性质的比较：

表1 CNG和柴油、汽油的理化性质

3、世界NGV市场

当今世界，天然气汽车的数量增长迅速，导致统计数据滞后，没有与之一致的信息是可用的。然而， 有一份权威数据表示，伊朗拥有407万天然气汽车，暂时是全球天然气汽车的领导者[18]。排名第二的是中国，拥有399万天然气汽车。图2显示，在过去的十年里，全球天然气汽车数量以每年24％的增长率迅速增长，而增长的主力军是亚太和拉丁美洲的美国区域（图3）。据预测，这一增长趋势将继续以3.7％的年均增长速度持续到2030年，而后期非经合组织国家将在其中扮演重要角色。当今世界，天然气汽车超过1800万，分布在超过86个国家，集中在伊朗，中国，巴基斯坦，阿根廷，印度，巴西，意大利和哥伦比亚[18]。CNG汽车大部分（93％）为轻型车和商用车。而且，世界各地的CNG加气站超过26677座。图4列出了世界天然气汽车数量排名前10的国家。

1. CNG的历史背景

CNG作为车用燃料使用，最早可以追溯到1930年年初，地点在意大利[19]，但第一次比较大规模的运动则发生在20世纪70年代，当时刚经历石油危机，人们把天然气看作一种有发展前景的燃料。70年代末和80年代初，油价大涨，CNG汽车市场因此也变得更具吸引力。然而，随后几十年截至2000年，CNG作为车用燃料，发展阻力重重。 但2000年以后，石油价格再次大幅上涨，CNG由于其廉价和清洁的燃料特性，CNG汽车迎来一个春天。自那时起，天然气汽车几进几出各个国家的运输市场，但是相关的技术一直在进步。天然气汽车使用专用CNG发动机，最早源于意大利。图20是第一辆使用压缩气体容器的天然气汽车，也是由意大利生产。但天然气汽车发展比较活跃的第一时期却是1970年，当时人们认为CNG是一种廉价和稳定的燃料既石油危机后。

1. 天然气作为运输燃料的需求

天然气正成为最重要的资源之一，占世界主要消费的23％[21]。据Cedigaz统计[22]，截止2014年1月1日，世界已探明天然气储量为7080.3 TCF。以目前每年消耗118.20 TCF的水平，人们可以使用60多年[23]。 图6示显示出按燃料类型，从1980年到2035年，全球主能源需求。可以观察到，在2030年前，天然气需求将超过煤炭，到2035年，天然气需求将占能源需求总量的25％。预测未来能源需求的IEO2014显示，在未来，天然气将是增长最快的主要能源，预计在2020和2040，它的消费量将会翻倍[24]。该报告还预测，在2038年以前，因为越来越多的天然气从页岩储层开采，天然气产量增加，天然气的价格会一直保持在2005 - 2008年的价格水平之下。天然气作为运输燃料，将因此引发人们更大的兴趣。天然气，作为运输燃料，目前年消费量是1.205 TCF，只占全球对天然气的需求总量的1.01％。

1. 天然气汽车的类型

就供给燃料而言，有三种类型的天然气汽车：

i.CNG专用发动机;

ii.双燃料改装汽油发动机;

iii.双燃料柴油机.

• 1. CNG专用发动机

专用CNG汽车,其SI引擎只以天然气为燃料。这些发动机的压缩比被优化以利用天然气高辛烷值的优点，维持其燃烧性能，使车辆产生较少的污染物。

• 1. 双燃料改装汽油发动机

双燃料汽车既可以使用天然气又可以使用汽油。 其使用的引擎是普通的汽油内燃机。驾驶者可以通过调节仪表盘上的开关，自由选择这两种燃料。 任何现有的汽油车辆均可以转换为一个双燃料车辆。 今天使用的CNG汽车大多数是从汽油发动机改装而来的[25]。在CNG的第二大消费国巴基斯坦，几乎整个NGV车队都属于双燃料汽车类[26]。

天然气的燃烧性能与常规燃料柴油和汽油相比有显著不同。相比柴油和汽油，CNG，因火焰传播速度低，其点火延迟时间更长。因此，使用相同的汽油燃料发动机，当燃料为压缩天然气时，燃烧持续时间变得相对较长，而且它需要更多的提前点火时间。因此，将传统的汽油燃料发动机变成CNG作为燃料的的发动机，需要经过必要的改造。在双燃料发动机中，需以CNG为标准进行优化，其点火时刻提前，以便适应甲烷较慢的燃烧速率。 图7描绘的是由常规改型而来的双燃料CNG汽车的示意图。

6.3．双燃料柴油机

双燃料车辆是基于 CI 发动机技术改造的。它们既能在柴油下工作，又能在柴油和天然气的混合物下工作，不过需由柴油来点燃。在空负载下，这些引擎往往只使用柴油。当车辆增加负载时，天然气替代柴油燃料至60-90％。然而，由于天然气非常低的十六烷值，导致其自燃温度很高，而这些不同点的存在导致不可能直接将天然气用于柴油机。像双燃料改装汽油发动机车一样，双燃料柴油机也需要进行火花点火系统或者双燃料系统的改造。由于天然气较高的点火温度，它需要非常高的压缩比来实现自燃，大约38：1。也因为这一点，该类型发动机通常由另一种燃料，即柴油，进行喷射点燃。柴油燃料直接进入燃烧室，而气体被燃料供给器注入进气口。气态燃料随后在压缩行程中被压缩。在压缩行程快结束时，柴油被喷射。由于点火延迟，柴油首先燃烧，随之天然气被点燃，接着火焰传播。影响双燃料柴油机的一个重要因素是替代率，即混合燃料中所含有的天然气的比例。该替代率的大小取决于发动机负载。目前世界上现有的双燃料发动机最大替代率高达90％。替代率影响引擎性能和排放。Eguacute;squiza等人发现制动燃料消耗率随着天然气替代率的增加而增加。而且他们还观测到，在较高的载荷下，替代率增加，烃浓度随之增加。CO浓度则在替代率未达到70％前，随替代率的增加而增加，而当替代率到达70％后，随替代率的增加而下降。而NO x是唯一一种随替代率的增加而减少的排放物 [27]。

双燃料柴油汽车提供了更高的发动机效率，为30-40％，也因此减少了25％的燃料消耗[28]。相比柴油和汽油车，双燃料改造汽油机以及双燃料柴油机都存在着增量成本（即改造发动机的成本），而这额外的费用则可从节约的燃料成本和运营成本得到补偿[29]。

1. CNG技术的商业地位

CNG发动机的研发和改造技术方面已经成熟，目前已经有设备投入运行。世界各地的生产商们提供了两种发动机类型，天然气专用（单燃料）奥托循环发动机或作为双燃料柴油循环发动机。在美国，康明斯韦斯特波特公司是为汽车市场提供高性能CNG发动机产品供应商的领导者。它专注于设计，制造，和销售6至12升（195-400马力）CNG SI发动机，而这些产品主要用于用于商业交通运输工具，如卡车和公共汽车。康明斯韦斯特波特公司的ISX12 G（298千瓦）适用于各种重型车辆，包括垃圾收集车和公交车。该ISX12 G是化学计量天然气发动机，采用成熟的化学计量冷却式废气再循环（SEGR）燃烧技术，通过TWC进行涡轮增压和后处理以达到美国EPA2014年排放标准。

依维柯是生产和销售压缩天然气发动机、天然气车辆的欧洲领先者。自1994年以来，IVECO提供一系列的天然气汽车供人们挑选，成为欧洲研究和生产天然气发动机和汽车的领导者之一，已经有成千上万的车辆，公共的，或者个人的，投入使用。目前，依维柯主要提供三种CNG发动机，即依维柯SOFIM3升（100千瓦），依维柯Tector6升（千瓦）和依维柯Cursor8升（200千瓦）。所有IVECO天然气发动机均使用专用CNG SI发动机，化学计量燃烧，结合三元催化器，以达到相关的排放标准。

瑞典的沃尔沃是欧洲CNG汽车的第三大制造商。自1992年，他们同时提供双燃料和CNG专用发动机。沃尔沃FM甲烷柴油D13C-燃气发动机是一款13-L（460马力）的双燃料发动机，压缩比为17.8：1，搭载替换率高达75％的天然气或生物甲烷。 该引擎技术是在传统的柴油发动机基础上，再加上气体喷射器改造而成的。在他们提供的专用CNG发动机类别中，G9A，是一款9.4升六缸（260或300马力）燃气发动机，其压缩比是10.25：1，该引擎可以轻松满足欧5和EEV（节能汽车）的尾气排放要求。

自2006年，梅赛德斯 - 奔驰推出M 447hLAG（185千瓦）的专用天然气发动机，并将其应用在在梅赛德斯 - 奔驰Citaro城市公交车上，自此，欧4/ EEV车辆诞生。最近，他们又介绍 了一款M-936G六缸（302马力）天然气发动机，它类似于现代汽油发动机，但是采用化学计量燃烧比操作lambdafrac14;1。它既不采用过量空气

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