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呂錫民:天然氣在汽車燃料上的應用

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【大紀元2019年05月16日訊】交通運輸部門的廢氣排放已成為目前最突出的環境與社會經濟問題。溫室氣體排放增加導致氣候變化加劇,污染城市健康問題日益嚴重,以及與石油供應和價格相關的政治與社會的不穩定性等諸多因素,使得交通運輸部門正朝著尋找替代燃料的方向而努力當中。壓縮天然氣(Compressed Natural Gas, CNG)被認為是其他替代燃料中的主要綠色交通燃料之候選者。

雖然液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)和CNG都可當作天然氣車燃料,但是在技術本位上卻有很大的差異,例如在加氣設備、燃料成本、泵、瓶、危險評估、資本成本等上有明顯的不同。但是有一件事是兩者相同的,因為是共同使用在汽油引擎當中,因此控制燃料混合比例的閥門對於LNG和CNG車種皆有需要,並且也因車輛製造商不同而具有不同的形態。基本上,引擎上的燃料計量技術對於LNG和CNG是大同小異的。

當作為車輛燃料時,CNG或壓縮天然氣以高達3,000至3,600psi(21至25MPa)氣態高壓儲存,此時所需筒槽體積比常規油箱更大,成本更高。由於壓縮需要高能量,在商業市場中的加氣站當中,CNG操作比LNG操作高出100倍的電力成本,同時由於CNG的緩慢添加速度(長達數小時),也使得LNG添加站具有較高的效率及較低的成本。況且,需要加滿一個CNG筒槽的時間也隨不同的添加站而異。根據統計,一般家庭式CNG填充速度為0.4汽油加侖當量/小時(GGE)。而快速添充站,則可在5-10分鐘之內完成10GGE的CNG添充。另外,由於較低的能量密度,在許多功能效率上,CNG是無法與LNG相比擬的。

當液化天然氣作為車輛燃料時,天然氣已被冷卻至低溫液體狀態。在液態下,LNG的天然氣密度為CNG的兩倍之多。在LNG添加站,液化天然氣以超過20柴油加侖當量/分鐘(DGE/min)的速率從大型筒槽中注入LNG車中。由於低溫特性,LNG儲存在專門設計的絕熱罐內。一般來說,與CNG相比,LNG筒槽的操作壓力相當低,約70-150psi。汽化器安裝在燃料系統當中,將LNG轉化成氣體,此時可簡稱為低壓的CNG。

就公用事業基礎設施,資本成本,電力成本等諸多面向而言,在商業市場中的LNG添加站都要比CNG添加站要來得有利。目前市場中存有許多的LCNG添加站(同時供應CNG與LNG兩種燃料)。在LCNG添加站,天然氣先以LNG型態儲存,然後再依據需要,汽化為CNG。很諷刺的是,LCNG添加站所需資本成本比獨立快速添充CNG低,但是仍然比LNG添加站來得高。

LNG—尤其是CNG—對於引擎部件的腐蝕和磨損傾向比汽油來得慢。因此,民間要找到高里程(超過50萬哩)的柴油引擎NGV是很平常的。另外,CNG引擎所排放的二氧化碳比柴油和汽油引擎少了20-29%。當行駛相同距離時,天然氣車空污排放例如顆粒物質(PM)較少,碳排放量低,連燃料消耗通常也比較少。然而,必須考慮到的額外成本尚包括:配送,壓縮,冷卻,貨幣,環境,基礎設施等等。

液化天然氣應用在大型越野卡車,海洋,鐵路等運輸系統等構想已經成形,目前亟欲突破的關鍵技術在於燃料儲槽設計及引擎燃料輸送。在內燃機中,氣缸體積是引擎功率的常用量度。因此,2000cc引擎通常比1800cc引擎更強大,但假設條件是使用相同的空氣/燃料混合物。如果以渦輪增壓器(turbocharger)1800cc引擎為例,因為使用的空氣/燃料混合物明顯地具有更高的能量密度,因此產生的功率(或能量)高於使用空氣/燃料混合物密度較低的普通2000cc引擎。然而可惜的是,渦輪增壓器既複雜且昂貴。因此,選擇適當的燃料成為高功率/高扭矩引擎的關鍵因素,如果燃料本身就可產生高能量密度的空氣/燃料混合物,則我們就可使用更小和更簡單的引擎來產生相同的功率。

就傳統汽油和柴油引擎,其中的空氣/燃料混合物的能量密度是有限的,因為本身是液體的汽柴油燃料在氣缸中不能進行很好的混合。此外,汽油和柴油是在與引擎設計相關的溫度和壓力下自動點火的一種燃料。因此,傳統引擎的設計關鍵在於氣缸,壓縮比和燃油噴射器,目標在於避免過早點火,另一關鍵為盡量使得更多燃料注入汽缸並做充分的燃料/空氣混合,最終目的是在動力衝程期間,完成百分之百的充分燃燒。

相反地,在與傳統汽油和柴油機設計相關的壓力和溫度下,天然氣是不會自動點火的,從而天然氣引擎設計能夠提供更大的靈活性。甲烷是天然氣主要成分,自燃溫度為580℃(或1,076°F),而汽油和柴油的自然溫度則分別約為250℃和210℃。

由於沒有渦輪增壓器的需求,所以與CNG比較,LNG能夠提供更高功率應用的苛刻獨特優勢。其原因在於,LNG約在-160℃就可沸騰,利用簡單熱交換器,少量LNG在極高壓力下,使用很少或零機械能,就可轉化成氣態。正確設計的高功率引擎就是利用這種極高壓力優勢,更有效地讓具有高能量密度的液體燃料,產生比CNG動力引擎更高能量密度的空氣/燃料混合物。最終結果是,與CNG引擎比較,由於高壓直噴技術的應用,在高功率引擎應用中,LNG具有更高的總體效率。Westport HDMI2燃料系統就是高壓直噴技術的應用,如果配合適當LNG換熱器技術,渦輪增壓器是不需要的。同時,Volvo卡車所具有的13升LNG引擎,也是利用先進高壓直射技術的另一LNG引擎成功案例。

Westport認為CNG應該用在容量小於7公升的引擎之上,而LNG則可以直接噴射應用在汽缸容量為20至150公升的引擎。至於汽缸容量介於7公升至20公升間的引擎,則建議使用CNG或LNG任一種天然氣燃料皆可。

石油鑽探,採礦,機車和海洋領域的高功率引擎已經或正在開發當中。Paul Blomerous一篇論文的總結中提到,在2025年至2030年間,為了滿足高功率引擎的全球需求,每年將需要4,000萬噸的液化天然氣,約261億加侖/年或7,100萬加侖/天。目前全球每年的LNG產量為1,584億噸,亦即約89.4兆加侖。

截至2015年第一季,「普羅米修斯能源集團有限公司(Prometheus Energy Group Inc.)」聲稱,在過去四年中,該公司已向工業市場提供超過1億加侖的液化天然氣,並且新客戶不斷在增加當中。

車輛使用的天然氣與家庭烹飪加熱所使用的天然氣相同。CNG的產生是將普通天然氣(主要由甲烷-CH4組成)的體積壓縮至標準大氣壓下體積的1%。它以200-248巴(2,900-3,600磅/平方英寸)的壓力儲存在剛性容器中,通常以圓柱形金屬鋼瓶為主。

天然氣的燃燒特性與正常燃料(即柴油和汽油)有顯著不同。天然氣的燃燒比汽油燃燒清潔得多。主要原因為:氣體混合物的有利熱力學性質;氣缸溫度峰值降低減少了引擎的熱能損失;及,減少節流機構所降低泵送的損失。與柴油及汽油相比,由於較低火焰傳播速度,CNG具有較長的點火延遲時間。與普通液體燃料(如汽油及柴油)相比,CNG具有較低的火焰傳播速度,這種較低的火焰傳播速度減少引擎制動馬力約5-10%。

天然氣的辛烷值範圍為120〜130。由於如此高的辛烷值,CNG具有比汽油更高的爆震阻力,能夠使用更高的壓縮比,從而提升引擎效率。以CNG為燃料的引擎性能高度倚賴引擎的設計和類型而異,亦即,使用單燃料或雙燃料。然而,天然氣車輛的主要性能缺陷為其引擎制動馬力降低了15-20%。這種功率下降的主要原因為低速火焰傳播及體積效率損失。當與液體燃料相比,由於氣體燃料密度低,在相同功率下,天然氣燃料的進氣通道體積高出4-15倍,形成體積效率的顯著降低。在如此低的體積效率之下,與汽油相比,CNG功率損耗率為10%。

同時,天然氣車輛的使用也面臨著一些限制,包括加氣站所需天然氣的輸配及儲存等基礎設施。基本上,CNG必須存放在高壓(3,000psi至3,600psi)氣瓶內,而LNG則必須儲存在低溫(-260°F至-200°F)氣瓶內。這些氣瓶比汽油或柴油油箱佔據更多的空間,但是藉由車型複雜形狀的模仿,我們可以儲存更多的燃料並減少車載空間。然而,因為CNG氣瓶通常位於車輛行李箱或皮卡上,因此減少了其他貨物的可使用裝載空間,這個問題可藉由將氣瓶安裝在車體下方或車頂之上(通常為公共汽車),於是剩出的空間就可當作貨物儲存空間。與其他替代燃料一樣,NGV普及使用的障礙包括:天然氣輸配及加氣站等基礎設施的廣泛建立。

壓縮天然氣(CNG)通常以高壓(3,000至4,000psi,或205至275bar)儲存在鋼製或複合容器中。這些容器通常不受溫度控制,但可以保持局部環境溫度。CNG氣瓶有許多標準,最常用者為ISO 11439。北美地區的標準則是ANSI NGV-2。

LNG儲存壓力一般為50-150psi,或3至10bar。在大氣壓下,LNG的溫度為-260°F(或-162°C)。然而,在具有壓力的油罐車中,則溫度略高。LNG存儲溫度可能會因為組成和儲存壓力不同而變化。LNG甚至比高度壓縮的CNG具有更高的密度。因為需要低溫環境,LNG通常儲存在由不銹鋼製成的真空絕熱儲罐當中。

在展望未來先進技術中,CNG可藉由各種海綿狀物質(如活性炭)的吸附性來儲存。此時天然氣可在較低壓力下,如35bar(或500psi,亦即天然氣管道中的氣體壓力),儲存在所謂的「ANG(吸附天然氣)」瓶罐中。ANG能量密度不亞於CNG,甚至更高。這是一項革命性創舉,因為天然氣車輛可以直接從天然氣管路上加氣,而不需要額外的氣體壓縮,因此燃料箱可以減薄,並由較輕且較不強的材料製成。

責任編輯:朱穎

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2019-05-16 12:48 AM
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