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吕锡民:天然气在汽车燃料上的应用

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【大纪元2019年05月16日讯】交通运输部门的废气排放已成为目前最突出的环境与社会经济问题。温室气体排放增加导致气候变化加剧,污染城市健康问题日益严重,以及与石油供应和价格相关的政治与社会的不稳定性等诸多因素,使得交通运输部门正朝着寻找替代燃料的方向而努力当中。压缩天然气(Compressed Natural Gas, CNG)被认为是其他替代燃料中的主要绿色交通燃料之候选者。

虽然液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)和CNG都可当作天然气车燃料,但是在技术本位上却有很大的差异,例如在加气设备、燃料成本、泵、瓶、危险评估、资本成本等上有明显的不同。但是有一件事是两者相同的,因为是共同使用在汽油引擎当中,因此控制燃料混合比例的阀门对于LNG和CNG车种皆有需要,并且也因车辆制造商不同而具有不同的形态。基本上,引擎上的燃料计量技术对于LNG和CNG是大同小异的。

当作为车辆燃料时,CNG或压缩天然气以高达3,000至3,600psi(21至25MPa)气态高压储存,此时所需筒槽体积比常规油箱更大,成本更高。由于压缩需要高能量,在商业市场中的加气站当中,CNG操作比LNG操作高出100倍的电力成本,同时由于CNG的缓慢添加速度(长达数小时),也使得LNG添加站具有较高的效率及较低的成本。况且,需要加满一个CNG筒槽的时间也随不同的添加站而异。根据统计,一般家庭式CNG填充速度为0.4汽油加仑当量/小时(GGE)。而快速添充站,则可在5-10分钟之内完成10GGE的CNG添充。另外,由于较低的能量密度,在许多功能效率上,CNG是无法与LNG相比拟的。

当液化天然气作为车辆燃料时,天然气已被冷却至低温液体状态。在液态下,LNG的天然气密度为CNG的两倍之多。在LNG添加站,液化天然气以超过20柴油加仑当量/分钟(DGE/min)的速率从大型筒槽中注入LNG车中。由于低温特性,LNG储存在专门设计的绝热罐内。一般来说,与CNG相比,LNG筒槽的操作压力相当低,约70-150psi。汽化器安装在燃料系统当中,将LNG转化成气体,此时可简称为低压的CNG。

就公用事业基础设施,资本成本,电力成本等诸多面向而言,在商业市场中的LNG添加站都要比CNG添加站要来得有利。目前市场中存有许多的LCNG添加站(同时供应CNG与LNG两种燃料)。在LCNG添加站,天然气先以LNG型态储存,然后再依据需要,汽化为CNG。很讽刺的是,LCNG添加站所需资本成本比独立快速添充CNG低,但是仍然比LNG添加站来得高。

LNG—尤其是CNG—对于引擎部件的腐蚀和磨损倾向比汽油来得慢。因此,民间要找到高里程(超过50万哩)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%。当行驶相同距离时,天然气车空污排放例如颗粒物质(PM)较少,碳排放量低,连燃料消耗通常也比较少。然而,必须考虑到的额外成本尚包括:配送,压缩,冷却,货币,环境,基础设施等等。

液化天然气应用在大型越野卡车,海洋,铁路等运输系统等构想已经成形,目前亟欲突破的关键技术在于燃料储槽设计及引擎燃料输送。在内燃机中,气缸体积是引擎功率的常用量度。因此,2000cc引擎通常比1800cc引擎更强大,但假设条件是使用相同的空气/燃料混合物。如果以涡轮增压器(turbocharger)1800cc引擎为例,因为使用的空气/燃料混合物明显地具有更高的能量密度,因此产生的功率(或能量)高于使用空气/燃料混合物密度较低的普通2000cc引擎。然而可惜的是,涡轮增压器既复杂且昂贵。因此,选择适当的燃料成为高功率/高扭矩引擎的关键因素,如果燃料本身就可产生高能量密度的空气/燃料混合物,则我们就可使用更小和更简单的引擎来产生相同的功率。

就传统汽油和柴油引擎,其中的空气/燃料混合物的能量密度是有限的,因为本身是液体的汽柴油燃料在气缸中不能进行很好的混合。此外,汽油和柴油是在与引擎设计相关的温度和压力下自动点火的一种燃料。因此,传统引擎的设计关键在于气缸,压缩比和燃油喷射器,目标在于避免过早点火,另一关键为尽量使得更多燃料注入汽缸并做充分的燃料/空气混合,最终目的是在动力冲程期间,完成百分之百的充分燃烧。

相反地,在与传统汽油和柴油机设计相关的压力和温度下,天然气是不会自动点火的,从而天然气引擎设计能够提供更大的灵活性。甲烷是天然气主要成分,自燃温度为580℃(或1,076°F),而汽油和柴油的自然温度则分别约为250℃和210℃。

由于没有涡轮增压器的需求,所以与CNG比较,LNG能够提供更高功率应用的苛刻独特优势。其原因在于,LNG约在-160℃就可沸腾,利用简单热交换器,少量LNG在极高压力下,使用很少或零机械能,就可转化成气态。正确设计的高功率引擎就是利用这种极高压力优势,更有效地让具有高能量密度的液体燃料,产生比CNG动力引擎更高能量密度的空气/燃料混合物。最终结果是,与CNG引擎比较,由于高压直喷技术的应用,在高功率引擎应用中,LNG具有更高的总体效率。Westport HDMI2燃料系统就是高压直喷技术的应用,如果配合适当LNG换热器技术,涡轮增压器是不需要的。同时,Volvo卡车所具有的13升LNG引擎,也是利用先进高压直射技术的另一LNG引擎成功案例。

Westport认为CNG应该用在容量小于7公升的引擎之上,而LNG则可以直接喷射应用在汽缸容量为20至150公升的引擎。至于汽缸容量介于7公升至20公升间的引擎,则建议使用CNG或LNG任一种天然气燃料皆可。

石油钻探,采矿,机车和海洋领域的高功率引擎已经或正在开发当中。Paul Blomerous一篇论文的总结中提到,在2025年至2030年间,为了满足高功率引擎的全球需求,每年将需要4,000万吨的液化天然气,约261亿加仑/年或7,100万加仑/天。目前全球每年的LNG产量为1,584亿吨,亦即约89.4兆加仑。

截至2015年第一季,“普罗米修斯能源集团有限公司(Prometheus Energy Group Inc.)”声称,在过去四年中,该公司已向工业市场提供超过1亿加仑的液化天然气,并且新客户不断在增加当中。

车辆使用的天然气与家庭烹饪加热所使用的天然气相同。CNG的产生是将普通天然气(主要由甲烷-CH4组成)的体积压缩至标准大气压下体积的1%。它以200-248巴(2,900-3,600磅/平方英寸)的压力储存在刚性容器中,通常以圆柱形金属钢瓶为主。

天然气的燃烧特性与正常燃料(即柴油和汽油)有显着不同。天然气的燃烧比汽油燃烧清洁得多。主要原因为:气体混合物的有利热力学性质;气缸温度峰值降低减少了引擎的热能损失;及,减少节流机构所降低泵送的损失。与柴油及汽油相比,由于较低火焰传播速度,CNG具有较长的点火延迟时间。与普通液体燃料(如汽油及柴油)相比,CNG具有较低的火焰传播速度,这种较低的火焰传播速度减少引擎制动马力约5-10%。

天然气的辛烷值范围为120〜130。由于如此高的辛烷值,CNG具有比汽油更高的爆震阻力,能够使用更高的压缩比,从而提升引擎效率。以CNG为燃料的引擎性能高度倚赖引擎的设计和类型而异,亦即,使用单燃料或双燃料。然而,天然气车辆的主要性能缺陷为其引擎制动马力降低了15-20%。这种功率下降的主要原因为低速火焰传播及体积效率损失。当与液体燃料相比,由于气体燃料密度低,在相同功率下,天然气燃料的进气通道体积高出4-15倍,形成体积效率的显着降低。在如此低的体积效率之下,与汽油相比,CNG功率损耗率为10%。

同时,天然气车辆的使用也面临着一些限制,包括加气站所需天然气的输配及储存等基础设施。基本上,CNG必须存放在高压(3,000psi至3,600psi)气瓶内,而LNG则必须储存在低温(-260°F至-200°F)气瓶内。这些气瓶比汽油或柴油油箱占据更多的空间,但是藉由车型复杂形状的模仿,我们可以储存更多的燃料并减少车载空间。然而,因为CNG气瓶通常位于车辆行李箱或皮卡上,因此减少了其他货物的可使用装载空间,这个问题可藉由将气瓶安装在车体下方或车顶之上(通常为公共汽车),于是剩出的空间就可当作货物储存空间。与其他替代燃料一样,NGV普及使用的障碍包括:天然气输配及加气站等基础设施的广泛建立。

压缩天然气(CNG)通常以高压(3,000至4,000psi,或205至275bar)储存在钢制或复合容器中。这些容器通常不受温度控制,但可以保持局部环境温度。CNG气瓶有许多标准,最常用者为ISO 11439。北美地区的标准则是ANSI NGV-2。

LNG储存压力一般为50-150psi,或3至10bar。在大气压下,LNG的温度为-260°F(或-162°C)。然而,在具有压力的油罐车中,则温度略高。LNG存储温度可能会因为组成和储存压力不同而变化。LNG甚至比高度压缩的CNG具有更高的密度。因为需要低温环境,LNG通常储存在由不銹钢制成的真空绝热储罐当中。

在展望未来先进技术中,CNG可藉由各种海绵状物质(如活性炭)的吸附性来储存。此时天然气可在较低压力下,如35bar(或500psi,亦即天然气管道中的气体压力),储存在所谓的“ANG(吸附天然气)”瓶罐中。ANG能量密度不亚于CNG,甚至更高。这是一项革命性创举,因为天然气车辆可以直接从天然气管路上加气,而不需要额外的气体压缩,因此燃料箱可以减薄,并由较轻且较不强的材料制成。

责任编辑:朱颖

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2019-05-16 12:48 AM
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