潘永亮
摘 要：随着近几年国内汽车行业的快速发展，国家汽车保有量有了井喷式的增长，汽车已成为民众日常出行最重要的代步工具，在此背景下，网约营运车也快速兴起，据前瞻产业研究院统计数据显示，截止2018年，随着网约车用户规模的增加，其市场规模增加至2720.5亿元，较2017年同比增加28.31%[1]。在油價不断攀升，经营成本居高不下的压力下，越来越多的营运车主向市场提出了低成本燃料发动机的需求。同时，油耗及排放法规的日益严苛，也让市场意识到清洁代用燃料需求的紧迫性。天然气作为具有高燃烧热值、高稳定性、低成本、应用范围广的清洁能源，逐渐在市场需求下崭露头角，跻身为最热门的汽车代用燃料之一。
关键词：网约车;经营成本;清洁能源;天然气发动机;技术特点
1 引言
近年来，随着我国汽车行业快速发展，其带来的能源紧张和环境污染问题也日益凸显，解决汽车需求持续增长带来的能源紧张和环境污染问题迫在眉睫。同时，网约车的兴起也让越来越多的客户对汽车市场提出了低运营成本乘用车的强烈需求。因此，寻找一个价格低廉的清洁能源作为汽车的代用燃料成为了各主机厂和售后改装市场的一个重要任务。压缩（液化）天然气也就在此前提下，在清洁代用燃料中显现出强大的优势，逐渐成为市场普及率最高的代用燃料。根据世界天然气协会（INAGV）发布的数据显示，截止到2017年，我国天然气动力车辆共608万辆，相比前一年增加了50.4万辆，增幅为9%。其中，CNG汽车保有量为573万辆，相比前一年增加了41.4万辆，增幅为7.8%; LNG汽车保有量为35万辆，同相比前一年增加了9万辆，增幅为34.6%[2]。从以上数据我们可以看出，国内的天然气燃料汽车已初具市场规模，并仍有较大的增幅空间。
2 CNG发动机市场优势解析
2.1 政策支持
2018年国务院发布的“打赢蓝天保卫战三年行动计划”中要求，我国必须加快推进国三及以下排放标准营运柴油货车提前淘汰更新。2019年7月1日起，重点区域、珠三角地区、成渝地区提前实施国六排放标准，推广使用达到国六排放标准的燃气汽车。
生态环境部等11个部门联合发布的《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》也提出，2020年底前加快淘汰国三及以下标准排放标准运营柴油货车100万辆。据资料显示，我国目前拥有国三以下的车辆总数为6326.3万辆。这意味着，大量不合格车辆短期内均需更新，将会有一部分车辆替换为天然气汽车。
2.2 硬件设施支持
根据世界天然气汽车协会（IANGV）2018年10月发布的统计数据显示，全球87个国家和地区的天然气加气站保有量已达3.1万座。在国内，截至2017年年底，加气站保有量已达8400座，同比增加了600余座，增幅达7.7%，居世界首位。
中石化在2018年发布消息称，计划在2024年前新建超1000座车用天然气加气站。中国燃气也发布公告称，中燃集团已和中海石油气电集团签署了战略合作的框架协议，寻求合作新建项目。加气站的密度正在逐年加大，对于使用天然气作为燃料的车辆续航的保障能力逐步提升。
2.3 排放法规更易达成
天然气的主要成分是甲烷（CH4），通常CNG的甲烷含量在80-95%，LNG的甲烷含量在88%-99%之间。所以以天然气作为汽车燃料，会有效减少污染物排放。根据笔者对天然气车辆排放物调查对比，使用CNG代替汽油作为汽车燃料，可使颗粒物排放减少约40%，二氧化碳减少约24%，碳氢化合物减少约72%，一氧化碳排放量减少约97%，相比汽油和柴油燃料，更易达成当前国六阶段排放法规要求。但是，由于天然气的燃点高，缸内燃烧温度会较汽油机和柴油机偏高，这一特点对于氮氧化物的排放是不利的，可考虑由目前国五天然气发动机采用的稀薄燃烧改为当量燃烧，减少氮氧化物的排放。
2.4 综合运营成本低
根据以上天然气和汽油的燃料特性参数，我们对以压缩天然气做燃料和以汽油做燃料进行计算对比如下：
1.对应和每升汽油产生同等的热量，燃气消耗量：
2.根据CNG发动机后市场改装调研及作者对原厂开发CNG发动机性能摸底对比，同一款发动机，使用天然气为燃料相比使用汽油燃料，发动机性能下降在15%～20%左右。在该前提下，同一车型综合工况下燃油消耗量按照10L/100kM定义，那么对应的燃气消耗量估算如下：
注：1.2为因发动机性能下降带来的燃料消耗量提升系数。
3.当前，在CNG发动机重点市场重庆地区的92#汽油价格为7.06元/L，CNG价格约5.04元/kg，对应百公里燃料成本价格：汽油为70.6元/100kM，CNG为38元/100kM。
根据以上的计算结果，使用CNG为燃料综合运营成本较汽油下降至少45%，对于客户而言，这个运营成本的吸引力可见一斑。
3 天然气发动机技术特点研究
3.1 核心系统
以天然气为燃料的汽车由三大核心系统组成，分别是储气系统、供给系统和控制系统。储气系统指储存CNG/LNG的装置，主要由天然气储气瓶、高压截止阀、气量显示器、压力表、充气阀、压力传感器及高压管线等组成;供给系统主要由燃气过滤器、高压减压器、燃气喷射导轨（混合器）、燃气喷射嘴等组成;控制系统是指ECU部件，根据发动机运行工况调整燃气供给量，针对双燃料系统，可以切换控制喷油或喷气，主要由ECU控制单元、燃料切换开关及相关线束组成。
3.2 性能特点
1.低温启动性能较汽油机差。由于天然气的着火点比汽油高220℃，所以其要求的点火能量比汽油机更高，燃烧对火花塞的要求也更高。一般对于天然气发动机，为保证其良好的点火性能需要采用高能量点火线圈和气体机专用的火花塞。
2.性能较汽油机有所下降。由于单位体积内气体燃料相对液体燃料的混合热值较低，动力性会有所下降，一般天然气发动机的动力性较汽油发动机会下降15～20%左右。为尽量减少性能下降程度，考虑天然气具有较高的辛烷值（130），抗爆震性能强，对CNG燃料发动机，可适当提升发动机压缩比;此外，天然气燃烧速度比汽油慢，可适当将点火提前角提前，但需综合考虑点火提前角提前造成缸内最大爆压增加带来的风险。
3.各缸进气均匀性差异较大。燃气喷射受导轨容积限制，会使发动机在高速高负荷工况下各缸的进气均匀性会有一定差异，高速时各缸燃烧不均匀，长期下来各缸的气门和座圈磨损也会不一致。此外，气体燃料的密度受环境温度影响较大，会导致夏冬季节发动机性能差异偏大的情况。
4.可靠性较汽油机更严苛。天然气中含有少量的硫或硫化物等有害成份;与汽油相比，本体及其燃烧产物不具备润滑功能，燃烧温度偏高、燃烧速度慢等特點无疑会加剧燃烧室内相关零部件工作环境的恶化，其中影响最为明显的是排气门及座圈早期磨损，因此排气门及座圈需采用耐高温、耐磨性、耐腐蚀性及自润滑性能优良的材料。
3.3 安全性
天然气汽车与汽油相比在安全性上具有一定的优势，而并非直观感觉上的高危险性，其在安全性能方面主要有以下几个特点：第一，天然气相对空气的密度低，为0.48，如果出现气体泄漏，会快速在空气中散发，很难达到遇明火而燃烧的浓度;第二，本身具有高燃点，前文中也已说到，其燃点比汽油高近220℃，所以与汽油相比更不易被点燃;第三，天然气的爆炸极限窄，仅为5%～15%，在自然环境下达到爆炸条件比较困难。因释放过程是一个膨胀吸热过程，泄漏点周围会迅速形成一个较低温度区;第四，整个天然气的储存及供给系统在设计上有严格的安全保障措施，对高压系统使用的零部件，安全系数均选用1.5～4以上，在减压调节器、储气瓶上安装有安全阀，控制系统中，安装有紧急断气装置;第五，高压储气装置出厂前有100%安全检验，除开常规检测，还需充气作火烧、爆炸、坠落、枪击等试验，合格后，方能出厂使用。在全球开始发展天然气汽车60年来，未发生过因天然气爆炸、燃烧而导致车辆事故的事例。
4 结束语
在当前能源消耗量巨大，传统汽车燃料价格日益攀升，环境污染愈发严重的形式下，汽车行业的能源多样化需求也愈加强烈。天然气作为理想的清洁替代燃料仍有巨大的发展空间和探索价值。此外，结合当前混动发展现状，在以天然气做燃料的发动机基础上开发混动总成，也会是一个值得探索的动力方案。
参考文献：
[1]前瞻网.2019年中国网约车行业市场现状及发展趋势分析[EB/OL].（2020-01-07）.https：//www.sohu.com/a/365221172_114835index.html.
[2]清洁能源汽车网. 中国天然气汽车保有量连续4年全球第一[EB/OL].（2018-09-20）.http：//cevhome.com/content/detail.php？id=1270&sid=4.
