天然气汽车工作原理

　　引言

　　正在使用家用充气设备充气的本田思域gx《芝麻街》中的大青蛙柯密特说过：“想要成为绿色，太不容易了。尽管他指的不是汽车，但他的观点似乎特别适合于当前汽车工业的现状： 设计、开发以及推广“绿色环保”汽车并非易事，这就是为什么汽油动力汽车仍然是道路上的主力军，而且矿物燃料仍然占据全球几乎75%的能源消耗的原因。

　　但是，随着油价的飙升以及越来越多的人开始关心有害气体的排放，以替代燃料为动力的汽车将变得日益重要。天然气汽车（ngv）就是这样一类汽车的完美代表：节省燃料、对环境的污染小、成本较低。本文将向您解释ngv的基本概念，剖析ngv所涉及的独特设计挑战，并分析这种技术的优势和劣势。

　　天然气基础知识天然气的发现部分学者推测，在公元前6000年到公元前2000年之间，中东地区的居民观察到闪电可以将从地表渗出的天然气点燃，从而发现了这一宝贵的资源—天然气。早在公元前211年，中国人就开始通过燃烧天然气对石灰石中的石盐进行烘干。他们还使用竹竿以及原始的尖头工具开凿出了世界上第一口已知的天然气井，但此井仅挖到地下152.4米处。“气”这个词是一个容易混淆的术语，因为该词可以用来描述多种不同的物质，这些物质具有相似之处，但又不尽相同。例如，您加入汽车油箱中的“气”是汽油，汽油是从原油（或石油）中分离出来的物质。

　　石油是一种黑色的液态粘稠状混合物，它是由古代海洋生物腐烂后在地下形成的。天然气也是由古代生物腐烂后形成的，但它的天然形态是气态，而不是液态。天然气资源通常和原油蕴藏在一起。天然气源自陆生植物和水生生物，在石油矿层的上方或下方形成。它常常存在于储层中，在高压的作用下溶解在原油中。也存在一些只包含天然气而不包含石油的天然气储层，称为非伴生天然气。天然气主要由甲烷以及其他烃气组成。烃是仅包含碳元素和氢元素的有机化合物。天然气中的烃称为饱和烃，因为它们所包含的碳和氢以单键相连成链。如下图所示，甲烷是最简单的饱和烃。与汽油一样，天然气也是一种易燃物质，这就意味着天然气也能像汽油一样用于内燃发动机。但是直到二十世纪三十年代，才出现以天然气为燃料的汽车。从气田到燃料罐我们通过在地下钻井，提取地下储层中的天然气。一口配备了镶有金刚石钻头的现代化矿井，可以钻至地表7620米以下。

　　提取和加工大多数现代矿井，都可以在开采原油的同时开采天然气。部分天然气无需经过精炼，就可直接使用，但是大多数都需要进行加工处理。天然气的加工过程包括将各种烃和液体从天然气的“湿气”中全部分离出来，直到变为“干气”为止。天然气干气是纯甲烷，它是许多消费类应用的燃料选择，包括天然气汽车。在整个十九世纪内，天然气仍处于本地使用状态，这是因为当时无法实现远距离运送大量天然气。

　　1890年，防漏管道连接技术的发明使得天然气可以从源头传输到数公里之外的地方。在接下来的两个世纪中，管道技术继续发展，直到远距离天然气传输变为现实。1927-1931年，工人们在美国建成了10多个大型天然气传输系统，这使天然气成为了多种应用的实用能源。在二十世纪六十年代末和七十年代初发生的石油短缺重新引起了人们对将天然气作为燃料的兴趣，汽车行业便是其中一个突出的代表。今天，天然气汽车的车主们可以在位于美国境内的1,300个加油站为他们的汽车充入天然气。本田还为购买其天然气汽车思域的车主们提供个人使用的天然气泵。该气泵使用家中现有的天然气管道，安装价格为500-1500美元。在下一节，我们将论述天然气汽车的设计原理。

　　生物气体天然气不是甲烷的唯一来源。也可以通过在氧气含量低的环境下使有机物（例如粪肥）发酵而获得甲烷。在此条件下，细菌会将粪肥中的营养物作为它们的食物来源，而将甲烷和二氧化碳作为废物释放出来。这种甲烷气体，又称为生物气体，可以收集起来作为燃料。天然气汽车设计天然气汽车的基本原理与汽油动力汽车的原理一样。也就是说，燃料（本例中为天然气）在四冲程发动机的气缸中与空气混合，通过火花塞点火，推动活塞上下移动。

　　尽管天然气与汽油相比，可燃性和点火温度存在一些差别（参见下表），但ngv采用的是与汽油动力汽车基本理念一致的运行方式。特性天然气汽油柴油可燃性极限（在空气中的容积百分比）5-151.4-7.60.6-5.5自动点火温度 (℃)450300230最高燃烧温度(℃)188419772054尽管如此，还需要进行一些改进，以使ngv更有效地工作。改进主要针对燃料储罐、发动机和底盘进行。燃料存储大多数ngv使用压缩天然气来运行，以便燃料占据更小的空间。

　　在加油站，天然气被压缩为20-25mpa，然后再泵入连接至汽车后部、上部或支架的高压筒形气瓶。早期ngv的储罐体积很大，占据了大量的车载空间，但是现在已开发出新一代轻量级气瓶。这些全复合的气瓶又称为集成存储系统(iss)，外面包裹着玻璃纤维外壳和缓冲泡沫，可防止在事故中受到损坏。而且这些气瓶的直径也较小，这样就可以将三个气瓶放置在一起，组成传统汽油箱大小的形状。

　　当ngv的发动机启动后，天然气便从储气瓶流入燃料软管中。在发动机附近，天然气将进入压力调节器从而实现降压。然后，天然气将进入多点气体燃料喷射系统，该系统会将其引入气缸中。传感器和计算机将对燃料和空气的混合气体进行调节，以便火花塞点燃天然气时，燃烧更有效。天然气发动机还包括锻造铝合金、高压缩活塞、镍钨硬化合金排气门座和甲烷催化转化器。

　　可能需要对ngv的悬架系统进行一些改进，以便为燃料存储罐腾出更多空间。有时，在汽车的后部，会采用半拖臂悬架系统替换许多汽油动力汽车通常采用的横向稳定杆悬架系统。这就为后部的支架提供了更多的空间，同时还可提供流畅舒适的乘驾感。ngv还去除了备用轮胎和千斤顶，从而实现了平底板式设计。为弥补没有备用轮胎和千斤顶的不足，车上安装了“低压安全胎”，例如固特异轮胎公司生产的高机动性轮胎。

　　燃料补充方式的区别为天然气汽车补充燃料也稍有不同。充气位置通常位于汽车的前部，但是部分ngv的充气位置位于汽车的后部，如本田思域gx。ngv可以使用“快充”泵充气，所花费的时间与为任何汽油或柴油动力汽车加油的时间相同。此外，ngv也可以使用“慢充”方法花费五到八个小时进行充气。本田公司提供的家用充气站就是一种慢充方式，该方式要求车主花费整夜的时间为他们的汽车充气。接下来，我们将讨论相对汽油动力汽车，天然气汽车的优势及劣势。

　　天然气汽车的优缺点ngv的最大优势就是它们可以减少对环境有害的气体排放。与汽油动力汽车相比，天然气汽车可以减少多达93%的一氧化碳排放量、减少33%的氮氧化物和50%活性烃气的排放量。在颗粒物10(pm10) 排放的评测中，ngv的排名也更为靠前。pm10微粒可通过空气传播并可蓄积有毒物质。采用柴油引燃的ngv可以将pm10排放量减少十倍。

　　天然气汽车还具有以下优势： 
　　制造与购买要制造一台拥有上述设计的ngv，不能仅将汽油动力汽车改装一下，而需要完全重新制造。一辆全新的天然气汽车售价比同等的汽油动力汽车高4,000-8,000美元。而且，也可以将传统的汽油动力汽车改装成使用天然气作为动力行驶。这种方式，也可能会很贵，改装通常需要花费3,000-5,000美元。单独使用天然气作为动力行驶的汽车称为“单一燃料”ngv。可以同时使用天然气和汽油这两种燃料的汽车称为“双燃料”汽车。驾驶双燃料汽车时，驾驶员可以在驾驶中安全地转换所使用的燃料。更安全。ngv的燃料储罐比汽油或柴油罐更厚、更结实。

　　在美国，两年多以来没有出现过任何ngv燃料储罐破裂的情况。天然气的费用比汽油低。平均来说，费用低三分之一。天然气易于使用，且储量丰富。美国境内有高质量的管道基础设施，可以将天然气输送到所有城区和大多数郊区。美国境内有1,300多个ngv加油站，而且这个数字每天都在增加。与汽油价格相比，天然气的价格非常稳定。在历史上，与基于石油的燃料价格相比，天然气的价格都非常稳定。这使得正确进行长期成本规划更为容易。

　　ngv的维护成本较低。因为天然气燃烧时很少产生污染，这对于发动机的磨损较少，而且还能延长调整发动机和更换机油的时间。天然气汽车的劣势用户对于ngv的最大抱怨就是，与汽油动力汽车相比，ngv的空间不足。这是因为ngv必须放弃宝贵的载货和车厢空间，以便容纳燃料储气瓶。不止如此，这些气瓶的设计和制造成本可能都很高，这是天然气汽车与汽油动力汽车相比，总体成本较高的原因。

　　燃料气瓶的后部支架另一个不足之处在于ngv的行驶里程有限，通常只能行驶汽油动力汽车的一半路程。例如，本田的天然气汽车思域，即思域gx，最多可以持续行驶354公里无需加气。而常规的汽油动力汽车思域大约可以持续行驶560公里无需加油。如果单一燃料ngv在路上耗尽了燃料，就必须拖回车主家或拖至当地的天然气加油站，这可能比寻找普通的加油站更加困难。最后，应该注意的是，天然气与汽油一样，都是矿物燃料，不能将其视为可再生资源。尽管美国的天然气储量相当大，但它们也不是取之不尽的。有人曾经预测，假设按照2003年的消耗水平，天然气储量还能持续开采67.1年。

　　尽管ngv具有一些明显的优势，但它们的普及率仍相对较低。根据美国天然气联盟的数据，美国现有13万辆ngv在道路上行驶，而全球的ngv汽车超过了250万辆。换一个角度来看，试想2001年就有1亿4,250万辆已登记的汽车，也就是说美国的汽油动力汽车与ngv的比率大约是1,100:1。目前有超过40家汽车制造商在生产ngv，包括福特、通用、丰田和沃尔沃。本田供图phill家用加气设备本田和戴姆勒-克莱斯勒这两家公司引领着 ngv的设计和工程学方向。本田是第一家提供零售ngv（本田思域gx轿车）的汽车制造商，公司还为这辆车配备了一个名为“phill”的家用加油站。

　　思域gx是一款单一燃料ngv，也就是说它只能使用天然气作为燃料行驶。戴姆勒-克莱斯勒公司正在生产一款e系列梅赛德斯，它可以同时使用汽油和天然气作为燃料行驶。此类技术我们称之为“ngt”，即“天然气利用技术”，只需补充一次燃料就可以行驶999.4公里，其中299.3公里使用天然气，700公里使用汽油。尽管类似思域gx和e200 ngt的汽车只对有限的市场供应（前者仅供美国西部的特定州，而后者仅供欧洲国家和地区），但在未来二十年间，ngv有望成为更大众化的产品，特别是随着汽油价格的不断攀升。到那时，要想成为绿色，就不再那么困难了。有关天然气汽车及相关主题的更多信息，请查看下一页的链接。 

　　ngv车队在美国，对于每天都需要在路上行驶很长距离，并且对燃料需求量较大的车队，多年来都在使用天然气。它们包括出租车、公交车和校车、机场大巴、工程车辆、垃圾车、运输车和公共工程车辆。为什么这些车队用车特别适合使用天然气呢？
 
　　首先，由于这些车辆体积较大，不论是改装还是直接采购，都比较经济划算。但更重要的是，车队用车都是集中维护，这就使得燃料补给过程更为方便、可靠。许多长途卡车和大客车都使用另一种形态的天然气作为燃料行驶，即液化天然气，简称lng。lng是通过将天然气在零下163摄氏度的低温下冰冻，冷凝为液体而形成。液体形态更为致密，因此能提供更多潜在能量。这就意味着在同样的汽车或卡车空间中，能够存储更多的能源。
 

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