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摘 要：天然气被公认为是一种清洁燃料，符合当代环境的要求，是石油类燃料很好的替代品，目前在汽车领域已有成熟的应用，而在轨道交通方面的应用一直处于研究之中。介绍天然气的相关性质和在轨道交通上应用的优缺点，并阐述其在轨道交通方面的发展和研究历程，最后展望其在未来轨道交通上的应用前景。

关键词：轨道交通;天然气;节能减排;内燃机车;动车组

中图分类号：U265

0 引言

全球变暖，环境恶化已严重威胁到人类的生存，因此各国均已经开始加强对环保的重视，许多国家已经开始用铁路运输来取代汽车运输，不仅降低了费用，而且节能环保。虽然目前各国的轨道交通趋于电气化，但是国内外许多专家、学者指出，未来可预见的时期内，内燃机车依然有广阔的市场，因此燃料能源是一个值得关注的问题。目前现存的内燃机车、内燃动车等仍以柴油为动力燃料，由于未来石油资源的短缺和对排放的严格规范，因此必须寻找新的替代燃料。天然气就是其中的一种，虽是化石能源，但它被认为是地球上“最清洁的化石能源”。近年来，各国都在积极研制、改装和试验燃用天然气的内燃机车和动车组，已取得了良好的成果。

1 天然气作为可替代燃料的可行性分析

1.1 天然气的性质

天然气比空气轻，易于扩散，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，最主要的成分是甲烷，占84%～ 99%，因此其辛烷值高，抗爆炸性能好。天然气在工程应用中主要以2种形态存在，一种是压缩天然气（GNG），是将0.3 MPa左右的天然气在加气站加压至20～25 MPa储存在气瓶中;另一种是液化天然气，将气态天然气冷却至-162 ℃后转化为液态存储在特定的气瓶中，其体积减小了600%。天然气在液体状态下不会燃烧，更不会爆炸，而在气体状态下，只有温度接近537 ℃时，且在氧气浓度足够的情况下才会燃烧;与柴油和汽油相比，是比较安全的燃料。

1.2 天然气的优缺点

1.2.1 优点

（1）当量天然气的价格远低于柴油的价格，因此节省燃料资源。

（2）可提高大修的期限（约0.5～1倍），延长内燃机机油的使用时间，从而降低了机油消耗量（30 %～40 %），节省了成本，延长了机车寿命。

（3）俄罗斯天然气科学研究院和汽车与汽车发动机科学研究院证明：当内燃机燃烧天然气，其污染排放物大幅降低，其中CO的排放量可降低80%～90%，HC的排放量可降低66%～95%，NOx的排放量可降低60%～96%。

（4）天然气储量丰富。

（5）柴油机改用天然气作为燃料，结构改造较为简单，改造费用低，改造后的输出功率和柴油机相当，同时运行可靠、方便。

（6）机车燃用相同体积的液化天然气和柴油，前者行驶的路程比后者行驶的路程更长。

1.2.2 缺点

（1）目前，天然气的基础设施建设仍不完善，前期投资巨大。

（2）储气装置会占据机车较大的空间。

（3）高压储气存在一定的爆炸风险，液化储气需要很高的成本。

2 国内外液化天然气内燃机车的发展历程

2.1 美国

有关天然气内燃机车的研究美国一直处于领先地位。因卡车货运成本高，污染大，所以北美的货运铁路业正在悄然复兴，被看作一个潜在的液化天然气市场。

1983年，美国伯灵顿北方圣太菲铁路公司（BNSF）将美国通用电气电力部（GE Electric Power Division）生产的GP-9柴油机车（配备一台自然吸气的16缸、1 300 kW 、576C型柴油发动机）改装为燃烧天然气作业，该车在明尼苏达州南部明尼阿波利斯和威斯康星州西北部的港口城市苏必利尔（近240 km）进行了测试。试验期间，天然气机车能够安全运行，但由于该机车采用的是压缩天然气，其能量密度较低，运行里程受到很大的限制。

1987年，BNSF与空气制品和化学品公司（APCI）以及ECI电信有限公司共同对EMD型SD40-2机车（装有涡轮增压发动机，型号为16-645 E3B（功率为2 237 kW））进行了改造，燃用天然气、柴油2种燃料，输出和柴油机同样的额定功率。

1992年，BNSF的2辆SD-40型双燃料机车投入运营，将蒙大拿州汾河盆地的13 500 t的煤炭运到威斯康星州的一座电厂，往返2 700 km。

1995年以前，学者们主要探索天然气的燃烧性能，之后将重点放到了大功率机车的研发上。美国EMD内燃机车公司研制出3 000 kW的SD70 MAC型机车以及3 356 kW和4 475 kW的新型大功率液化天然气机车。除了以上公司，还有MK Rail公司以及联合太平洋铁路公司等都进行了相关的研究。

近些年，美国对天然气在内燃机车方面的研究从未间断过。2014年，BNSF与GE和EMD公司共同完成了2台液化天然气机车的研制，其中与EMD研发的内燃机车，燃用柴油和天然气的比例分别为40%和60%;另一台和GE研发的内燃机车燃用天然气和柴油的比例为80%和20%;2个月内完成密集测试，模拟了一列运输100辆煤的火车。2015年，BNSF对柴油和天然气混合动力机车进行了测试，在混合动力机车之间连接液化天然气燃料车，该燃料车能够使天然气在恒定温度下保持在零下 260°F（162.2 ℃）状态。2017年，美国佛罗里达铁路公司（FCER）发布了与美国查特工业公司合作改装的采用GE ES44AC型发动机机車，该机车直接燃用液化天然气。FCER表示，采用的液化天然气可直接使用位于佛罗里达东海岸液化天然气厂的资源。图1为2015年美国BNSF公司用来测试的混合动力机车。

2.2 俄罗斯

俄罗斯的货运量是全球最大的，其成本高、污染大，因此对天然气在机车上的应用研究起步较早。其次，俄罗斯的天然气储量大，作为石油燃料的替代品有很大的优势。

20世纪80年代后期，俄罗斯开始开发天然气内燃机车，当时卢岗内燃机车厂生产了3台实验性天然气内燃机车，其中2台为2ТЭ10Г型机车，采用了由哈尔科夫工厂生产的二冲程10Д100 型柴油机，1台为2ТЭ116Г型机车，采用了由科洛姆纳工厂生产的四冲程Д 49 型柴油机，每台车装有1节储气车。1990—1995年间，完成了6ГДГ50型天然气发动机的研制;1997—1998年，将6ГДГ50型天然气发动机用于调车机车上，研制出ТЭМ18Г型天然气内燃调车机车。21世纪初，又研制出SЭMЭ3Г型、TЭM2Г 型和TЭM18Г 型调车机车，其中TЭM18Г型机车采用压缩天然气，压力为20.2 MPa、容积为790 m3，天然气罐的体积庞大。2006年，俄罗斯铁路运输公司对运行在干线上的2TЭ116Г 型内燃机车进行结构改造，采用天然气作为燃料。2012年，成功研制了全世界首台采用普通活塞式柴油发动机（完全使用液化天然气作为燃料）的内燃机车，命名为TЭM19型，2014年完成测试试验，如图2所示。

2.3 加拿大

除了美国和俄罗斯，加拿大国家铁路局分别改装了2台2.2 MW的SD40-2型机车和3.2 MW的SD70M-2型柴油机车，采用90%的天然气和10%的柴油运行。2013年，印第安纳港口铁路公司将31辆柴油机内燃机车改造为完全燃用天然气的内燃机车。2016年，印度尼西亚国家铁路公司和石油天然气两家公司共同开发燃用液化天然气的内燃机车。

2.4 西班牙

2018年，西班牙启动了以液化天然气为燃料的铁路客运列车试验项目。该试验项目由西班牙铁路运营商RENFE以及2家西班牙天然气公司 Fenosa、Enagás 联合开展，该项目在米轨2600系双联内燃动车上，将其中1台柴油机改用燃烧液化天然气，目前正在测试中。

2.5 中国

国内对天然气在机车上的应用研究很少，而且起步较晚。近年来，国家对环保越发重视，不断出台相关政策，加强对内燃机车的环保要求。同时随着石油化工能源的日益短缺，国家鼓励在关键领域和任务中“研究和开发替代燃料内燃机产品”，以降低油耗。2015年，中车资阳机车有限公司与玉柴四川发动机有限公司合作，共同开发出中国首台双燃料机车，正式开启天然气在机车上的应用和研究。该车采用以液化天然气（LNG）为主要燃料，柴油为辅助燃料的双燃料发动机，装载功率达3 680 kW。

3 应用前景

虽然天然气内燃机车的研究很早就已经开始，但由于当时的技术问题和天然气自身的一些缺点，有些项目和研究被迫终止。近几年，随着天然气储量的探明以及环境政策的不断收紧，天然气在铁路上的应用被重新提上了日程，许多国家已出台天然气在轨道交通方面应用的政策。例如，2015年俄罗斯铁路运输公司发布的能源战略报告中预测，到21世纪30年代俄罗斯将有25%的内燃机车改为天然气内燃机车。

近年来，我国内燃机车市场出现了萎缩，但从长期看，中国依然需要大量的内燃机车。尽管全国铁路网主要是电气化的，但依然有许多地方不能电气化。例如：干线铁路和次级干线铁路仍然需要内燃机车作为动力;由于调车机车功能的特殊性，大部分采用内燃机车;许多大型工矿企业，每年货运量庞大，大多采用内燃机车运输，每年都需要补充相当数量的工矿内燃机车;各个领域现有的旧机车需要大量更新、技术升级等。与此同时，由于中国轨道车辆在国际市场上的份额越来越大，因此，未来天然气机车依然具有广阔的发展前景。

未来尤其是在调车机车领域，因其工作的特殊性，负荷频繁变化，导致燃油燃烧不充分，生成许多有害气体，对周围环境污染严重，若改用天然气作为机车燃料，减少有害气体的排放，具有很大的节能环保优势。

4 结语

本文详细介绍了天然气在轨道交通上的研究和发展历程，结果表明：通过改造原有内燃机的结构即可燃烧天然气，燃烧天然气不仅能明显降低铁路运营成本，而且可以大幅降低原来燃用柴油排放的有害气体，符合新时代节能减排的政策要求，因此天然气是一种很好的内燃机燃料。随着对天然气内燃机的深入研究，以及各国天然气相关基础设施的完善，天然气在轨道交通上的应用将更加广泛。

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收稿日期 2019-07-15

责任编辑 党选丽