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摘要：伴随着天然气商用车的快速发展，车辆在使用过程中所暴露出的各种问题也一直影响着产品的普及推广。故此对CNG/LNG燃料天然气商用车存在的问题进行了分析，并提出了相应的对策和解决方法，为CNG/LNG燃料天然气商用车品质的进一步提升提供了参考。

以CNG和LNG为主要燃料的天然气商用车在我国虽然是2007年起步，但是从2008年开始便呈现出爆发式增长，平均增速保持在46.7%左右，明显高于汽车行业的平均水平，开辟出一条新的商用车战线（如图1、2）。2015年在整个天然气商用车行业对市场前景信心满满之时，良好的市场氛围戛然而止。根据工信部合格证数据统计，2015年前10个月，天然气商用车累计产量13110辆，比去年同期净减2.8万辆左右，产量降幅68%。

市场的剧烈变化一方面受国内外经济环境的影响，另一方面国家宏观政策导向变化对市场的影响很大。此外，客户对该产品从陌生到熟悉的一个渐进过程中对产品的选择更加理性，这就提醒我们应该认真考虑产品的结构、技术状态和产品升级换代。本文主要对天然气商用车发展过程中存在的问题进行分析，并对天然气商用车的发展趋势进行一定的预测。

天然气商用车发展现状及存在的问题

1.燃气供给系统自重过大

从燃料经济性方面相比较，天然气车比柴油车有优势。但燃气供给系统自重过大，按装载具有相同热值的燃料评价，通常车载燃料自重与车辆供给系统设计自重比依次为：CNG1：5、LNG1：2、柴油车1：1.5，可以看出CNG供给系统的自身功耗最大。这是因为CNG的燃料存储方式按高压气态存储，燃料的密度低，同时国家对高压容器和高压容器固定装置的设计有严格的安全等级要求，造成系统整体自重过大。虽然LNG和柴油系统均以液态方式存储，但是LNG安全性能要求级别高，气瓶和固定装置设计时预留的安全系数大。同时，由于LNG的深冷性质，致使LNG气瓶需采用双层罐体结构，同样造成LNG供给系统自重大。

供给系统自重大，车辆行驶时需要克服其自重的功耗就越大，这在一定程度上稀释了天然气燃料价格带来的优势。

2.天然气商用车受成本因素和加气难的制约

从能源结构划分上看，天然气车辆属于清洁能源汽车，但不属于新能源汽车，因而不能享受国家产业政策的扶持。从购车成本上看，CNG车与柴油车相比，初期的投资成本约高达3万元；而LNG车与柴油车相比，初期的投资成本约高达8万元。由于购车成本高又没有国家政策的扶持，所以天然气车辆只能依靠燃料价格红利来弥补初期较高的成本投入，这也就造成天然气车辆的销售量与天然气的价格挂钩。如果天然气价格与柴油价格差价小于或等于阀值时，市场便会出现短期的停滞。假设发动机的能量利用率相同，可以根据表l所示数据对天然气价格与柴油价格差价的阀值进行如下推算。

根据表1的理论参数（由于各地油气资源质量不同，油气产生的热值略有差别，表1仅提供理论上的燃料参数，具体以当地公布的数据为准），可做如下换算：

Q₁=q×p/1000=9326 kcal/L

Q₂=q×ε/p=13586 kcal/kg式中，Q₁为1L柴油产生的热值，Q₂为1 kg LNG产生的热值。

由此可知，消耗1L柴油所产生的热值约为0.7 kg的LNG消耗产生的热值；消耗1L柴油产生的热值，约为1 m³标准大气压下天然气产生的热值。因此，当CNG车与柴油车的价格比接近1时，从燃料经济性角度考虑，车辆使用CNG燃料没有成本优势；当LNG车与柴油车燃料的价格比接近1.45时，从燃料经济性角度考虑，车辆使用LNG燃料没有成本优势。

目前汽柴油价格是5.17元/L，CNG天然气零售价3.71元/m³，LNG天然气零售价是6.25元/kg。由此可见，使用LNG和CNG作为燃料的价格优势已被削弱。

此外，加气站网点少，使得购车容易加气难的局面在短期内仍难以消除。这些因素制约了天然气车辆的社会效益和经济效益的实现。

3.操作繁琐和精准控制难以实现

如图3、4所示，CNG系统需要人工操作的阀门有气瓶阀门、过流保护阀、充气截止阀、总截止阀和排空阀。LNG系统需要人工操作的阀门有增压截止阀、增压调节阀、出液阀、放空阀和放空回气阀。

相较于CNG和LNG燃气供给系统，燃油车的燃油系统非常简单，几乎不需要人工介入性操作。

零部件种类多、操作过程繁琐使天然气商用车的日常使用过程中维护保养困难，造成系统小故障因不能及时处理而往往错过最佳的保养和维修时机。同时，企业需要花费大量的资金对使用者进行专门培训，影响产品的普及程度。

现阶段天然气商用车的燃气供给系统仅能满足基本功能的实现，远远没有达到柴油车和汽油车的精准控制，这使得司机在日常降气耗、燃烧废气物的处理过程中没有一个准确的参数可鉴。例如，当LNG气瓶压力低于发动机所需要的压力时，气瓶需进行增压操作（升高气瓶压力，以达到发动机所需要的压力），自增压设备的启停需要手动操作，系统不能精确控制。汽化器为满足发动机最大功率的需求，气化量为恒定最大值，无法根据发动机的实际工况调节气化量。

4.燃气供给系统关键技术亟待突破

目前，在天然气车辆使用过程中主要的技术瓶颈是LNG自汽化问题和系统供气不稳定。LNG气瓶内装的是液化天然气（如图5），由于气瓶支撑系统及瓶体与外界的热交换会使液体蒸发变成气态，瓶内压力则慢慢升高，当压力升高到安全阀的设定压力时，便会自动开启释放一部分气体，以保证气瓶不会因为超压产生危险，这就是LNG自汽化问题。一旦车辆停放时间过长，就会造成容器内的压力升高，而低温容器一般不耐压或者耐压能力低，这就有可能发生事故。目前一般采取的措施是当压力升高至设定压力时，安全阀打开自动放气，由此造成燃料的浪费严重，如果是在车库里还会增大发生爆炸的隐患。在LNG各种成分中，甲烷的沸点最低，在汽化时首先被蒸发，当瓶内剩余的LNG中甲烷的含量减少，又会使LNG的品质劣化，容易造成发动机故障。

燃气发动机存在的技术瓶颈是发动机热效率低于柴油机。由于燃气发动机压缩比最高为12：1，低于柴油机17.5：1，同样功率的燃气发动机动力性较同排量柴油机偏低15%～20%。这就造成天然气车辆在爬坡时经常会出现动力不足的现象。因此，在平坦道路上行驶时，天然气车辆与柴油机车辆没有明显差别.加速性能良好、运行平稳，但在坡道上运行时便会出现供气不稳定，发动机动力不足。

5.产品一致性差，检查检验繁琐

目前，燃气供给系统各个配套厂家均以独立自主研发为主，产品研发和市场化缺乏充足的资金和技术支持，规模小、效率低、行业内技术壁垒多。由此造成了CNG和LNG天然气车辆供给系统配套的各厂家产品和技术状态参差不齐，产品的普及和推广困难，技术发展缓慢。

6.燃气供给系统自身冷能利用发展缓慢

CNG降压和LNG气化时产生大量的冷能没有得到充分利用，且需要引入发动机冷却液对燃气加热，以防止管路出现结冰，危害燃气的正常供给。

7.国家宏观政策导向变化

从2007年4月，国家发改委颁布的《能源发展“十一五”规划》阐明了国家能源战略，到《天然气发展“十二五”规划》将发展天然气汽车列入“十二五”期间高效利用天然气的重点项目。所有这些都是持续不断地给天然气汽车的发展注入政策上的支持。

然而到了2014年12月，国家质检总局特种设备安全监察局发布的《关于进一步加强机动车“油改气”安全管理工作的指导意见（征求意见稿）》和2015年3月，国家发改委下发《国家发展改革委关于理顺非居民用天然气价格的通知》。不仅对整个天然气专用车市场造成了严重打击，对整个产业链也带来了限制。

时至2015年11月，国家发改委公布天然气价格调整方案，下调价格0.70元/m³（调整后的CNG天然气零售价为3.71元/m³，LNG天然气零售价为6.25元/kg），这让处于黑夜中的天然气汽车行业看到了曙光。政策上的不确定性增大了行业发展的难度。

在加气站建设方面，审批难、政府征收高额的土地使用费，也让参与天然气加气站建设的企业热情不高，天然气加气站数量不足制约着天然气汽车行业发展。

天然气商用车发展方向探讨

1.系统降重

对于CNG气瓶，目前国内基本采用玻璃纤维环向缠绕瓶，相比钢瓶能减轻30%的自重，若采用钢内胆碳纤维缠绕气瓶或铝合金内胆全缠绕气瓶，自重会更轻。

目前，CNG气瓶的最大容积可以做到212 L，一般长途运输车辆至少需要8支气瓶，最多可以达到12支气瓶，气瓶越多，固定装置数目越多、自重也会越大，因此，可考虑开发大容积气瓶、减少气瓶数量，使得气瓶固定装置简化，在同等安全性能等级条件要求下，固定装置的自重也能减少。同样，LNG气瓶如果开发出大容积气瓶，即每减少一支瓶体，相关的阀体等成套设备就能得到相应的减少，在成本和自重方面则有很大的下降空间。

在气瓶固定装置设计过程中，还可以考虑使用替代材料和复合材料，如高强度钢、铝合金、复合塑料等比强度高，轻量化的材料。同时运用计算分析软件对结构进行优化提升，减少不必要的自重。

提高燃料密度也是一种可行的方案，从CNG到LNG的整个转变过程中能量的利用率提高了3倍，对于传统CNG车辆可以提高气瓶额定工作压力，研发高压或者超高压气瓶。

目前在此类产品的生产设计过程中为解决高压和深冷的问题使系统设计安全系统过高，成本和自重居高不下。作为一个系统，并不是简单的几个零部件相互叠加，有的部件性能要求高，有的部件只需要满足一般的性能要求即可。因此，可以运用系统工程原理对于整个供给系统进行优化设计。

2.系统降价

柴油车和天然气车的区别主要在于供给系统。与燃油供给系统相比，燃气供给系统的价格还有很大的下降空间，供给系统降成本是天然气车辆发展的另一个需要攻关的方向，这牵扯到系统的优化布置和各个零部件总成的优化和降成本设计。对部分功能叠加的组件可以采用模块化设计，如燃气温控模块和智能点火线圈等，以提高产品的可靠性和低成本。

3.系统自动化、智能化控制

目前系统只是满足各种功能的实现，无法达到精准控制。系统复杂使需要设定的参数多，系统在控制过程中的反馈和修正都比较慢，系统响应时间长，控制也很复杂。系统的精简和自动化控制将成为天然气车辆发展的一个方向。如LNG供给系统可以采用低温泵替代自增压装置，发动机控制单元根据发动机自身的工作条件自动控制低温泵的运行，以便控制系统的供气量。

4.核心技术突破

控制LNG蒸发量是行业内亟需解决的问题，研究控制LNG气瓶的蒸发率对提高产品的经济性和竞争力有着积极的促进作用。在现有工艺技术水平上提高系统额定工作压力和对气瓶蒸发气体进行回收再利用都是有效解决LNG气体蒸发的途径。

系统燃气供应不稳定，一方面由于燃气汽化率随发动机冷却液的温度变化而变化，另一方面因系统缓冲罐匹配不合理。燃气供给系统可以采用低温泵为发动机提供适合发动机需求的压力、流量、温度，实现燃气自动按需供给，消除人为操作和环境变化等引起的误差。

目前天然气发动机大多数都是采用电控单点喷射点火技术（如图6），天然气和空气需要在进气口混合后，将混合气体送入气缸由高压点火线圈点燃。发动机若采用缸内高压直喷技术（如图7），高压直喷喷油器在发动机压缩冲程上止点前喷入少量柴油形成火焰引燃柴油后，将天然气直接以高压喷射到火焰中在气缸内燃烧。发动机的功率和扭矩与柴油机相同，比单点喷射点火式发动机大20%；热效率与柴油机相同，比单点喷射点火式发动机燃气损耗低20%～25%。

5.制定规范

制定统一的产品设计规范、检查认证标准（CNG车已有气瓶和安装方面的国家标准，LNG车的国标尚在立项和制定中，LNG专用装置的国标尚在修订中）和一致性文件，可以促进产品技术状态统一，有效降低日常的维护费用，减少使用环节的产品检查和使用难度。例如：系统设计过程中使用行业内推荐标准件或者行业推荐的产品结构和功能规范。

另外，供给系统应有一套完备和准确的自检功能，逐步替代强制性检查对客户带来的不便。天然气车商业化运行这么多年来，特别是CNG技术已经非常成熟，完全有必要对系统进行梳理和优化，逐步将天然气车辆供给系统从一套需要定检和强制检验的“危险品”发展为常规燃料的供给系统。

6.冷能利用

天然气车辆冷能利用最容易实现的是制冷利用。如图8所示的LNG冷能空调系统，系统通过在燃气供给系统中加设低温冷量提取系统，以提取制冷所需的液态天然气，液态天然气经由蒸发器与外界空气进行热交换，气化吸热后达到制冷的效果，最后通过循I不泵将空调管道内产生的冷气输送到驾驶室内。

LNG冷能空调与传统车用空调相比较，其循环泵替代了压缩机，但减少了冷凝器和干燥罐。无论是结构还是性能方面，都有较大的优势。

7.专用化设计

天然气车辆受当地气源质量和气候I不境影响较大，对于热区、寒区应针对性地分别开发供给系统。对于天然气气源质量较差的区域，供给系统应该增加除水过滤装置。

8.政府应有明确的政策导向和措施

以纯电动、燃料电池为主要燃料的新能源技术，存在价格过高、续驶里程短的现实问题，尚不能支撑重卡的发展。政府应该在国家层面上出台支持政策和具体措施，制定明确的发展目标和发展规划。建议国家加快全国范围内的加气站网络建设，制定补贴鼓励政策；建立科学、合理、清晰的天然气定价机制，并且柴油与天然气之间应保持合理的差价，以确保天然气重卡的燃料经济性。