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汽油燃料汽车改装为CNG–电力混合动力汽车
摘要
在中东地区使用CNG汽车真的是有百利而无一害，因为此地区的汽油是以高补贴价格出售的，因此通过将一部分的燃油汽车改装成天然气燃料汽车，就能减少使用汽车消耗的燃油量。对于卡塔尔来说，将燃油汽车改装为天然气汽车在降低本国燃油消耗量的同时，还能将这部分燃油用于出口，如此还能提高本国的财政收入。混合动力汽车主要是由CNG发动机和电动机组成的，电动机的电池由CNG发动机充电。因为CNG-电力混合动力汽车中CNG发动机的唯一作用是给电动机的电池充电，因此与传统的燃油内燃机相比其CNG发动机的体积和污染物排放均有很大程度的下降。虽然CNG-电力混合动力汽车的应用不如柴油-电力混合动力汽车的应用广泛，但是其应用可行性已经在丹佛、西雅图等数个美国城市被成功证明。
CNG-电力混合动力汽车在未来有着巨大的潜力，因为首先，相较于汽油、柴油等常规能源，天然气是清洁能源，污染物排放各项指标均远远低于汽、柴油；其次，CNG-电力混合动力汽车更能适应现有的经济模式和交通运输模式。天然气等替代能源的应用需要投资和具体的研究，他们的作用和可实施性需要得到检验。这篇论文的研究领域会涉及以上讨论的大部分方面，同时这篇论文还会讨论这些技术的应用会给卡塔尔和中东地区带来哪些具体的改变。
- 简介
压缩天然气（CNG）是交通运输领域的一种清洁替代能源，已有实验表明，同样的汽车使用CNG和汽油两种不同的燃料，使用CNG时的颗粒物排放和气体污染物排放均比使用汽油时减少了很多。一些有奉献精神的企业认为CNG内燃机与传统内燃机相比产生的污染更少，是最清洁的内燃机，并致力于制造CNGNE内燃机。另一方面，汽油价格的上涨也确实严重影响了世界范围内很多国家和个人的财政状况。将使用汽油燃料的汽车改装为天然气汽车，不仅能减少车主的燃料费用,还能减少国家和个人对于汽油燃料的依赖，同时还能达到保护环境的目的。
CNG是使用天然气作燃料的一种形式，它是由93%以上的甲烷，3%左右的乙烷以及一定成分的氮、二氧化碳、烯烃组成的。过去的一段时间里，大量使用石油产品作为汽车燃料造成了全球范围内人们对能源危机的担忧，也加强了人们寻求石油产品的替代燃料的决心。压缩到3100磅/平方英寸的压缩天然气被认为是一种最合适的替代能源。天然气主要有三种途径可以获得：纯天然气凝析气井、石油伴生气井和煤层天然气井。从气井获得的原始天然气需要经过清洁工艺才能用作汽车燃料，车用天然气一般储存在厚壁的镀铝不锈钢瓶里或天然气加气站里。现在天然气的产地遍布全世界，而且因为天然气作为车用燃料时产生的颗粒物排放和噪声污染均低于汽油、柴油，被认为是比汽、柴油更好的清洁能源。本论文调查了使用天然气作为汽油、柴油的代用燃料的可行性，同时还介绍了汽车油改气的具体操作并比较了汽油汽车和天然气汽车单位时间内的效率和污染物排放。
许多研究机构的研究结果表明与传统的柴油发动机公共汽车相比，CNG公共汽车的排放物中NOx的含量减少了大约50%，SOx的含量减少了大约90%，颗粒物的含量减少了大约97%。现在美国的许多城市已经有了天然气公共汽车，有一些城市如洛杉矶、亚特兰大、锡拉库扎、伯明翰、普罗维斯登、沃斯堡、圣地亚哥甚至通过了一项法案，规定本市以后新投入使用的公共汽车只能是天然气动力的公共汽车。据统计北美洲制造的公共汽车有30%的是天然气动力公共汽车。
燃油汽车油改气的技术和工艺其实非常的简单，其基本原理就是输送到汽化器的不再是雾化的汽油、空气混合气而是CNG、空气混合气，而且油改气之后对于车主而言能够节省很多的燃料费用。油改气汽车上储存CNG的储气瓶或者放在汽车后备箱里，或者放在车厢下面。汽化器用来产生天然气、空气混合气，然后这些混合气被输送到近气总管里，最后用于燃烧。汽车发动机不需要进行任何改装，因为它的基本功能并没有改变，依旧是点燃混合气进行燃烧并将燃烧的产生的能量转换成曲轴旋转的动能。
汽油的价格从上世纪90年代开始就逐步上升，现在稳定在了116美元/桶并上下浮动（如图一所示）。汽油价格的变动深深地影响着世界各国的经济，同时也影响着不同国家的家庭的经济情况。2005年9月，马克.库伯做了一项名为“汽油价格的上涨对家庭燃油费支出的影响”的调查，得出了一些有趣的结论。图2表明了低收入家庭、中等收入家庭、高收入家庭的燃油费用分别占家庭总支出的比例，很明显我们可以看出汽油价格对低收入家庭的影响最大，对低收入家庭来说燃油费用是一个沉重的负担。
Fig. 1. Current Oil Prices [3]Fig. 2. Household Expenditure on Petroleum Products [4]
根据测试结果，CNG、汽油、柴油中CNG 的污染物排放最少。图3显示的是汽车分别使用CNG、汽油作燃料时的二氧化碳排放量，表明跟汽油相CNG是更加清洁的能源。随着全球变暖，二氧化碳、一氧化碳等温室气体的排放变成了一个严重的问题。美国国家能源局可再生能源工作室的W.S.韦恩和D.史密斯做的一项实验表明约翰迪尔公司生产的CNG公共汽车的排放物中NOx的含量为9.08g/m3,颗粒物的含量为0.004g/m3，CO2的含量是2.173g/m3，而柴油公共汽车的排放物中三种污染物的含量分别为17.9g/m3，0.047g/m3，3.159g/m3。这些数据清楚地表明了与其他燃料相比CNG燃料是环境友好型的能源。
Fig. 3. Emissions from a natural gas powered versus gasoline vehicle [3]
1.柴油发动机汽车改装成CNG发动机汽车
天然气汽车（NGV）的工作原理与汽油汽车的工作原理相同，四冲程天然气汽车工作时，首先将天然气与空气的混合物引入气缸，然后由火花塞点火，接着高温高压的燃烧混合气推动活塞作往复运动。不过将汽油汽车改装成天然气汽车的确需要对发动机做一些小改动，因为天然气与汽油的着火温度、燃烧温度均有一些差别，如天然气的着火温度是842°F，汽油的着火温度是572°F。汽车油改气的具体操作可以在汽车改装车间或者更加方便的有汽车改装资格的汽车修理厂完成。装有氧化催化剂的天然气发动机称为稀薄燃烧天然气发动机，氧化催化剂能将天然气发动机的颗粒物排放降低到只有柴油发动机的10%。
将汽油汽车改装成天然气汽车最主要的变化是改变储存燃料的位置，与汽油汽车将燃料储存在车身内部的油箱不同，天然气汽车的压缩天然气储存在放在汽车尾部的天然气气瓶里，因为这样能够减少天然气气瓶占用的空间。不过最近出现了一些新的轻型天然气气瓶，比如集成储存气瓶。这些气瓶的外壳是由玻璃纤维和防震海绵制成的，能够有效减少汽车遇到撞击时气瓶受到的损伤。
天然气汽车启动时，天然气首先从储气瓶里流入天然气输送管道，然后进入发动机旁的一个调节器降低压力，接着经多点喷射系统进入发动机气缸。传感器会将天然气和空气调整到最适合的比例，保证火花塞点火后混合气能够快速燃烧。天然气发动机还需要装配耐高压锻铝活塞、高强度镍钨合金排气阀座和催化转化器。
在天然气汽车上，通常会在车辆后部安装半拖曳悬吊系统来取代汽油汽车上的横向悬吊系统，如此可以占用更少的底盘空间，还能让汽车运行的更加流畅，使行程更加舒适。而且因为天然气汽车采用了安全性轮胎如固特异轮胎，所以无须在车上配备备胎和千斤顶，如此又节省了很多空间。
给天然气汽车加气也跟给汽油汽车加油有所不同，天然气汽车的加气口通常在汽车的前面。采用快速加气泵来给天然气汽车加气的话加满气需要的时间跟给汽、柴油汽车加满油的时间相当，天然气汽车车主也可以选择慢速加气，慢速加气模式下给天然气汽车加满气需要5-8小时。本田公司的加气站采用的就是慢速加气模式，这种加气模式需要车主在晚上把汽车放到加气站进行加气。
2.1韩国的天然气公共汽车项目
在世界范围内首先在交通运输领域使用清洁能源的一个主要项目是韩国的CNG公共汽车项目。20世纪90年代开始韩国的空气污染程度就是严重污染级别，韩国的汽车排放物污染控制部门的一项研究结果表明，首尔超过85%的空气污染物来自于卡车、公共汽车等重型汽车的排放。而将韩国的柴油公共汽车改装成CNG公共汽车也确实明显降低了韩国的空气污染物含量，研究表明与传统的柴油公共汽车相比CNG公共汽车的排放物中臭氧类污染物的含量降低了70%，二氧化碳的含量降低了15%。
韩国在20世纪90年代中期建成了国内第一条天然气运输管道，这也成为了其进行公共汽车油改气项目的基础。不过把国内所有的柴油公共汽车改装成CNG公共汽车也不是一个简单的任务，因为CNG 公共汽车的运营成本比柴油公共汽车更高，所以韩国政府必须出台优惠政策来激励公共汽车油改气项目的进行。其中行之有效的一个措施就是政府下调天然气价格，使得天然气的单价低于柴油的单价，这样虽然需要政府在公共汽车油改气项目初期投入大量资金，但是从长远来看是利国利民的。同时政府还需要投入大量资金建设天然气加气站来满足公共汽车加气的需求。政府采取的另一个激励政策是减免CNG公共汽车的增值税和购置税。
韩国能源局对于韩国公共汽车油改气项目的资源分配是这个项目能够进行的另一个基础，能源局划拨了大约2000万美元的专项资金。韩国能源局做的另一件意义重大的事情是提高了韩国民众抵制污染、保护环境的意识，这也是卡塔尔政府曾经做的事情，而且这项举措在两国都取得了显著的成效。卡塔尔有着世界上最大的天然气气井，叫做北部气井，这个天然气气井是韩国从卡塔尔进口的天然气的主要来源，在两国的天然气进出口贸易中起着举足轻重的作用。同时，这个气井也是卡塔尔大力推广天然气汽车，减少汽、柴油汽车数量的主要原因之一。
3.CNG混合动力汽车
CNG-电力混合动力汽车是天然气汽车发展的最新创新，既能够提高发动机的效率，又能够使用清洁能源驱动汽车。在CNG-天然气混合动力汽车中，汽车发动机和一个电动机相连，其工作原理是在汽车减速和刹车时，将汽车的动能转化成电能并储存在车载电池中。储存在电池中电能会在汽车上坡或发动机处于怠速工况时驱动车载电动机给汽车加速。与纯电动汽车不同，CNG-电力混合动力汽车不需要一直给车载电池充电，因为汽车在减速和刹车工况时就能给车载电池充电，这就是再生制动。CNG-混合动力汽车的发动机和电动机有两种连接方式：
- 并联连接
- 串联连接
3.1并联连接
在发动机和电动机并联连接型的CNG-电力混合动力公共汽车中，发动机和电动机各自独立地连接到传动装置上，当汽车处于变速工况时，电动机独立给汽车提供动力；当汽车处于高速工况时，由发动机独立提供动力；当汽车处于加速工况时，发动机和电动机共同为汽车提供动力。而且通过再生制动，汽车减速和刹车制动过程中损失的动能可以转化为电能储存在车载电池中以供再次利用。并联型CNG-电力混合动力汽车的结构如图4所示。
Fig. 4. Parallel Hybrid Electric Configuration [12]
3.2串联连接
串联型CNG-天然气混合动力公共汽车是由电动机独立驱动的，在串联型CNG-天然气混合动力公共汽车中内燃机（ICE）与一台发电机相连，发电机会将内燃机中产生的能量转化成电能，这些电能又会被输送到电动机，最终由电动机来驱动车辆。发电机也会给车载电池板充电，车载电池板会在电动机工作时为其提供额外能量。因为内燃机没有与汽车传动系统直接相连，所以它可以以恒定工况工作，内燃机甚至可以短时间关闭，在此期间公共汽车只由电力独立驱动。串联型CNG-电力混合动力公共汽车的结构如图5所示。两种不同连接方式的CNG-电力混合动力公共汽车相比较，并联型混合动力汽车在恒速工况下的效率更高，串联型混合动力公共汽车在变速工况下性能更优。
Fig. 5. Series Hybrid Electric Configuration [12]
3.3圣地亚哥的CNG-电力混合动力公共汽车
2008年4月10日，圣地亚哥的城市交通系统采用了第一辆CNG-电力混合动力公共汽车，这种公共汽车与之前的纯CNG公共汽车相比，其效率更高，且污染物排放更低，噪声污染也更弱。虽然这辆混合动力公共汽车是一个价格昂贵的试验品，耗资超过100万美元，但它在如何在保持公共汽车的性能的基础上改善其造成的空气污染问题上给了人们一个启示。圣地亚哥的CNG-电力混合动力公共汽车的驱动系统由一个康明斯ISB发动机、一个西门子165kw发动机、两个西门子双向换流器、两个西门子85kw电动机和一个NIMH电池组成。目前圣地亚哥的城市交通系统有476辆公共汽车，其中75%是CNG公共汽车或CNG-电力混合动力公共汽车，而且圣地亚哥计划在六年内把所有的公共汽车都换成CNG-电力混合动力公共汽车。
4.CNG汽车的优缺点
天然气汽车有一些优点，例如天然气的热值很高，为5000kl/kg，仅次于氢气的热值；天然气汽车比柴油汽车更安全，因为天然气储存在瓶壁很厚的气瓶里，几乎没有泄露的可能；天然气的的价格比汽油、柴油低很多；天然气的储量丰富且目前处于开发利用的起始阶段。在美国，有超过1300家天然气加气站和一家发展良好的天然气管道基建公司，可以解决美国各个城市的汽车用气问题
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