新能源汽车在公交车上的典型应用
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[摘 要] 随着经济社会的快速发展，汽车保有量与日俱增，使得石油资源短缺和环境污染问题日益突出，传统汽车的发展面临着严峻的挑战。世界各国汽车公司以及国内各大科研机构和高等院校纷纷致力于开发新能源汽车，天然气、液化石油气、醇类等新能源汽车获得了长足发展。但在众多新能源汽车中，CNG汽车由于其技术成熟、易普及程度高，以及陕西得天独厚的天然气储量，所以在西安公交车上应该得到广泛使用。
[关键词] 新能源汽车 石油资源 环境污染 CNG汽车
1.发展新能源汽车的必要性
随着经济社会的快速发展，汽车保有量与日俱增，而国际原油价格的不断飙升和石油资源的日益短缺，车用燃油供需矛盾显得尤为突出，传统汽车的发展受到前所未有的挑战。同时由于汽车保有量大幅增加，汽车污染物排放已成为城市空气污染的主要污染源，日益威胁着居民的身体健康；另外二氧化碳的排放量急剧增加所造成的温室效应，加速了全球变暖趋势。
在石油资源紧缺和大气环境污染的双重压力下，大力发展汽车新能源成为我国汽车工业可持续发展的必然选择。
2.新能源汽车的类型
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料，采用新型车载动力装置)，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括有：混合动力汽车，纯电动汽车、氢动力汽车以及生物乙醇汽车、燃气汽车等[1]。
2.1混合动力汽车
混合动力汽车（Hybrid Power Automobile）是指车上装有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前混合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。
混合动力汽车在发达国家日益成熟，有些已经进入实用阶段。但由于其构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。
2.2纯电动汽车
纯电动汽车是完全由可充电电池（如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池）提供动力源的汽车。纯电动汽车无内燃机汽车工作时产生的废气，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，几乎是“零污染”。研究表明，纯电动汽车能源效率已超过汽油车，特别适宜在城市运行。
虽然纯电动汽车已有100多年的悠久历史，但一直局限于某些特定范围内应用，市场较小。主要原因是由于其存在电池价格高、寿命短、外形尺寸和重量大、充电时间长等严重缺点。
2.3氢动力汽车
氢动力汽车是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染，零排放，储量丰富等优势。与传统汽车相比，氢动力汽车能量转化效率高达60-80%，为内燃机的2至3倍。但是，与不断上涨的汽油价格相比较，氢动力汽车如天价般的使用成本使得人们望而却步。据相关资料表明：要想大规模获取液态氢，提取成本是以“亿美元”为计算单位的。
2.4生物乙醇汽车
在汽车上使用乙醇，可以提高燃料的辛烷值，增加氧含量，使汽车缸内燃烧更完全，降低有害尾气的排放，同时也可进一步提升动力性。但是，世界乙醇汽油热引发的争议给我们的重要启示是，生物乙醇作为可再生能源，虽然从自身层面将可以替代石油，但实际上，不可能大规模替代。近年来世界粮食短缺已将生物乙醇推向了风口浪尖，特别是在我国这个人口大国，粮食安全是重中之重。因此，就我国国情而言，目前不适合发展生物乙醇汽车。
2.5燃气汽车
燃气汽车是指用压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)和液化天然气(LNG)作为燃料的汽车。燃气汽车的CO排放量比汽油车减少97%以上，HC排放减少70%以上，NOx排放减少39%以上，是目前较为实用的低排放汽车。由于其排放性能好，运行成本低、技术成熟、安全可靠，所以被世界各国公认为当前最理想的新能源汽车[2]。
综上所述，混合动力汽车, 纯电动汽车、燃气汽车等新能源汽车在缓解石油紧张和节能减排方面得到应用。但从技术成熟度、经济性、易普及程度、资源等方面因素看，燃气汽车优于其他新能源汽车。同时结合陕西得天独厚的天然气资源储量以及管网普及面广的特点，CNG汽车在西安公交车上应该得到更广泛地推广。
CNG汽车是指以压缩天然气替代常规汽油作为燃料的汽车。CNG的主要成分主要由甲烷。天然气在20Mpa左右的压力下储存在高压钢瓶内，当汽车发动机工作时，钢瓶内的高压气再经过减压调压器，减压稳压后经顺序喷射阀向发动机各缸供气。
3.1 CNG汽车的结构简介
CNG汽车采用汽油车改装，在保留原车供油系统的情况下，增加一套燃气系统，改装部分由以下三个系统组成：
(1)天然气系统：主要由高压钢瓶、手动截止阀、充气阀、压力表、CNG高压管和低压管、压力传感器及气量显示器等组成。
(2)天然气供给系统：主要由高压电磁阀、减压调节器、燃气过滤器、多点顺序喷射阀、燃气ECU、CNG喷嘴等组成。
(3)油气转换系统：主要由三位油气转换开关，点火时间转换器，汽油电磁阀等组成。
3.2 CNG汽车的工作原理
高压CNG气体由充气阀经手动截止阀进入储气瓶，再由储气瓶经手动截止阀、高压管、压力表及CNG高压电磁阀进入减压调节器，经减压调节器减压后，CNG气体经燃气过滤器、多点顺序喷射阀、CNG喷嘴进入发动机。多点顺序喷射阀在燃气ECU的作用下，根据发动机各传感器数据及发动机真空变化情况，为发动机提供理想的CNG燃料，从而使发动机达到最佳工作状态。
3.2 CNG汽车的优点
CNG汽车拥有其他汽车无法替代的优势，主要表现在以下6个方面：
(1) 燃料价格便宜。目前在全球范围内的油气差价是发展燃气汽车的效益基础。以陕西目前油气价格计算，93号汽油价格为7.17元/L左右，天然气价格约3.55元/m3，而1m3天然气动力值相当于1.1―1.3L汽油。若1辆公交车每天汽油费为300元，燃用压缩天然气只需花130元左右。
(2) 排气污染小。CNG汽车可以综合降低废气污染物排放量，其中HC可降低70%，CO可降低97%，NOx可降低39%，微粒物可降低42%，铅化物可降低100%，硫化物可降低90%以上，非甲烷烃类可降低50%左右。
(3) 无积碳，维修费用少。发动机使用天然气作燃料，运行平稳，噪声低，无积碳，能延长发动机使用寿命，不需经常更换机油和火花塞，可节约50%以上的维修费用。
(4) 安全可靠。天然气燃点高达650℃以上，不易点燃；辛烷值高，抗爆性能好，爆炸极限仅为5%～15%，与汽油相比更为安全。车用储气瓶都经火烧、爆炸、坠落、枪击等测试合格后使用。
(5) 车辆改装简单。在保留原车供油系统的情况下，只需增加1套专用压缩天然气装置。目前，改装1辆公交车约需8000元。
(6) 车辆操作简单，运行平稳。CNG汽车驾驶没有更高的要求，只须在驾驶前经过适当技术培训，了解一些要点和安全知识即可[3]。
3.3 CNG汽车在公交车上的典型应用
近些年，城市公交车改用天然气发展迅猛。2002年，天津市客车装配厂自行设计开发了首台纯国产CNG单燃料环保型城市公交车，于2003年3月正式投入批量生产。由于底盘和发动机等核心部件全部由国内厂商提供，从而大大降低了制造成本，天津生产CNG客车比进口部件组装的公交车便宜了近1/2，在使用、保养和维修方面，价格优势明显。随后，天津市成功实施了天然气公交车示范工程，以建“绿色开发区”为目标，以泰达公交公司为主体，组建了第一支CNG公交示范车队[4]。
自1998年以来，北京就开始启用低排放的CNG公交车，以逐步淘汰柴油发动机公交车。2008年奥运会期间，北京有8000辆CNG汽车在运营，推广了“绿色奥运”主题，并为其他城市公交提供了一个很有吸引力的替代方向。
西安市公交总公司从1996年下半年起就积极开展了天然气在城市客车上应用的研究工作，于1998年9月完成了西安市首批50辆天然气公交车的改装，并于1999年5月成立了西安市公交总公司天然气汽车改装中心，现已改装各类公交客车逾600辆。这些改装车辆在公交线路上运行时，各项使用性能良好，尾气污染物排放量大大减少，受到司乘人员和广大乘客的欢迎，并得到相关行业和专家的高度评价[5]。
由于陕西天然气资源丰富，CNG汽车在西安公交中的初步应用很成功，所以，进一步推广具备广泛的前景。而且在近几年的试用中，对于缓解石油资源紧张和节能减排，保证西安“蓝天工程”起到举足轻重的作用。
4. CNG汽车在公交车上的应用前景
CNG汽车具有很多优势，如污染少，资源储藏丰富，燃料经济性好，发动机的使用寿命长，运行费用低，怠速及过渡工况运行稳定性好，运行安全等。西安不但具备天然气资源丰富以及管网普及面广，加气站配套设施完善，而且在天然气城市公交车以及加气站装备的产业化具有领先优势；更在规模发展CNG公交车方面已具备相对比较成熟的政策、技术、管理和基础，因此，可以进一步强化CNG 公交车发展计划，扩大CNG公交车应用的规模，成为我国开发与应用CNG汽车领先的城市。
参考文献：
[1] 杨山顺,唐孟江.天然气汽车现状和发展趋势简析[J].城市燃气2011（8）39-41
[2] 边耀璋.汽车新能源技术 [M].北京：人民交通出版社，2003
[3] 王海良. 我国新能源汽车的发展及探讨 [J].汽车工程师 2010（10）
[4] 马小平,任少博. 浅析天然气汽车的发展[J].农业装备与车辆工程2011 (1) 1-3
[5] 温军英.天然气汽车的发展与应用 [J].煤气与热力2005，25(5)：59～61.
作者简介：
姚鑫（1974-），男，助教，硕士，研究方向汽车新能源及清洁汽车技术。