天然气的组分构成、物化特性及车用技术指标

天然气是各种替代燃料中最早被广泛使用的一种。天然气汽车自20世纪30年代起就开始在意大利使用，我国的天然气汽车工业发展始于20世纪80年代。目前天然气汽车已受到各国政府的普遍重视，21世纪将是天然气汽车大发展的时代。

1.天然气的资源及主要成分

天然气的主要成分是甲烷（CH4），其体积一般占天然气的80％～99％。另外，天然气中还含有乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等气体化合物和氢气、氮气、二氧化碳、硫化氢等气体元素，它们在天然气中的含量一般都比较低。天然气分气田气和油田气，由于气田和油田的地理位置和地质结构不同，所以，气田气和油田气的组分存在一定差异。表6-11所示为不同产地的天然气的组分构成。

表6-11　不同产地的天然气的组分构成（％，体积分数）

天然气的资源非常丰富，已探明的可采储量达1.4×1014 m3，待探明的储量潜力仍然很大，并且近年来的年产量增长速度大大高于石油和煤的增长速度。据国际权威机构预测，2010—2020年间天然气在能源结构中的比例，将达到35％～40％，其地位也将超过石油成为第一能源。

2.天然气的主要物化特性

天然气的主要物化特性，见表6-12。

表6-12　天然气的主要物化特性

注：①标准状态下的密度。

3.天然气的特点

与其他燃料相比，天然气具有如下比较突出的特点。

1）着火界限宽

天然气与空气的混合气具有很宽的着火界限。其过量空气系数的变化范围为0.6 1.8，可在大范围内改变混合比提供不同成分的混合气。所以，使用天然气可以实现稀薄燃烧，能有效降低发动机在部分负荷时的能量消耗与排放污染。

2）与空气的理论混合气热值低

虽然天然气的理论空燃比（质量比）和理论空燃比（体积比）都比汽油略高，但与空气的理论混合气热值却比汽油略低，只有3.39 MJ/m3，比汽油低10％左右，这就使得天然气发动机的功率要比燃用汽油的发动机功率低一些。

3）火焰传播速度慢

天然气燃烧的火焰传播速度为33.8 cm/s，比汽油的火焰传播速度稍慢。

4）点火能量高

天然气着火温度为537℃，比汽油着火温度高得多，并且天然气的火焰传播速度比汽油慢，所以，要想天然气能及时、迅速燃烧，必须有较高的点火能量。

5）抗爆性能好

天然气的研究法辛烷值为130，比汽油高得多，其抗爆性能非常好。在这种情况下，为充分发挥其抗爆能力，可适当提高发动机的压缩比，进而可提高发动机的热效率，增大汽车的动力性。对燃用天然气的专用发动机，比较合理的压缩比为12。

6）密度小

天然气的液相密度为424 kg/m3，汽油密度为740 kg/m3。天然气的密度低于汽油，使吸入发动机的新鲜空气质量减少，将导致发动机的输出功率降低。

7）排放污染小

天然气的燃烧温度低，会降低NOx的生成量；天然气常温常压下呈气态，与空气同相，所以形成的混合气均匀，燃烧完全，会减少CO、HC等的排放量；排放物中的HC成分多为甲烷，性质稳定，所以在大气中也不会形成光化学烟雾，避免造成进一步污染。

8）携带性较差

天然气常温常压下为气体，携带不方便。为此需对其进行液化，但需要较低的温度和较高的压力，其技术要求很高。

9）使用天然气可使发动机的磨损减小

天然气燃料使燃烧室积碳减少，且燃烧产物中不含液体燃料成分，对润滑油破坏小。(www.xing528.com)

4.天然气燃料在汽车上的使用

1）天然气的存在形式

作为车用燃料的替代品，天然气根据其存在形式分为压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）两种。

（1）压缩天然气（CNG）。

压缩天然气是将天然气经过脱水、脱硫净化处理后，经多级压缩至20 MPa左右存储在气瓶中，使用时经减压器减压后供给发动机燃烧即可。

（2）液化天然气（LNG）。

液化天然气是将天然气经过一定工艺，将其在-162℃左右变为液态，存储在高压气瓶中。与压缩天然气相比，液化天然气工作压力降低，储气瓶体积减小，续驶里程延长。但它对低温储存技术要求较高。

2）天然气汽车类型

根据天然气的储存形式，天然气汽车分为压缩天然气汽车和液化天然气汽车。

（1）压缩天然气汽车。

目前国内外发展较快的是压缩天然气汽车。为保证压缩天然气的质量能满足汽车的使用需求，我国测定了车用压缩天然气的技术指标，见表6-13。

表6-13　车用压缩天然气的技术指标

注：气体体积为在101.325 kPa，20℃状态下的体积。

压缩天然气汽车按燃料供给系统不同，又可分为专用压缩天然气汽车、压缩天然气与汽油两用燃料汽车、压缩天然气与柴油双燃料汽车。

专用压缩天然气汽车以CNG作为唯一燃料，其发动机的燃料供给系统专为CNG燃料设计，能充分发挥CNG燃料的特点。

压缩天然气与汽油两用燃料汽车是根据现成汽油车改装而成。其有两套燃料供给系统，一套为保留的原车供油系统，另一套为增加的CNG供给装置。发动机可以分别使用CNG和汽油作为燃料，两种燃料的转换利用选择开关实现。由于发动机结构未做改动，当使用天然气燃料时，往往不能充分发挥其优点，导致汽车功率下降。

压缩天然气与柴油双燃料汽车是根据现成柴油车改装而成。其燃料供给系统可根据发动机的运行工况按一定比例同时供给CNG和柴油两种燃料。其中，柴油只做引燃燃料，CNG是主要燃料。

（2）液化天然气汽车。

由于液化天然气对储存技术要求较高，使得储存容器的成本高，这从一定程度上限制了液化天然气汽车的发展。但由于液化天然气在储存能量密度、汽车续驶里程、储存容器压力等方面均优于压缩天然气，能解决压缩天然气汽车所存在的一些问题。所以，液化天然气作为天然气的使用方式之一，是今后的重点发展方向。

3）天然气汽车技术

所谓天然气汽车技术是指汽车用天然气在储存、加注，以及合理运用等方面的技术，主要包括以下几方面。

（1）加气站技术。

无论是压缩天然气还是液化天然气，它们向汽车内加注时，所需加气设备都比汽油、柴油等传统燃料的加注设备复杂一些，必须保证压缩天然气的压力和液化天然气的低温，这需要较高的技术水平。

（2）发动机技术。

天然气燃料的性质不同于汽、柴油，因此天然气发动机的结构也不同于汽油机和柴油机，应对其燃料混合、发动机燃烧室结构、点火系统等方面的独特之处进行研究与开发。

（3）气瓶技术。

由于汽车具有流动性，燃料必须时刻携带，携带天然气的气瓶如何保证储存压力和绝热能力，并尽量降低其制造成本，这需要较高的技术水平。