天然气能源在城市公交车上的可持续应用——优势与局限性外文翻译资料

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天然气能源在城市公交车上的可持续应用——优势与局限性

萨沙·米洛耶维奇

克拉库耶伐次大学,工程科学系,克拉库耶伐次,塞尔维亚

摘要：人类活动, 特别是运输活动, 是导致温室效应和有关人类发展问题的部分原因, 从而使全球变暖。运输业的二氧化碳排放量大约占据了总排放量的25% , 消耗了全球近50% 的石油产量。天然气作为发动机燃料有许多优点: 更低的成本, 更低的排放（因为更完全的燃烧）, 更低的噪音和更长的发动机寿命。欧盟的目标是到 2020年, 替代能源占总消费量的20%。根据全球战略，这些问题正通过一系列的倡议和创新解决, 包括在城市交通中使用天然气巴士。如果我们考虑到城市交通的现状,战略性提议是首先将柴油巴士改装为专用天然气车辆。本论文根据作者的经验，分析总结了一些在城市交通中引入压缩天然气客车的优势。

关键词：压缩天然气（CNG）客车，天然气，排放，交通运输.

引论

在过去的50年里, 交通系统其特点是私家车使用率的大幅增加，以及为了适应这种情况平行开发的道路基础设施和停车位。这种分散式的发展基于私家车的高使用率，以下是关于这种发展所造成的一些不利影响：

• • 堵车，以及因此损失的交通出行时间和竞争力；
  • 更高的公共交通成本；
  • 失去了宝贵的绿色土地；
  • 更高的运输能源消耗；
  • 环境污染和因此导致的健康问题；
  • 引起气候变化；
  • 降低城市生活质量；
  • 由于缺乏锻炼导致的身体健康问题；
  • 对没有能力购买市中心住房和私家车人群的社会排斥。

2010年4月, 欧洲共同体 (EC)发布了一则关于欧洲清洁节能车辆和燃料战略的信息。欧共体提出了若干政策措施, 以支持创造一个清洁和节能的运输体系，这将有助于实现欧洲2020年减少二氧化碳 (CO2) 排放量的目标，并增加替代燃料的份额以及运输业中的可再生能源。

一般来说, 运输业占据了约32% 欧盟国家的最终能源使用量，21% 的二氧化碳排放量。公共城市和郊区有公共汽车的运输系统仅仅导致了在很低的程度上对当地环境的污染。例如, 它们的能源消耗，每个行驶乘客公里只有小轿车的三分之一, 特别是这类车辆的数量极低。因此,对二氧化碳排放总量的影响,只有5% 是由公共汽车和长途汽车产生的。因此, 巴士运输原则上并不是以与二氧化碳作斗争为基本目标 。但由于他们活动的公共性质, 通常与公共机构或政府主管机构有密切关系, 甚至是由它们监管或提供资金，因此公交车运营商在环境方面负有广泛的责任问题。这意味着运营商和有关部门必须加强他们的承诺。

从长远来看, 新的先进形式动力系统 (混合动力驱动、燃料电池等)将被广泛接受, 因为它们的低毒性排气, 特别是因为低噪音排放水平。但是, 虽然这些先进的动力系统在车辆中没有达到真实成本和技术水平，动力总成和燃料的选择将是一个战略困境，但最终目标还是要满足日益严格的环境法规并降低油耗。

第二个选择是使用各种现有可供车辆使用的替代燃料。欧共体计划规定了到2020年，20% 的汽油和柴油等传统燃料已转变为替代燃料。共同体旨在大幅减少欧洲对进口石油的依赖性，并在2050年比1990年减少60%的碳排放。 甲烷 (天然气或沼气)作为一个替代方案被提及, 可以在帮助实现2050年关键目标中发挥重要作用。甲烷将作出重要贡献以实现主要目标, 实现城市里不再有传统燃料的汽车，从而改善当地空气质量和减少噪音污染。它必须通过开发适用的燃料加装基础设施得到完善。关于全球战略, 大型城市巴士,出租车和送货车特别合适首先推行替代动力系统和燃料。

压缩天然气 (CNG) 和液化天然气 (LNG), 两者都是替代燃料,有许多优点: 成本更低, 燃烧更完全,排放更低,噪音更低，发动机寿命更长。CNG 技术已经开发了几十年，现在可以用于商用车。天然气与相同数量的柴油相比二氧化碳排放量降低约25%, 由于碳含量较低 (H∙Cminus;1 =4), 因此, 这大大有助于减少全球变暖。例如，这使得巴士车身制造商去制造符合具有挑战性和义务性排放标准的天然气客车, 无需使用广泛采用的过滤技术，因为它们是遴选的催化还原系统，使用尿素或昂贵的添加剂。

天然气动力汽车的推行，基本上都是需要由非常高的投资成本支持，以建设所需的加注基础设施 (CNG 压缩机站或液化天然气泵)。欧盟成员国已决定转而把战略重点放在不同国家的不同的车辆类型结构水平。例如,一些国家, 如法国或西班牙目前主要将CNG用于城市重型车辆(城市公共汽车和卡车) , 但在他们的道路上很少有以CNG为燃料的轻型车辆。

根据以前的情况, 天然气燃料车辆占据了越来越多的份额，因而现如今的事实是, 今天的世界拥有约 2, 250万辆天然气汽车(NGVs)(在欧洲 176万)。在塞尔维亚共和国, 存在超过 880辆上路NGVs(90重型车辆, 其中约 60 CNG 动力巴士和800辆汽车及轻型车辆)。在塞尔维亚共和国,由于引入了CNG燃料加装基础设施，CNG 汽车的数量呈上升趋势，特别是公共和私人车辆,。

塞尔维亚共和国已启动了一批在地方一级的项目, 以促进天然气动力公交车在客运方面的环保优势。CNG 用于乘客的运输。第一个例子就是将克拉古耶瓦茨市的柴油公交车气化, 这是用于为进一步发展引证, 以便用 CNG公交车取代整个柴油车队。

城市公交车CNG动力系统

1990年代末，塞尔维亚共和国境内试图生产 CNG 驱动城市公共汽车, 他们使用的是符合旧有技术的钢制气瓶和天然气发动机。通过吸取领先客车制造商的经验, 国内厂商的设计师, 已经成功地实现了CNG动力低地板城市公交车原型车的生产。原型车与满足欧IV排放标准的天然气发动机一起被生产，同时也与满足 (EEV ) 规范的发动机一道投入量产。

CNG发动机燃烧过程的主要优势

在道路运输中，使用天然气替代传统燃料 (汽油和柴油) 可以通过向市场推出配备了CNG发动机的新车, 或作为第一步, 通过将现有的引擎车辆转换为 CNG引擎。引入天然气作为一种道路运输燃料，将传统车辆改为CNG, 有以下可行的方案：

1. 将汽油发动机（奥托循环）改装为天然气燃烧发动机（转换为专用单一燃料发动机）；
2. 将汽油发动机改装为既可用天然气，又可用汽油燃烧（双燃料）的发动机；
3. 将柴油发动机改装为天然气燃烧（点燃式）专用发动机；
4. 将柴油发动机改装为双用燃料燃烧（天然气和柴油）发动机。

对于现有柴油公交车而言，只有后两种方案可以应用，见表1

Table 1天然气发动机燃烧构想—（对柴油机的改装）

例如, 在发动机改造方面, 它被用于点燃式天然气发动机设计, 以满足2010年美国环境保护署 (EPA) 和加州空气资源委员会 (CARB) 排放标准, 图1。该发动机的工作原理是基于理想燃烧，运用冷却废气再循环 (CEGR) 技术以使用三向催化剂进行后处理,利用 EGR 技术提供高性能。有了这个引擎和燃烧理念, 它取代了第一台原型客车上运用的稀燃技术。冷却后的EGR 系统需要测量排气量, 并通过一个冷却器降低温度, 然后将其与燃料和新鲜空气混合送入汽缸。冷却 EGR技术与精确配比燃烧技术相结合 (理论或理想的燃烧过程，燃料和氧气被完全消耗,没有未燃烧的燃料或排气中的游离氧),好处显而易见。

Figure 1废气排放标准和各发动机所在位置

冷却 EGR技术 (代替了使用过量空气的稀燃技术)的使用降低了燃烧温度，减少了敲缸趋势。使用精确配比理想燃烧技术和CAGR 技术的发动机与只运用精确配比燃烧技术的稀燃发动机，还提高了功率密度和燃油经济性。与以前使用的稀燃天然气发动机相比, 在这在这种情况下, 怠速时的扭矩提高了30% 以上,燃油经济性提高了5%。

如果我们从公共交通中使用巴士的角度来看, 这是非常重要的一点, 能够在 CNG 或 LNG 发动机上运用精确配比燃烧技术。使用这项技术的发动机还可以将高达100% 的生物甲烷或由沼气和填埋气制备的可再生天然气用作燃料，它们已被升级到管道天然气和车用燃料质量。

另一个优点是，柴油动力公交车改成CNG动力以后，在很大程度上导致了噪音的下降。这一点也在运输测试和有适当的和参考的标准的噪声测量中被证明了。

在克拉古耶瓦茨市中的城市公交系统中有50辆巴士, 每天平均行驶约250公里 (每年315个工作日)。通过应用 CNG 公交车代替现有的柴油发动机, 噪音和排放将实现一个相当大的削减。

CNG储备和供应系统

图2显示了从车顶气瓶到发动机的CNG供应系统，它被应用于CNG原型公交车上。CNG 装置内的所有部件是根据联合国欧洲经委会第110号条例设计通过。

Figure 2安装于公交车上的CNG管路设备

对客车油改气的改造首先是将CNG气瓶与原来的机架连接, 图2, 到巴士车顶。它是为 CNG 选择的存储系统, 其中包括(III 型) 由 (Al 6061) 衬垫组成的钢瓶，它们由被包覆于环氧树脂中的碳纤维(品牌 Dynecellreg;)加固，并达到最佳的重量体积比(0.3 至 0.4 kg∙lminus;1)。

根据对M3 和 N3车辆的要求 (能够承受纵向(6.6g)和横向(5g)减速度破坏的车顶结构）, 它计算并接受安装CNG钢瓶总成, 以完成辅助'U' 型剖面。考虑到增加了与机架的 CNG 气瓶的重量在公共汽车车顶上，新的重心位置被重新计算。

CNG公交车的安全准则

天然气用作车辆燃料，有以下几点相关性质是很重要的：

• 无毒，既不致癌，也不具有腐蚀性，而且稳定；
• 天然气不可见，但其必须是有气味的以保证其存在可以被检测到；
• 与汽油蒸汽不同的是, 天然气更轻(甲烷的密度为15.0C时，0.68kg·m-3), 以气态形式存在于大气中。在发生泄漏的情况下这个属性允许快速上升和分散在大气中, 而丙烷(1.87kg·m-3) 和丁烷 (2.44kg·m-3) 则比空气重，更靠近地面；
• 天然气的自燃温度约 (480 至 650.0°C), 而汽油约 (260 至 430.0°C) ，而柴油则低于 (260.0C)。CNG相对较高的自燃温度对于其用作燃料是一种额外的安全特性；
• 甲烷有一个非常可控且狭窄的的可燃范围。天然气在空气中可燃的体积比是(4.4% 至 15%)。换句话说, 当空气中的甲烷比小于 (4.4%)，混合气不会燃烧，因为它太稀薄了，大于 (15%)，混合气太浓了, 不会燃烧。而汽油的可燃范围在 (1.4% 至 7.6%) 之间和柴油则约 (0.6 至 7.5%)。

在维修设施中CNG 客车的主要安全问题是燃料泄漏的可能性和它们的后果。天然气泄漏可快可慢。快速泄漏通常涉及安全阀的释放或完全切断燃料管道。在安全阀释放的情况下,燃料缸中的所有气体都将被排放到大气中。其他主要燃料泄漏可以通过关闭适当的阀门进行控制。慢泄漏是由松散的管接头或线或软管的磨损引起的燃料泄漏。

这两种类型的泄漏都会导致易燃混合物在工作区域中形成。这些易燃混合物将会消散, 随着时间的推移会消散到安全的水平。工作场所的安全可以是通过减少燃料泄漏量来维持,使点火源远离那些易燃混合物可能的所到之处, 并适当通风, 以控制这些易燃混合物的走向和滞留。

如果燃料泄漏缓慢, 自然混合泄漏燃料与周围的空气将导致大多数此类混合物变得过于贫乏以致于不能支持燃烧。甲烷相对狭窄的可燃范围意味着甲烷气体混合物的稀释发生得很快, 也是唯一在释放部位附近的气体混合物。

甲烷比空气轻, 泄漏的燃料会倾向于从燃料泄漏部位上升。这与传统燃料形成了反差, 传统燃料会在地面上积聚形成水坑或蒸汽聚集区。在CNG客车的维修设施中, 车辆上方的点火源是人们最关心的问题。这些点火源可以包括产生火花或高表面温度的电子设备和明火加热器。通风系统的设计应消除车辆上方的燃料或促进车辆上方空间空气的混合。

我们必须坚持在公交车发动机舱和其他密闭空间内强制安装水雾消防装置。

CNG公交车的优势——以克拉库伐耶次市为例

CNG公交车的应用,

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