天然气及车用天然气的技术要求

1、天然气物化特性

天然气（Nature Gas,简称NG）是由多种烃类物质和少量的其它成分组成的混合气体，广泛存在于世界各地，是世界上储量最丰富的能源之一。天然气中最主要的成分是甲烷（Methane，化学分子式是CH₄ ），天然气分为气田气和油田伴生气，随着产地的不同，甲烷成份所占体积分数在85%-97%之间变化。表1中列出了部分地区天然气的典型成分。从表1-1中可以看出，各地的天然气成分是不一样的，不同的天然气成分决定了各地天然气在物化性能上存在着一定差异。

表1-1各地天然气典型组分            （单位：体积分数%）

    以车用压缩天然气的主要质量指标—热值为例：燃料的热值是指单位燃料在量热计中燃烧后测得的热量。由于燃料燃烧产物中的H₂O在冷凝过程中放出的潜热，包括在量热计所测的数值中，所以测出的数值称为高位热值（对应于从高热值减去这部分潜热后的有效能量称为低热值）。天然气燃料是各种轻烃的混合物，各种烃的热值均可在有关资料中查得，引入气体燃料热值计算公式（1-1）就可计算出天然气的热值。由于各地气体燃料的成分有一定的变化，利用式（1-1）计算出的热值也就有一定差异，如表1-1所示。而在其他资料中，如表1-2中列出的天然气热值一般是纯甲烷天然气的数据。事实上，并非所有开采出的天然气的热值都满足车用压缩天然气的技术要求，可供汽车作燃料使用。

表1-2是气体燃料和燃油的物化特性。由于甲烷在所有的碳氢化合物中具有最大的氢/碳比（其碳氢质量分数分别为75%碳和25%氢，而汽油中的相应值为86%碳和14%氢），因此甲烷燃烧后产生的二氧化碳要低于使用汽油或甲醇的发动机所产生的二氧化碳量。甲烷的分子结构极其稳定，能有效地防止发生爆燃现象，这就使得天然气成为一种非常适宜的汽车燃料，它可以产生比传统汽油发动机更高的热效率（发动机曲轴

输出的有用功和所用燃料燃烧所产生的热量之比）。这两个因素即氢/碳比和热效率综合起来就可以使采用天然气作为燃料的发动机所产生的二

氧化碳量比汽油发动机少25%；甲烷分子结构极其稳定，这意味着具有很高的抗氧化稳定性，从而可以有效地阻止烷基的裂解以及由此带来的后果。

表1-2气体燃料和燃油的物化特性

天然气作为内燃机燃料有以下特点：

1.1密度

通常状态下，甲烷是一种非常轻的气态物质。常温、常压下，甲烷的密度只相当于空气的55%（甲烷密度/空气密度=0.55）。天然气密度约相当于空气的60%（天然气密度/空气密度≈0.6）。常温、常压下，甲烷密度：0.71Kg/m³；天然气密度约为0.78 Kg/m³（随着各地区天然气组成成分的不同，密度有所差别）。由于天然气的密度远远小于空气，当天然气从输送管道或储存容器中泄漏到空气中时，天然气将向上移动，迅速扩散到空气中。由于这一特点，天然气的安全性优于汽油等大多数燃料。

1.2热值

甲烷是最简单的碳氢化合物，一个甲烷分子中含有一个碳原子和4个氢原子。在碳氢化合物中，分子中含有的碳和氢原子数越多，燃烧后产生的能量越多。同为气体状态，在相同的环境条件下，相同的体积中含有的分子数是相同的，因此分子中含碳和氢原子数越多的物质，燃烧产生的能量越多。因此每千克天然气的热植略高于汽油，但每立方米理论天然气混合气热值要比汽油混合气低；甲烷含量愈高，相差越大，纯甲烷理论混合气热值比汽油低10%左右。

1.3状态、沸点

在常温、常压下，天然气是一种气态物质，当温度达到-162ºC和低于此温度时，天然气将转变成液态，以液态形式存在。此温度为天然气的沸点（-162 ºC）。由于沸点非常低，天然气是非常难于液化的，储存液态天然气也是非常困难的。因此一般以气体状态储存和运输天然气。

1.4颜色、味道和毒性

在原始状态时，天然气是没有颜色、味道和毒性的物质。基于安全的原因，在生产过程中，在天然气中加入了具有独特臭味的加臭剂。在使用和运输过程中，当有天然气泄漏时，由于独特的臭味，可以很容易检测出泄漏。

1.5混合气点火界限宽

燃料和空气混合形成混合气，混合气的浓度在一定范围内，才能够被点燃、产生能量。混合气浓度过浓（燃料过多）或过稀（燃料过少）是难于被点燃的。可被点燃的混合气浓度范围的上、下限分别是燃料点火极限的上限和下限。天然气与空气混合后的工作混合气具有很宽的发火界限。天然气点火极限的上限为15%，下限为5%。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。通过采用稀薄燃烧技术，可进一步提高汽车的经济性和环保效益。

1.6自燃温度

自燃温度是指在温度下，燃料和空气接触将会被点燃并连续燃烧。对于一种燃料，自燃温度不是一个常数。汽油的自燃温度220∽471ºC；天然气的自燃温度为630～730ºC。自燃温度很高表明天然气的安全性是非常好的。

1.7起燃方式

天然气自燃温度比汽油更高，因而天然气不宜于压燃而适宜于用外火源点燃。同时由于其辛烷值远高于汽油，所以它又适宜于在较高的压缩比下点燃。因为它可在较高压缩比下点燃做功，因此天然气既可以用电火花点燃，也可用在柴油/天然气双燃料汽车上，用柴油压燃方式引燃。

1.8抗爆性和辛烷值

燃料的抗爆性是指燃料在发动机汽缸内被点燃、燃烧时，避免产生爆燃的能力，即抗自燃能力，是燃料的一个重要指标。燃料的抗爆性用辛烷值表示，燃料的辛烷值越大，表示抗爆性越好。汽油的辛烷值MON一般在81∽89之间；天然气的主要成分是甲烷，纯甲烷的马达法辛烷值MON约为140，大多数的天然气的MON在115∽130之间，如表1-1所示；同时可以看出，天然气产地不同，其MON值有一定差异。总之，与汽油相比，天然气具有较高的抗爆燃性能，因此，燃用天然气的单燃料发动机可采用较高的压缩比，从而可以改进, 和提高燃气汽车的动力性、经济性。

2、车用天然气技术要求

值得注意的是，从地下开采出的天然气不能直接用作汽车发动机燃料。表1-1列出了几个地区的天然气主要成分。从表1-1中可以看出，天然气由于含有烯烃、硫化氢、二氧化碳、水等杂质。通常情况下，在高压气瓶的底部总是积存有一定量的水，天然气中含的硫化氢过量时，会严重腐蚀高压气瓶和设备管线。天然气中含有一定量的重烃时，在对天然气进行压缩过程中，由于压力变化较大，就会导致烃露点升高，使这些重烃在天然气中凝结成液体。由于这些液体不能被及时汽化，在储气瓶中越积越多，会降低储气瓶的有效体积。为此，应脱去天然气中在高压下易液化的重烃，使乙烷及重烷含量<3%，以防止发动机点火燃烧不正常。

此外，天然气中含有水分，对天然气的燃烧尤其是用作车用燃料十分有害。如果车用压缩天然气含水量过高，就将存在三个方面的危害：

2.1生成水合物

造成管道、储气瓶嘴、充气嘴等的堵塞；天然气水合物是一种象冰一样的固体，它在管线、钢瓶表面沉积，不仅降低了有效容积，阻碍了天然气的流动，严重时会堵塞气嘴。

2.2加速天然气中酸性气体对金属设备的腐蚀

在天然气中，总是含有少量的酸性气体，如硫化氢、二氧化碳等，这些气体在水中会电离，电离质子的存在会腐蚀金属设备，严重时还会造成金属开裂。

2.3当环境温度≤0ºC时，会出现结冰

国内、外对车用压缩天然气的质量均有相应标准和技术要求。表1-3是GB18047-2000«车用压缩天然气»技术要求，对车用压缩天然气发热量、含硫量、二氧化碳、含氧量、水露点温度等作了严格规定。

3、压缩天然气的沃泊指数及燃气类别

热值和互换性是天然气最重要的两项燃烧性质，也是国际标准《天然气质量指标》中明确规定的两项指标。因此在GB18047-2000《车用压缩天然气》中对国际上最常用的判别天然气互换性的沃泊指数计算公式，以及不同的车用压缩天然气类别对应的沃泊指数范围做了规定。GB18047-2000《车用压缩天然气》根据沃泊指数的范围，将车用压缩天然气分为10T、12T、和13T三类，见表1-4。

表1-3  车用天然气的技术要求

注：1、压缩天然气应有特殊气味，必要时加入适量硫醇、硫醚等含硫有机化合物配制的加臭剂，保证CNG的浓度在空气中达到爆炸下限的20%前能被察觉。

2、气体体积的标参比条件是101.325Kpa、20ºC。

表1-4  压缩天然气的燃气类别

对同一台调试好的天然气发动机，为保证在燃用的加气站充装的天然气时具有相近的工作特性（动力性、经济性、加速性），要求充装同一类别的压缩天然气。一般而言，同一气源供气的加气站的压缩天然气是同一类别的天然气。表1-1所列的几个地区的天然气，其沃泊指数基本上都在12T的范围内。