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中国工程院第三次院士大会学术报告汇编
1997年7月
清洁气体燃料----21世纪汽车的主导能源？
吉林工业大学 郭孔辉 教授 工程院院士 孙济美 教授 博士生导师
前 言世界石油资源短缺和生态环境保护是下世纪人类面临的主要问题。这必将对汽车的
传统石油燃料发起挑战。开发清洁燃料以及合理的资源利用将是人类的首要问题之一。
利用电能、风能、太阳能以及氢能等新的能量资源做为汽车动力未来将会成为可能，但
是，在当代较长的一段时间里，发动机燃用气体燃料（如天然气、液化石油气等）将是
最为现实和比较成熟的。由于天然气、液化石油气低排放的环保功效、低燃料费用和合
理的资源配置，近年来在国际上日益受到重视。发展气体燃料汽车将是我国汽车工业面
临新的挑战和机遇。一. 汽车石油燃料面临的挑战气体燃料主要是天然气，包括液化石
油气，是继煤和石油之后的第三大能源。随着城市交通的不断发展，汽车排放已成为当
今城市大气的主要污染源。70年代以来，人们逐渐认识到使用气体燃料（天然气、液化
石油气和沼气）具有低污染和清洁的特点，从而加速了天然气汽车的发展。特别是在交
通密集的城市，推广使用天然气汽车，不仅可节约石油资源，降低燃料费用，而且作为
一种"清洁燃料"，可大大降低城市污染。1、资源问题世界天然气工业在近20年中发展迅
速，天然气在世界一次能源结构中所占的份额从50年代的9.7%已上升至目前的23.8%。根
据世界石油、天然气勘探和开采量预测，21世纪中叶将是以天然气为主体的能源时代。
随着经济和社会的快速发展，我国已成为能源消费大国，由石油净出口国变为净进口国
。预测2000年国内石油缺口3000万吨以上，2010年石油缺口8000万吨以上[1]。同时我国
又是天然气资源比较发达的国家，据评价我国天然气总资源量是38万亿m3，最终可采资
源量大体为10.5万亿m3，而已探明储量是1.53万亿m3，探明程度是4.02%。预计2000年天
然气年产可达250～300亿m3，2010年供应量可达1000亿m3。国外天然气(当量原油)和石
油产量比为0.73:1左右，而我国目前仅为0.1:1左右。因此，我国天然气产储量有很大潜
力，这些气体燃料资源将为我国开发天然气汽车提供良好的资源条件。2、环保问题我国
国民经济发展带动了交通运输事业的飞速发展，特别是汽车进入家庭将成为不可阻碍的
潮流，但随之而来的环境污染日趣严重。在我国，城市大气污染物的60%来自汽车尾气的
排放，这必将成为制约经济持续发展的一个不可忽略因素。全世界大气质量最差的20个
大城市中，中国占了10个。因此，改变城市燃料结构，充分利用中国丰富天然气资源，
开发适合中国道路和交通环境的天然气汽车是一项十分紧迫而有意义的课题。在一些技
术先进国家，汽车使用天然气燃料，作为"绿色燃料"，已经使排放指标达到极低的水平
。美国的CUMMINS、俄罗斯的КАМАЗ和日本本田的CIVIC等天然气汽车已经开始广泛
应用，并朝着城市交通车辆（公交客车、城市轿车、城市运输卡车等）方向发展。日本
本田公司最近推出的Civic系列天然气汽车的CO、NOx、THC的排放量比1997年美国联邦政
府制定的标准低60倍，比当今世界最苛刻的加州标准低10倍，而且仍然保持良好汽车性
能。近些年来，世界各国非常重视天然气汽车和液化石油气汽车（CNGV和LPGV）的发展
，据统计已在43个国家中得到应用，总数超过500万辆。其中压缩天然气汽车（CNGV）保
有量达100多万辆，液化石油气汽车（LPGV）保有量达400多万辆。我国现有天然气汽车
共5700余辆。世界天然气汽车主要状况如表1所示[1]。表1. 世界天然气汽车主要状况（
1997年末）国家天然气汽车加气站（座）CNGV（辆）LPGV（万辆）CNGLPG阿根廷401000
531意大利290000105.02841900俄罗斯205000187美国6584927.211023300新西兰2500019
0加拿大1722014.01205000巴西1400039荷兰47.02000独联体45.01000澳大利亚33.02450
日本30.51921墨西哥30.01500韩国27.8502泰国1.992其它2880126.73193100总计104687
0401.1277222598其中，中国45940.132346223、关于生物再生气体燃料生物再生气体燃
料（主要包括生物沼气、生活垃圾处理气等）做为动力机械和专用车辆的燃料，是当今
世界极为关注的问题，也是环境保护的迫切要求。目前，世界许多国家都在开展这方面
的深入研究工作和应用技术攻关。如德国、瑞士、美国等都已开始利用生活垃圾处理和
生物处理产生的气体燃料作为电力、动力能源的尝试，并已有车辆应用的研究成果出现
。因此，生物再生气体燃料的车辆应用也将成为未来能源的发展趋势之一。城市垃圾处
理问题，在我国已经提到日程，如何变废为宝，既能发生沼气，成为动力机械和汽车的
再生能源，又能收到环保效益。它已成为解决我国众多城市垃圾处理的重要课题。二. 
清洁气体燃料的优势与应用问题1、发展天然气汽车优势所在汽车常规液体燃料主要是各
种牌号的汽油和柴油，它们均属石油炼制的多碳烷烃、环烷烃和芳香烃类的混合物，分
子量大，H/C值较小，导致燃烧不易完全，汽车排放的有害成分高，甚至含铅汽油造成更
严重的环境污染。CNG气体燃料是以甲烷为主，只含少量其它成分。由于其分子量小，H
/C值高达4左右，并有较高的辛烷值（130左右），因此燃烧性能好，利于充分燃烧，可
明显降低有害物的排放，同时汽车运行稳定，噪声降低。LPG气体燃料通常是由丙烷为主
要成分，以及丁烷等组成的混合物，尽管其分子量比CNG高，但比汽油和柴油低得多，而
且H/C值一般高于汽油和柴油，又有较高的辛烷值（100左右）和燃烧热值，因此燃烧性
能也比较好。不过汽车燃用的LPG，要求烯烃类含量极低，甚至应不含烯烃，否则易结胶
堵塞供气系统，污染燃烧系统，不利于正常燃烧。所以，CNG、LPG以及再生甲烷类气体
（生物沼气）均是较好的汽车燃料。据有关研究表明[3、4]，天然气与汽油比较，CO可
降低70%，NOX和非甲烷烃类可降低80%，CO2可降低30%，HC可降低70%；另外SO2减少90%
，噪音减少40%，完全可以消除铅、苯和芳香烃等严重危害物质。因此，CNG和LPG等气体
燃料不但具有良好的化学燃烧特性，而且具有良好的能源结构适应性和环境保护作用。
正如李鹏总理1996年以来多次指出，"压缩天然气汽车很有前途，发展天然气汽车更现实
，今后要加大开发代用燃料汽车的力度。天然气是一种高效、清洁的燃料。用天然气代
替汽油、柴油做汽车燃料，技术上比较成熟，以气代油逐步可以推广利用"。2、国内外
现状与应用问题近几年来，国外天然气汽车发展比较迅速，特别是不断采用先进技术，
使天然气汽车不论在动力性和经济性方面有显著的提高，而且在排放性能方面已经列入
"绿色汽车"的行列。其中美国已经实现NGDI天然气缸内直喷技术，如底特律柴油机公司
的DDEC天然气发动机、西南研究院研制成的HDDNGE重型天然气发动机等，在预混合供气
系统中也已采用电控技术。俄罗斯已成功研制出新型天然气预混合式天然气-柴油双燃料
供气装置，并在柴油机改装上应用，达到良好的工作性能，使柴油机的排放性能更加良
好。现已相继有美国CUMMINS、俄罗斯КАМАЗ和日本本田CIVIC等天然气汽车在广泛
应用。同时这些国家非常重视天然气汽车的基础研究工作，使诸如喷气技术、电控技术
、稀燃技术、增压技术、催化技术，以及汽车轻量减阻技术等不断地应用在天然气汽车
中。目前我国天然气汽车均在原汽油车或柴油车上改装而成，采用预混合式供气方式，
汽车匹配性能较差，并未充分发挥气体燃料燃烧特性和低污染效果。共同存在的不足是
佊跋炜掌�充量，动力性下降，功率损失较严重�??天然气汽车的CO、NOx、碳烟和微粒的
排放虽有不同程度的降低，但远远低于预测水平。而且总碳氢量(THC)高。?改装后的汽
车整车匹配性差，自重增加，行驶里程缩短，轴荷分配等发生一定程度的变化，需要完
善的改装设计。?我国天然气和液化石油气成份差异大，直接影响发动机的燃烧性能，以
及动力性、经济性和排放性能。天然气汽车只停留在发动机简单改造上是远远不够的。
其中尤以供气装置的匹配技术更为突出。试验研究表明，发动机改造必须重视供气系统
的匹配技术和发动机必要的结构优化技术，最大限度地解决发动机改造中存在的问题。
图1、2是X6130型柴油机改装成柴油-CNG压燃式双燃料发动机[5]，采用不同供气装置时
的全负荷速度特性的扭矩变化曲线和天然气替代(柴油)比率曲线。在满足相同的额定工
况后，天然气替代率和扭矩特性变化差异很大。匹配较好的供气系统，可实现或超过原
机低速全负荷区动力性，并保持较高的替代率；相反动力性将远远低于原机，替代率也
较差。 图1 外特性扭矩曲线 图2 外特性天然气替代柴油比率曲线表2是CA6102型汽油机
改装成CNG和LPG点燃式发动机的额定工况(n=3000rpm)试验结果[6]。CA6102型汽油机原
机机型为压缩比6.75，燃用70#汽油；原机改进型是为适应CNG和PLG的燃料应用，其中压
缩比增加为7.2和7.6，燃用90#汽油，并在7.6压缩比机型上采用改进进气道增大充气量
措施。显然，不同的供气系统配制，使天然气发动机的动力性有较大的差异；而且如果
实施压缩比、进气道和供气系统（CNG、LPG）的优化匹配技术，可使CNG和LPG发动机的
动力性得到明显改善。表2. CA6102型发动机燃用汽油和CNG不同压缩比试验燃料70#汽油
(原机机型)CNGLPG1#供气装置2#供气装置压缩比6.756.757.67.27.67.2标定功率(kW)n=
3000rpm97.173.67982.487.792.4功率损失(%)(比较原机机型)24.218.115.19.74.8表3是
175F点燃式单缸汽油机电控喷气的试验研究结果[7]。在常规汽油机的工作状态下，气体
燃料（CNG、LPG）的功率有所下降。但提高压缩比可以部分补偿功率损失，当压缩比提
高到8.0时，LPG采用进气阀处喷射，CNG采用缸内喷射可以基本恢复原机功率。表3 . 点
燃式发动机电控喷射气体燃料试验性能燃料汽油90#进气阀处喷射缸内喷射CNGLPGCNG压
缩比最大功率,kW (4000r/min)最大扭矩,N·m (2800r/min)当量燃料消耗率，g/kw·h6
.07.1219. 53856.05.815.82467.26.016.22408.06.216.72346. 05.9516. 3313.27. 26
.417.6289.78.06.918.7272.46.06.317.42418.06.918.5228最大功率下降(%)最大扭矩下
降(%)18.51915.7171314.416.416.410.19.73.14.111.510.83.15.13、天然气汽车面临的
主要关键技术从国内外天然气汽车的发展现状看，仍有许多工作要做，充分发挥清洁燃
料作用。其中一些基础性的关键技术问题在国际上也尚末很好解决。其一是车用气体燃
料燃烧技术问题，主要有佇枰�充分研究各种气体燃料燃烧机理和燃烧特性，特别是�"∪
忌蘸筒裼汀�天然气和柴油—液化石油气双燃料复合燃烧的燃烧规律�??解决动力性和充
气系数下降的问题；?解决天然气火焰传播速率慢和热效率低的问题；?降低排放，特别
是THC排放量高的问题。这类问题的解决，有待于对一些关键技术研究，如电控高压喷气
技术、供气增压技术、稀薄燃烧技术以及催化技术等。其二是气体燃料储存携带技术问
题，主要有佁岣咂�体燃料的储气效率，开发高效吸附储气技术�??降低储气装置体积和
重量，便于车辆携带；?开发经济适用的便携式小型气体燃料加压装置。这类问题的解决
，也有待于对一些关键技术的基础研究，如高效气体吸附技术、轻型防爆复合材料技术
以及轻便型气体加压装置技术等。其三是气体燃料汽车综合匹配技术问题，主要有伷��
迦剂戏⒍�机和汽车综合使用性能优化匹配�??保持原类车型的操作稳定性；?油－气两用
燃料汽车需具有良好的燃料转换能力，实现平稳操作；?能够达到或超过现有车型的动力
性、经济性，特别是排放性能等；…气体燃料汽车轻量减阻匹配技术。上述问题是包括
多学科的交叉性研究，只有协调工作，才能真正达到天然气汽车的科技进步，使天然气
汽车获得成熟性的发展。三. 法规与政府行为的作用 在推广和使用新的汽车代用燃料过
程中，国家政策的支持和建全相应标准及法规，充分发挥政府行为的作用，将是该项事
业的重要保证。中国发展清洁气体燃料汽车过程中，应该借鉴国外天然气汽车的发展经
验，根据我国的资源情况、汽车工业的发展状况和配套设施情况，统筹制定我国的天然
气汽车（包括其它气体燃料汽车）的发展规划和纲要，首先在有条件的城市和地区进行
示范性推广使用，以取得经验。并重视开展气体燃料汽车关键技术的基础研究和应用研
究。以关键技术应用基础研究为基础，以重点城市示范推广为先导，探索实现高起点和
高技术含量的现代天然气汽车技术产品开发与发展的途径。1、抓住发展清洁气体燃料汽
车的几个主要关键环节，促进科技进步1).明确发展清洁气体燃料汽车的技术路线一是充
分利用我国现有的资源，以发展压缩天然气（CNG）汽车为主，在有条件的地区发展液化
石油气（LPG）汽车，做好液化天然气（LNG）和生物沼气汽车的技术准备工作。二是以
引进和吸收国外成熟的先进技术装备为主，逐步走国产化的道路。但在基础技术方面，
我们应该加大研究开发力度，跟踪国际水平，缩短与国际先进水平的距离。天然气汽车
关键技术及其基础研究，近些年来国外也才有较大的进展，相对汽车汽油机和柴油机技
术水平看，我国天然气发动机技术的差距并不大，只要我们重视加大研究力度，21世纪
的我国天然气汽车达到国际水平是有可能的。2).确定气体燃料汽车的发展布局天然气、
液化石油气以及沼气汽车的发展，是一项渐进过程，应优先选择有充足和长期气源保障
的区域，并在城市公共交通、出租运营、城市环保运输及油田运输车辆等率先展开。3)
.做好技术装备和关键技术的准备在解决天然气汽车的配套和技术装备问题上，主要是C
NG和LPG加气站、汽车供气系统零部件、汽车改造技术、高压储气瓶技术等。目前，我国
气体燃料汽车的供气装置产品缺乏，产品单一，技术水平低，不能适应各种汽车多方面
要求，缺乏多种急需配套规格的产品。4).建立质量和安全保障体系，加强法规和技术标
准的制定CNG和LPG属于高压易燃气体，必须确保行车绝对安全。从加气站的建设到储气
瓶以及汽车应用技术等各个环节确保质量，安全第一，需要建立一套完整的技术标准和
规范。目前，国家有关部门，正在组织有关技术标准的制定工作，同时，准备筹建相应
的汽车技术检测中心，加强管理和领导。2、国家统筹规划，协调进展，促进清洁气体燃
料汽车工业的发展1).清洁气体燃料汽车要大规模发展应作为一项新兴产业纳入国家工业
发展规划。2).发展气体燃料汽车是一项社会行为，更是一项政府行为，应得到全社会的
支持。希望国家加强统一领导，尽快制定相关政策。目前我国天然气汽车发展势头很大
，地方和企业都极为重视。但共同存在的问题是技术落后，资金缺乏，甚至出现一些盲
目发展的趋势，根本无法实现清洁燃料的显著优越性。国家应该结合示范性区域发展情
况，制定中长期的发展规划，使天然气汽车在正确引导下发展。3、汽车工业和相关产业
面临新的机遇和挑战随着我国天然气田的不断开发，国内天然气管网的不断延伸，天然
气的应用区域越来越广，各地政府已经认识到清洁气体燃料汽车的重要性，CNG和LPG汽
车的技术开发势在必行。面对如此大的市场，它必将为我国工业发展提供新的增长点。
气体燃料汽车的发展，不仅为汽车工业自身带来发展，而且对相关产业，如生产加气站
、储气瓶、供气装置等的机械工业以及化工工业和电子工业等，都会带来规模生产，对
我国的工业总体发展和解决再就业具有极为重要的意义。四．结论和建议清洁燃料将是
下一世纪的主导燃料，不断变化的能量资源结构和生态环境保护将引导未来汽车工业的
发展趋势。汽车多种燃料并存和新的能源开发是对汽车工业新的挑战和机遇。天然气资
源（包括CNG、LPG）和生物沼气能够成为未来一段时间内替代石油燃料的首选能源，但
必须做深入细致的关键技术及其应用开发的研究工作，使该项事业真正造福人类。参考
文献1 中国石油天然气总公司，天然气汽车发展工作认识和建议．中国石油天然气总公
司报告资料，1998.12 史建生等，天然气汽车燃料及其质量指标．天然气汽车信息，№
2，19953 王伟，替代燃料是解决汽车排放污染的根本方法．天然气汽车信息，№4，19
944 程宗明，天然气汽车是安全可靠的交通运输工具．天然气汽车信息，№4，19955孙
济美等，X6130车用柴油机(柴油-天然气)双燃料工作性能研究．天然气汽车信息，№3，
19976 吉林工业大学内燃机研究所，CA6102发动机燃用CNG和PLG性能试验研究报告，19
98.17孙济美等，压缩天然气和液化石油气发动机电控喷气技术和燃烧特性研究．世界汽
车，№12，1997（注：吉林工业大学汽车工程学院高青副教授参加撰写本文）

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