第二章天然氣汽車(NGV)第一節概述一、天然氣汽車開展概略誕生：20世紀30年代，意大利(貧油富氣)推出天然氣汽車70~80年代：〔較快開展〕79年，新西蘭的NGV獲得較快開展82年，加拿大開場開展NGV84年，福特推出單燃料NGV86年，我國四川建成第一個加氣站90年代后：〔快速開展〕94年，歐洲成立天然氣汽車協會〔ENGVA〕2000年，我國實施清潔能源行動方案目前，世界NGV已超越100萬輛，天然氣加氣站超越3000座。1997年世界天然氣汽車和加氣站統計二、我國天然氣汽車開展現狀截至2004年底，我國燃氣汽車保有量為21.5萬量，19個重點推行運用城市〔地域〕，加氣站數量達712座。我國燃氣汽車歷年數據統計〔單位：萬輛〕我國燃氣加氣站歷年數據統計〔單位：座〕19個清潔汽車重點推行運用城市〔地域〕：北京市、上海市、天津市、重慶市、四川省、海南省、西安市、烏魯木齊市、長春市、哈爾濱市、廣州市、濟南市、青島市、銀川市、廊坊市、濮陽市、沈陽市、蘭州市和丹東市。三、天然氣的類型1、緊縮天然氣〔CNG〕儲存壓力高于大氣壓力的氣態天然氣。汽車上儲帶壓力約為20MPa—目前主要的儲帶方式2、常壓天然氣〔NNG〕攜帶量少，不平安—普通不采用3、液化天然氣〔LNG〕超低溫-161.5℃以下變為液態，體積減小1/625—正迅速開展的儲帶方法4、吸附天然氣〔ANG〕在3.5~6MPa下儲存在吸附劑〔活性炭〕中1g活性炭可吸附17g甲烷〔1m3活性炭可吸附170m3甲烷〕—正在開展四、天然氣汽車的類型1、按儲帶的壓力和形狀分緊縮天然氣汽車〔CNGV〕：普通以20MPa的壓力儲帶天然氣。任務時，經過降壓、計量、混合后進入氣缸—是目前NGV的主流常壓天然氣汽車〔NNGV〕：已淘汰液化天然氣汽車〔LNGV〕：任務時，經過升溫、汽化、計量和混合后進入氣缸吸附天然氣汽車〔ANGV〕：任務時，經降壓、計量和混合后進入氣缸2、按燃料的組成與運用分純天然氣汽車：運用單一天然氣燃料，點燃。緊縮比高NG-汽油兩用燃料汽車：交替運用這兩種燃料。由汽油機改造。NG-柴油雙燃料汽車：由柴油引燃，可降低微粒排放3、按天然氣供應方式分機械控制式天然氣汽車：機械控制天然氣機電控制天然氣汽車電控天然氣汽車4、按NG供應方式分真空進氣式天然氣汽車：以真空管真空引入天然氣放射式天然氣汽車：以一定壓力噴入氣缸或進氣管第二節車用天然氣的物化特性一、車用天然氣的成分車用天然氣的主要成分是甲烷CH4天然氣進入加氣站在緊縮前和后，要進展“三脫〞處置：脫水—使含水量小于16mg/m3，防膨脹而結冰脫烴—脫輕烴，使乙烷小于3%，防熄滅不正常脫硫—脫H2S，防腐蝕二、車用天然氣的物化特性1、天然氣的密度約0.78Kg/m3〔常溫常壓下〕，相對于空氣的60%2、熱值分子中含C和H原子數越多，熄滅后產生的能量越多天然氣的低熱值略高于汽柴油，但混合氣熱值低于汽柴油，純甲烷混合氣熱值比汽油低10%。3、沸點-161.5℃，低于此溫度變成液態，故難于液態儲存。4、顏色、味道和毒性無色、無味、無毒，為平安參與加臭劑5、混合氣著火界限5%~15%，對應過量空氣系數0.6~1.8，較寬，可采用稀薄熄滅技術6、自然溫度630~730℃，而汽油為220~471℃，故不易壓燃7、辛烷值普通MON為：115~130，抗暴性優于汽油，可采用高緊縮比的發動機。下表為天然氣、汽油、柴油物化特性比較：三、車用天然氣的特點1、清潔含S量少，完全熄滅后CO、HC的排量下降，微粒大幅度下降，NOx少〔天然氣火焰溫度低〕。2、運用特性好冷起動性能好，不含膠質，不產生積碳，發動機壽命長3、抗暴性好—辛烷值約為130，可增大緊縮比和BTDC4、具有姣好的平安性密度小，點燃溫度高〔不易構成可燃混合氣〕5、儲帶性差6、動力性下降氣態—充氣缺乏〔比液體燃料少10%〕—混合氣熱值下降—動力性下降四、車用天然氣的熄滅特性1、混合氣熱值下降天然氣混合氣熱值為2.76MJ/Kg；(NG熱值約為50MJ/Kg)汽油混合氣熱值為：2.8MJ/Kg；(汽油熱值約為44MJ/Kg)2、充量系數減小—進氣量減少1/103、發動機熱效率下降—火焰傳播速度慢，傳熱損失大4、熄滅前后摩爾數的變化CH4+2O2+8N2＝CO2+2H2O+8N2天然氣熄滅前、后摩爾數沒有變化對于汽油機，以庚烷為例：C7H16+11O2+44N2＝7CO2+8H2O+44N2其摩爾數由56添加到59故：天然氣使發動機輸出功率降低(與汽油機比約低15%)第三節CNGV的燃料供應系統及總體布置一、CNGV燃料供應系統作用：根據不同工況，調理空燃比，并提供適宜混合氣量組成：儲氣系統—充氣安裝、儲氣瓶、氣壓表、截止閥等供應系統—過濾器、減壓調理器、混合器、等燃料轉換系統〔兩用燃料〕—轉換開關、截止閥等構造：純天然氣供應系統天然氣/汽油兩用燃料供應系統

純天然氣供應系統天然氣/汽油兩用燃料供應系統一、CNGV燃料供應系統的總體布置要求：1、儲氣瓶—安裝在平安部位，行李箱、車架旁梁下等2、高壓管線—安裝結實、防走漏等3、減壓器—安裝位置振動小、遠離排氣管等熱源緊縮比提高到10:1，采用白金電線和鍍鎳火花塞。氣門采用優質耐磨資料，充氣時間為3~4min。天然氣/汽油兩用燃料第四節CNGV的燃料供應系統的類型第一代：機械控制混合氣供應系統第二代：電子控制混合氣供應系統第三代：電子控制天然氣放射系統一、機械控制混合氣供應系統特點：在化油器式發動機上添加一套天然氣供應系統原理：儲氣瓶內天然氣→減壓器→混合氣→進氣管混合器類型：文丘管式混合器—與化油器喉管類似IMPCO型混合器

二、電子控制混合器供應系統特點：電控系統，閉環控制；但怠速時天然氣流量較小。IMPCO公司的比例調理式〔膜片式〕混合器閉環控制系統CNG氣瓶→高壓減壓器→低壓截止閥→低壓減壓器→(7kPa)混合器→氣缸***ECU經過FCV電磁閥調理混合器濃度三、電子控制天然氣放射系統1、電控單點放射系統美國福特公司GFI—Ⅱ型CNG系統CNG氣瓶(20MPa)→減壓器(0.69MPa)→磁閥組(ECU控制→噴嘴→進氣總管沃爾沃THG103低排放CNG稀燃發動機A/F:正常工況為22:1~26:1；怠速為20:1CNG氣瓶(20MPa)→減壓器(1MPa)→電磁放射器→進氣總管2、電控多點放射系統荷蘭TNO研討所的TNO系統—多點延續放射CNG氣瓶→減壓器(0.195MPa)→電磁閥→天然氣分配器→噴嘴ECU控制步進電機使滑閥控制天然氣流通面積以控制天然氣流量。伺服電磁閥控制天然氣通往膜片下方的旁通氣道，經過膜片控制天然氣主通道的通斷。日本天然氣汽車—多點順序放射CNG氣瓶→電磁閥→兩級減壓器(0.255MPa)→電磁噴嘴(電控天然氣放射閥)吉林工業大學的天然氣發動機—缸內直噴放射閥開啟和封鎖時間：整個緊縮行程。放射閥：二通常開式—電磁線圈斷電時供氣，通電時停頓供氣。第五節CNGV燃料供應系統的主要部件主要部件：儲氣瓶、閥門、減壓器、混合器等1、儲氣瓶資料：合金鋼—30CrMo、35CrMo、40CrMo鋁合金復合資料—外：碳纖維或玻璃纖維，內：熱塑性資料任務壓力：16MPa或20MPa我國車用儲氣瓶多為鋼瓶，規范GB17258—1998構外型式：2、閥門主要包括：輸出閥、主閥、充氣閥、平安閥等輸出閥：裝在CNG儲氣瓶上主閥：裝在高壓管路中。三通接頭接壓力表銜接充氣閥：單向閥，提供氣源與儲氣瓶之間的銜接通道。3、減壓器作用：減壓〔20MPa→0.1~1.2MPa〕分類：按構造分集成式單體式按功能單級式多級式要求：①減壓至大氣壓左右，不受儲氣瓶壓力影響；②停機時，自動封鎖天然氣；③不走漏，有平安閥；④壓力可調；⑤能順應發動機工況變化；⑥設有加熱通道，防減壓霜凍。⑴集成式減壓器兩級減壓器第一級：20MPa→0.4MPa第二級：0.4MPa→0.1MPa構造與原理：混合器吸氣產生真空使閥門12翻開。天然氣→經球閥8→一級減壓室→經閥門12→二級減壓室→經量孔1→混合器。大負荷時，加濃閥13翻開，額外添加供氣。停機時，閥門12封鎖。三級減壓器天然氣→閥3→一級減壓室4(0.25MPa)→經通孔7→二級減壓室8→經通孔17→三級減壓室(0.178MPa)→混合器。減壓器內設置加溫水套。⑵分體式減壓器由高壓減壓器和低壓減壓器①高壓減壓器作用：高壓→中壓20MPA→0.5~1.2MPa天然氣→過濾器1→閥門12→減壓室B→出口→混合器〔或放射閥，或低壓減壓器〕。出氣量增大時，壓力腔B壓力下降，膜片8下移，使閥12開度增大。調理螺桿4用于調理輸出壓力。②低壓減壓器作用：中壓→低壓0.5~1.2MPa→0~0.02MPa高壓減壓器→過濾器1→一級閥門3→一級減壓腔A→二級閥門8→二級減壓腔→混合器〔或放射閥〕。出氣量增大時，膜片25上移，使二級閥門8開度增大。4、混合器及放射閥作用：天然氣與空氣混合，控制進氣量混合方式：進氣總管混合(混合器)、進氣歧管混合(放射閥)缸內混合〔放射閥〕混合器放射閥5、天然氣過濾器天然氣經進口→過濾器毛氈和金屬濾網→電磁閥→出口6、天然氣加熱器作用：防止減壓過程氣體膨脹吸熱而呵斥高凝點氣體凝結堵塞管道循環水與天然氣成逆向流動，換熱效果好第六節CNG發動機動力性分析一、CNG發動機的類型火花塞點燃：單燃料、雙燃料柴油引燃：二、CNG發動機動力性分析1、對CNG發動機動力性有利的要素①NG的辛烷值高〔120〕許用緊縮比可為10~12，實際熱效率可提高7%~12%②混合均勻，熄滅完全度高有利于熱效率的提高2、對CNG發動機動力性不利的要素①混合氣熱值低—比汽油低12%實際上，發動機的輸出功率與混合氣熱值成正比②充氣效率和空氣量小采用汽油機進氣系統使NG充氣效率下降1~6%NG占據容積大，使空氣量減少總進氣量下降10%，動力性下降10%③其它要素點火提早角、空燃比以下圖為CA6102汽油發動機以汽油和NG為燃料的外特性對比：3000r/min時，功率：汽油89.5KW，NG：65.3KW。扭矩：汽油285NM，NG207.8NM三、CNG發動機動力性提高措施1、優化點火提早角外特性上BTDC添加8~10度負荷特性上〔1800r/min)BTDC添加10~14度②優化混合器③降低進氣溫度④采用放射氣法⑤增壓⑥大負荷優化加濃第七節CNG加氣站組成：調壓站—將NG調至緊縮進氣壓力，并濾清、枯燥、計量和平安.NG緊縮機—經4級緊縮成25MPa充氣程序控制盤—向高、中、低氣瓶組充氣，或使氣瓶組按低、中、高順序向汽車氣瓶充氣CNG氣瓶組—高、中、低氣瓶三組售氣機—向汽車充氣。由流量計、計價器和順序加氣系統組成.調壓站←天然氣緊縮機←充氣順序程控盤CNG氣瓶組天然氣管道←25MPa←→25MPa售氣機↓→20MPaCNG汽車第八節液化天然氣汽車〔LNGV〕LNG的主要成分為液體甲烷，由含90%以上的甲烷的天然氣經脫水、脫烴、脫酸處置，并液化〔-161.5℃)而成。一、LNG的特性1、儲運性好—液化后的體積為NG的1/6252、更清潔—經“三脫〞凈化和液化，分別出重烴和雜質3、辛烷值高，熄滅完全4、液化工藝復