清洁燃料汽车—天然气汽车

第二章天然气汽车(NGV)第一节概述一、天然气汽车发展概况诞生：20世纪30年代，意大利(贫油富气)推出天然气汽车70~80年代：（较快发展）79年，新西兰的NGV获得较快发展82年，加拿大开始发展NGV84年，福特推出单燃料NGV86年，我国四川建成第一个加气站90年代后：（快速发展）94年，欧洲成立天然气汽车协会（ENGVA）2000年，我国实施清洁能源行动计划目前，世界NGV已超过100万辆，天然气加气站超过3000座。1997年世界天然气汽车和加气站统计二、我国天然气汽车发展现状截至2004年底，我国燃气汽车保有量为21.5万量，19个重点推广应用城市（地区），加气站数量达712座。我国燃气汽车历年数据统计（单位：万辆）我国燃气加气站历年数据统计（单位：座）19个清洁汽车重点推广应用城市（地区）：北京市、上海市、天津市、重庆市、四川省、海南省、西安市、乌鲁木齐市、长春市、哈尔滨市、广州市、济南市、青岛市、银川市、廊坊市、濮阳市、沈阳市、兰州市和丹东市。三、天然气的类型1、压缩天然气（CNG）储存压力高于大气压力的气态天然气。汽车上储带压力约为20MPa—目前主要的储带方式2、常压天然气（NNG）携带量少，不安全—一般不采用3、液化天然气（LNG）超低温-161.5℃以下变为液态，体积减小1/625—正迅速发展的储带方法4、吸附天然气（ANG）在3.5~6MPa下储存在吸附剂（活性炭）中1g活性炭可吸附17g甲烷（1m3活性炭可吸附170m3甲烷）—正在发展四、天然气汽车的类型1、按储带的压力和形态分压缩天然气汽车（CNGV）：一般以20MPa的压力储带天然气。工作时，经过降压、计量、混合后进入气缸—是目前NGV的主流常压天然气汽车（NNGV）：已淘汰液化天然气汽车（LNGV）：工作时，经过升温、汽化、计量和混合后进入气缸吸附天然气汽车（ANGV）：工作时，经降压、计量和混合后进入气缸2、按燃料的组成与应用分纯天然气汽车：使用单一天然气燃料，点燃。压缩比高NG-汽油两用燃料汽车：交替使用这两种燃料。由汽油机改造。NG-柴油双燃料汽车：由柴油引燃，可降低微粒排放3、按天然气供给方式分机械控制式天然气汽车：机械控制天然气机电控制天然气汽车电控天然气汽车4、按NG供给方式分真空进气式天然气汽车：以真空管真空引入天然气喷射式天然气汽车：以一定压力喷入气缸或进气管第二节车用天然气的物化特性一、车用天然气的成分车用天然气的主要成分是甲烷CH4天然气进入加气站在压缩前和后，要进行“三脱”处理：脱水—使含水量小于16mg/m3，防膨胀而结冰脱烃—脱轻烃，使乙烷小于3%，防燃烧不正常脱硫—脱H2S，防腐蚀二、车用天然气的物化特性1、天然气的密度约0.78Kg/m3（常温常压下），相对于空气的60%2、热值分子中含C和H原子数越多，燃烧后产生的能量越多天然气的低热值略高于汽柴油，但混合气热值低于汽柴油，纯甲烷混合气热值比汽油低10%。3、沸点-161.5℃，低于此温度变成液态，故难于液态储存。4、颜色、味道和毒性无色、无味、无毒，为安全加入加臭剂5、混合气着火界限5%~15%，对应过量空气系数0.6~1.8，较宽，可采用稀薄燃烧技术6、自然温度630~730℃，而汽油为220~471℃，故不易压燃7、辛烷值一般MON为：115~130，抗暴性优于汽油，可采用高压缩比的发动机。下表为天然气、汽油、柴油物化特性比较：三、车用天然气的特点1、清洁含S量少，完全燃烧后CO、HC的排量下降，微粒大幅度下降，NOx少（天然气火焰温度低）。2、使用特性好冷起动性能好，不含胶质，不产生积碳，发动机寿命长3、抗暴性好—辛烷值约为130，可增大压缩比和BTDC4、具有姣好的安全性密度小，点燃温度高（不易形成可燃混合气）5、储带性差6、动力性下降气态—充气不足（比液体燃料少10%）—混合气热值下降—动力性下降四、车用天然气的燃烧特性1、混合气热值下降天然气混合气热值为2.76MJ/Kg；(NG热值约为50MJ/Kg)汽油混合气热值为：2.8MJ/Kg；(汽油热值约为44MJ/Kg)2、充量系数减小—进气量减少1/103、发动机热效率下降—火焰传播速度慢，传热损失大4、燃烧前后摩尔数的变化CH4+2O2+8N2＝CO2+2H2O+8N2天然气燃烧前、后摩尔数没有变化对于汽油机，以庚烷为例：C7H16+11O2+44N2＝7CO2+8H2O+44N2其摩尔数由56增加到59故：天然气使发动机输出功率降低(与汽油机比约低15%)第三节CNGV的燃料供给系统及总体布置一、CNGV燃料供给系统作用：根据不同工况，调节空燃比，并提供合适混合气量组成：储气系统—充气装置、储气瓶、气压表、截止阀等供给系统—过滤器、减压调节器、混合器、等燃料转换系统（两用燃料）—转换开关、截止阀等结构：纯天然气供给系统天然气/汽油两用燃料供给系统纯天然气供给系统天然气/汽油两用燃料供给系统一、CNGV燃料供给系统的总体布置要求：1、储气瓶—安装在安全部位，行李箱、车架旁梁下等2、高压管线—安装牢固、防泄漏等3、减压器—安装位置振动小、远离排气管等热源压缩比提高到10:1，采用白金电线和镀镍火花塞。气门采用优质耐磨材料，充气时间为3~4min。天然气/汽油两用燃料第四节CNGV的燃料供给系统的类型第一代：机械控制混合气供给系统第二代：电子控制混合气供给系统第三代：电子控制天然气喷射系统一、机械控制混合气供给系统特点：在化油器式发动机上增加一套天然气供给系统原理：储气瓶内天然气→减压器→混合气→进气管混合器类型：文丘管式混合器—与化油器喉管相似IMPCO型混合器二、电子控制混合器供给系统特点：电控系统，闭环控制；但怠速时天然气流量较小。IMPCO公司的比例调节式（膜片式）混合器闭环控制系统CNG气瓶→高压减压器→低压截止阀→低压减压器→(7kPa)混合器→气缸***ECU通过FCV电磁阀调节混合器浓度三、电子控制天然气喷射系统1、电控单点喷射系统美国福特公司GFI—Ⅱ型CNG系统CNG气瓶(20MPa)→减压器(0.69MPa)→磁阀组(ECU控制→喷嘴→进气总管沃尔沃THG103低排放CNG稀燃发动机A/F:正常工况为22:1~26:1；怠速为20:1CNG气瓶(20MPa)→减压器(1MPa)→电磁喷射器→进气总管2、电控多点喷射系统荷兰TNO研究所的TNO系统—多点连续喷射CNG气瓶→减压器(0.195MPa)→电磁阀→天然气分配器→喷嘴ECU控制步进电机使滑阀控制天然气流通面积以控制天然气流量。伺服电磁阀控制天然气通往膜片下方的旁通气道，通过膜片控制天然气主通道的通断。日本天然气汽车—多点顺序喷射CNG气瓶→电磁阀→两级减压器(0.255MPa)→电磁喷嘴(电控天然气喷射阀)吉林工业大学的天然气发动机—缸内直喷喷射阀开启和关闭时间：整个压缩行程。喷射阀：二通常开式—电磁线圈断电时供气，通电时停止供气。第五节CNGV燃料供给系统的主要部件主要部件：储气瓶、阀门、减压器、混合器等1、储气瓶材料：合金钢—30CrMo、35CrMo、40CrMo铝合金复合材料—外：碳纤维或玻璃纤维，内：热塑性材料工作压力：16MPa或20MPa我国车用储气瓶多为钢瓶，标准GB17258—1998结构型式：2、阀门主要包括：输出阀、主阀、充气阀、安全阀等输出阀：装在CNG储气瓶上主阀：装在高压管路中。三通接头接压力表连接充气阀：单向阀，提供气源与储气瓶之间的连接通道。3、减压器作用：减压（20MPa→0.1~1.2MPa）分类：按结构分集成式单体式按功能单级式多级式要求：①减压至大气压左右，不受储气瓶压力影响；②停机时，自动关闭天然气；③不泄漏，有安全阀；④压力可调；⑤能适应发动机工况变化；⑥设有加热通道，防减压霜冻。⑴集成式减压器两级减压器第一级：20MPa→0.4MPa第二级：0.4MPa→0.1MPa结构与原理：混合器吸气产生真空使阀门12打开。天然气→经球阀8→一级减压室→经阀门12→二级减压室→经量孔1→混合器。大负荷时，加浓阀13打开，额外增加供气。停机时，阀门12关闭。三级减压器天然气→阀3→一级减压室4(0.25MPa)→经通孔7→二级减压室8→经通孔17→三级减压室(0.178MPa)→混合器。减压器内设置加温水套。⑵分体式减压器由高压减压器和低压减压器①高压减压器作用：高压→中压20MPA→0.5~1.2MPa天然气→过滤器1→阀门12→减压室B→出口→混合器（或喷射阀，或低压减压器）。出气量增大时，压力腔B压力下降，膜片8下移，使阀12开度增大。调节螺杆4用于调节输出压力。②低压减压器作用：中压→低压0.5~1.2MPa→0~0.02MPa高压减压器→过滤器1→一级阀门3→一级减压腔A→二级阀门8→二级减压腔→混合器（或喷射阀）。出气量增大时，膜片25上移，使二级阀门8开度增大。4、混合器及喷射阀作用：天然气与空气混合，控制进气量混合方式：进气总管混合(混合器)、进气歧管混合(喷射阀)缸内混合（喷射阀）混合器喷射阀5、天然气过滤器天然气经进口→过滤器毛毡和金属滤网→电磁阀→出口6、天然气加热器作用：防止减压过程气体膨胀吸热而造成高凝点气体凝结堵塞管道循环水与天然气成逆向流动，换热效果好第六节CNG发动机动力性分析一、CNG发动机的类型火花塞点燃：单燃料、双燃料柴油引燃：二、CNG发动机动力性分析1、对CNG发动机动力性有利的因素①NG的辛烷值高（120）许用压缩比可为10~12，理论热效率可提高7%~12%②混合均匀，燃烧完全度高有利于热效率的提高2、对CNG发动机动力性不利的因素①混合气热值低—比汽油低12%理论上，发动机的输出功率与混合气热值成正比②充气效率和空气量小采用汽油机进气系统使NG充气效率下降1~6%NG占据容积大，使空气量减少总进气量下降10%，动力性下降10%③其它因素点火提前角、空燃比下图为CA6102汽油发动机以汽油和NG为燃料的外特性对比：3000r/min时，功率：汽油89.5KW，NG：65.3KW。扭矩：汽油285NM，NG207.8NM三、CNG发动机动力性提高措施1、优化点火提前角外特性上BTDC增加8~10度负荷特性上（1800r/min)BTDC增加10~14度②优化混合器③降低进气温度④采用喷射气法⑤增压⑥大负荷优化加浓第七节CNG加气站组成：调压站—将NG调至压缩进气压力，并滤清、干燥、计量和安全.NG压缩机—经4级压缩成25MPa充气程序控制盘—向高、中、低气瓶组充气，或使气瓶组按低、中、高顺序向汽车气瓶充气CNG气瓶组—高、中、低气瓶三组售气机—向汽车充气。由流量计、计价器和顺序加气系统组成.调压站←天然气压缩机←充气顺序程控盘CNG气瓶组天然气管道←25MPa←→25MPa售气机↓→20MPaCNG汽车第八节液化天然气汽车（LNGV）LNG的主要成分为液体甲烷，由含90%以上的甲烷的天然气经脱水、脱烃、脱酸处理，并液化（-161.5℃)而成。一、LNG的特性1、储运性好—液化后的体积为NG的1/6252、更清洁—经“三脱”净化和液化，分离出重烃和杂质3、辛烷值高，燃烧完全4、液化工艺复杂，成本高二、LNGV供给系统与CNGV工作基本相同储存：低压（约1MPa）、超低温（-161.5℃）、绝热、液态使用：蒸发汽化（吸热）LNGV供给系统组成：LNG储罐—80~90L的低压容器，双层金属夹绝热材料，温度-125~-161.5℃，压力1MPa，90%液态，10%气态。阀门—压力泄放阀：压力大于1.6MPa时开启充填限制阀：防过量注入和超压截止阀：单向阀：自动切断阀：泄漏时关闭汽化器蒸发器—汽化。带有加热器调压器混合器LNGV供给系统示意图三、LNG加气站两种加气站：单一站（LNG站）、混合站（L-CNG站）组成：LNG储罐—温度-176.4℃，置于地下LNG低温泵、LNG计量和控制系统第九节吸附天然气汽车（ANGV）简介将天然气在一定压力和温度下（一般3.5~6.0MPa，25℃）储存在吸附剂中。吸附剂原料：褐媒、石油焦、沥青、木质素等