清潔燃料汽車-天然氣汽車

第二章天然氣汽車 NGV 第一節(jié)概述 一 天然氣汽車發(fā)展概況誕生 20世紀(jì)30年代 意大利 貧油富氣 推出天然氣汽車70 80年代 較快發(fā)展 79年 新西蘭的NGV獲得較快發(fā)展82年 加拿大開始發(fā)展NGV84年 福特推出單燃料NGV86年 我國(guó)四川建成第一個(gè)加氣站90年代后 快速發(fā)展 94年 歐洲成立天然氣汽車協(xié)會(huì) ENGVA 2000年 我國(guó)實(shí)施清潔能源行動(dòng)計(jì)劃目前 世界NGV已超過100萬輛 天然氣加氣站超過3000座 1997年世界天然氣汽車和加氣站統(tǒng)計(jì) 二 我國(guó)天然氣汽車發(fā)展現(xiàn)狀截至2004年底 我國(guó)燃?xì)馄嚤Ｓ辛繛?1 5萬量 19個(gè)重點(diǎn)推廣應(yīng)用城市 地區(qū) 加氣站數(shù)量達(dá)712座 我國(guó)燃?xì)馄嚉v年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 單位 萬輛 我國(guó)燃?xì)饧託庹練v年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 單位 座 19個(gè)清潔汽車重點(diǎn)推廣應(yīng)用城市 地區(qū) 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(zhǎng)春市 哈爾濱市 廣州市 濟(jì)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 壓縮天然氣 CNG 儲(chǔ)存壓力高于大氣壓力的氣態(tài)天然氣 汽車上儲(chǔ)帶壓力約為20MPa 目前主要的儲(chǔ)帶方式2 常壓天然氣 NNG 攜帶量少 不安全 一般不采用3 液化天然氣 LNG 超低溫 161 5 以下變?yōu)橐簯B(tài) 體積減小1 625 正迅速發(fā)展的儲(chǔ)帶方法4 吸附天然氣 ANG 在3 5 6MPa下儲(chǔ)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 正在發(fā)展 四 天然氣汽車的類型1 按儲(chǔ)帶的壓力和形態(tài)分壓縮天然氣汽車 CNGV 一般以20MPa的壓力儲(chǔ)帶天然氣 工作時(shí) 經(jīng)過降壓 計(jì)量 混合后進(jìn)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 工作時(shí) 經(jīng)過升溫 汽化 計(jì)量和混合后進(jìn)入氣缸吸附天然氣汽車 ANGV 工作時(shí) 經(jīng)降壓 計(jì)量和混合后進(jìn)入氣缸 2 按燃料的組成與應(yīng)用分純天然氣汽車 使用單一天然氣燃料 點(diǎn)燃 壓縮比高NG 汽油兩用燃料汽車 交替使用這兩種燃料 由汽油機(jī)改造 NG 柴油雙燃料汽車 由柴油引燃 可降低微粒排放3 按天然氣供給方式分機(jī)械控制式天然氣汽車 機(jī)械控制天然氣機(jī)電控制天然氣汽車電控天然氣汽車4 按NG供給方式分真空進(jìn)氣式天然氣汽車 以真空管真空引入天然氣噴射式天然氣汽車 以一定壓力噴入氣缸或進(jìn)氣管 第二節(jié)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(jìn)入加氣站在壓縮前和后 要進(jìn)行 三脫 處理 脫水 使含水量小于16mg m3 防膨脹而結(jié)冰脫烴 脫輕烴 使乙烷小于3 防燃燒不正常脫硫 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(duì)于空氣的60 2 熱值分子中含C和H原子數(shù)越多 燃燒后產(chǎn)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(diǎn) 161 5 低于此溫度變成液態(tài) 故難于液態(tài)儲(chǔ)存 4 顏色 味道和毒性無色 無味 無毒 為安全加入加臭劑5 混合氣著火界限5 15 對(duì)應(yīng)過量空氣系數(shù)0 6 1 8 較寬 可采用稀薄燃燒技術(shù)6 自然溫度630 730 而汽油為220 471 故不易壓燃 7 辛烷值一般MON為 115 130 抗暴性優(yōu)于汽油 可采用高壓縮比的發(fā)動(dòng)機(jī) 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(diǎn)1 清潔含S量少 完全燃燒后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 使用特性好冷起動(dòng)性能好 不含膠質(zhì) 不產(chǎn)生積碳 發(fā)動(dòng)機(jī)壽命長(zhǎng)3 抗暴性好 辛烷值約為130 可增大壓縮比和BTDC4 具有姣好的安全性密度小 點(diǎn)燃溫度高 不易形成可燃混合氣 5 儲(chǔ)帶性差6 動(dòng)力性下降氣態(tài) 充氣不足 比液體燃料少10 混合氣熱值下降 動(dòng)力性下降 四 車用天然氣的燃燒特性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(shù)減小 進(jìn)氣量減少1 103 發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率下降 火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?傳熱損失大4 燃燒前后摩爾數(shù)的變化CH4 2O2 8N2 CO2 2H2O 8N2天然氣燃燒前 后摩爾數(shù)沒有變化對(duì)于汽油機(jī) 以庚烷為例 C7H16 11O2 44N2 7CO2 8H2O 44N2其摩爾數(shù)由56增加到59故 天然氣使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率降低 與汽油機(jī)比約低15 第三節(jié)CNGV的燃料供給系統(tǒng)及總體布置 一 CNGV燃料供給系統(tǒng)作用 根據(jù)不同工況 調(diào)節(jié)空燃比 并提供合適混合氣量組成 儲(chǔ)氣系統(tǒng) 充氣裝置 儲(chǔ)氣瓶 氣壓表 截止閥等供給系統(tǒng) 過濾器 減壓調(diào)節(jié)器 混合器 等燃料轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 兩用燃料 轉(zhuǎn)換開關(guān) 截止閥等結(jié)構(gòu) 純天然氣供給系統(tǒng)天然氣 汽油兩用燃料供給系統(tǒng) 純天然氣供給系統(tǒng) 天然氣 汽油兩用燃料供給系統(tǒng) 一 CNGV燃料供給系統(tǒng)的總體布置 要求 1 儲(chǔ)氣瓶 安裝在安全部位 行李箱 車架旁梁下等2 高壓管線 安裝牢固 防泄漏等3 減壓器 安裝位置振動(dòng)小 遠(yuǎn)離排氣管等熱源 壓縮比提高到10 1 采用白金電線和鍍鎳火花塞 氣門采用優(yōu)質(zhì)耐磨材料 充氣時(shí)間為3 4min 天然氣 汽油兩用燃料 第四節(jié)CNGV的燃料供給系統(tǒng)的類型 第一代 機(jī)械控制混合氣供給系統(tǒng)第二代 電子控制混合氣供給系統(tǒng)第三代 電子控制天然氣噴射系統(tǒng)一 機(jī)械控制混合氣供給系統(tǒng)特點(diǎn) 在化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)上增加一套天然氣供給系統(tǒng)原理 儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)天然氣 減壓器 混合氣 進(jìn)氣管混合器類型 文丘管式混合器 與化油器喉管相似IMPCO型混合器 二 電子控制混合器供給系統(tǒng)特點(diǎn) 電控系統(tǒng) 閉環(huán)控制 但怠速時(shí)天然氣流量較小 IMPCO公司的比例調(diào)節(jié)式 膜片式 混合器閉環(huán)控制系統(tǒng)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通過FCV電磁閥調(diào)節(jié)混合器濃度 三 電子控制天然氣噴射系統(tǒng)1 電控單點(diǎn)噴射系統(tǒng)美國(guó)福特公司GFI 型CNG系統(tǒng)CNG氣瓶 20MPa 減壓器 0 69MPa 磁閥組 ECU控制 噴嘴 進(jìn)氣總管 沃爾沃THG103低排放CNG稀燃發(fā)動(dòng)機(jī)A F 正常工況為22 1 26 1 怠速為20 1CNG氣瓶 20MPa 減壓器 1MPa 電磁噴射器 進(jìn)氣總管 2 電控多點(diǎn)噴射系統(tǒng)荷蘭TNO研究所的TNO系統(tǒng) 多點(diǎn)連續(xù)噴射CNG氣瓶 減壓器 0 195MPa 電磁閥 天然氣分配器 噴嘴 ECU控制步進(jìn)電機(jī)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 通過膜片控制天然氣主通道的通斷 日本天然氣汽車 多點(diǎn)順序噴射CNG氣瓶 電磁閥 兩級(jí)減壓器 0 255MPa 電磁噴嘴 電控天然氣噴射閥 吉林工業(yè)大學(xué)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī) 缸內(nèi)直噴噴射閥開啟和關(guān)閉時(shí)間 整個(gè)壓縮行程 噴射閥 二通常開式 電磁線圈斷電時(shí)供氣 通電時(shí)停止供氣 第五節(jié)CNGV燃料供給系統(tǒng)的主要部件 主要部件 儲(chǔ)氣瓶 閥門 減壓器 混合器等1 儲(chǔ)氣瓶材料 合金鋼 30CrMo 35CrMo 40CrMo鋁合金復(fù)合材料 外 碳纖維或玻璃纖維 內(nèi) 熱塑性材料工作壓力 16MPa或20MPa 我國(guó)車用儲(chǔ)氣瓶多為鋼瓶 標(biāo)準(zhǔn)GB17258 1998結(jié)構(gòu)型式 2 閥門主要包括 輸出閥 主閥 充氣閥 安全閥等輸出閥 裝在CNG儲(chǔ)氣瓶上 主閥 裝在高壓管路中 三通接頭接壓力表連接 充氣閥 單向閥 提供氣源與儲(chǔ)氣瓶之間的連接通道 3 減壓器作用 減壓 20MPa 0 1 1 2MPa 分類 要求 減壓至大氣壓左右 不受儲(chǔ)氣瓶壓力影響 停機(jī)時(shí) 自動(dòng)關(guān)閉天然氣 不泄漏 有安全閥 壓力可調(diào) 能適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化 設(shè)有加熱通道 防減壓霜凍 集成式減壓器兩級(jí)減壓器第一級(jí) 20MPa 0 4MPa第二級(jí) 0 4MPa 0 1MPa 結(jié)構(gòu)與原理 混合器吸氣產(chǎn)生真空使閥門12打開 天然氣 經(jīng)球閥8 一級(jí)減壓室 經(jīng)閥門12 二級(jí)減壓室 經(jīng)量孔1 混合器 大負(fù)荷時(shí) 加濃閥13打開 額外增加供氣 停機(jī)時(shí) 閥門12關(guān)閉 三級(jí)減壓器 天然氣 閥3 一級(jí)減壓室4 0 25MPa 經(jīng)通孔7 二級(jí)減壓室8 經(jīng)通孔17 三級(jí)減壓室 0 178MPa 混合器 減壓器內(nèi)設(shè)置加溫水套 分體式減壓器由高壓減壓器和低壓減壓器 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 或噴射閥 或低壓減壓器 出氣量增大時(shí) 壓力腔B壓力下降 膜片8下移 使閥12開度增大 調(diào)節(jié)螺桿4用于調(diào)節(jié)輸出壓力 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(jí)閥門3 一級(jí)減壓腔A 二級(jí)閥門8 二級(jí)減壓腔 混合器 或噴射閥 出氣量增大時(shí) 膜片25上移 使二級(jí)閥門8開度增大 4 混合器及噴射閥作用 天然氣與空氣混合 控制進(jìn)氣量混合方式 進(jìn)氣總管混合 混合器 進(jìn)氣歧管混合 噴射閥 缸內(nèi)混合 噴射閥 混合器 噴射閥 5 天然氣過濾器 天然氣經(jīng)進(jìn)口 過濾器毛氈和金屬濾網(wǎng) 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造成高凝點(diǎn)氣體凝結(jié)堵塞管道 循環(huán)水與天然氣成逆向流動(dòng) 換熱效果好 第六節(jié)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性分析 一 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的類型火花塞點(diǎn)燃 單燃料 雙燃料柴油引燃 二 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性分析1 對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有利的因素 NG的辛烷值高 120 許用壓縮比可為10 12 理論熱效率可提高7 12 混合均勻 燃燒完全度高有利于熱效率的提高 2 對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不利的因素 混合氣熱值低 比汽油低12 理論上 發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率與混合氣熱值成正比 充氣效率和空氣量小采用汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)使NG充氣效率下降1 6 NG占據(jù)容積大 使空氣量減少總進(jìn)氣量下降10 動(dòng)力性下降10 其它因素點(diǎn)火提前角 空燃比下圖為CA6102汽油發(fā)動(dòng)機(jī)以汽油和NG為燃料的外特性對(duì)比 3000r min時(shí) 功率 汽油89 5KW NG 65 3KW 扭矩 汽油285NM NG207 8NM 三 CNG發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性提高措施1 優(yōu)化點(diǎn)火提前角外特性上BTDC增加8 10度 負(fù)荷特性上 1800r min BTDC增加10 14度 優(yōu)化混合器 降低進(jìn)氣溫度 采用噴射氣法 增壓 大負(fù)荷優(yōu)化加濃 第七節(jié)CNG加氣站 組成 調(diào)壓站 將NG調(diào)至壓縮進(jìn)氣壓力 并濾清 干燥 計(jì)量和安全 NG壓縮機(jī) 經(jīng)4級(jí)壓縮成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(jī) 向汽車充氣 由流量計(jì) 計(jì)價(jià)器和順序加氣系統(tǒng)組成 第八節(jié)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(jīng)脫水 脫烴 脫酸處理 并液化 161 5 而成 一 LNG的特性1 儲(chǔ)運(yùn)性好 液化后的體積為NG的1 6252 更清潔 經(jīng) 三脫 凈化和液化 分離出重?zé)N和雜質(zhì)3 辛烷值高 燃燒完全4 液化工藝復(fù)雜 成本高二 LNGV供給系統(tǒng)與CNGV工作基本相同儲(chǔ)存 低壓 約1MPa 超低溫 161 5 絕熱 液態(tài)使用 蒸發(fā)汽化 吸熱 LNGV供給系統(tǒng)組成 LNG儲(chǔ)罐 80 90L的低壓容器 雙層金屬夾絕熱材料 溫度 125 161 5 壓力1MPa 90 液態(tài) 10 氣態(tài) 閥門 壓力泄放閥 壓力大于1 6MPa時(shí)開啟充填限制閥 防過量注入和超壓截止閥 單向閥 自動(dòng)切斷閥 泄漏時(shí)關(guān)閉汽化器蒸發(fā)器 汽化 帶有加熱器調(diào)壓器混合器 LNGV供給系統(tǒng)示意圖 三 LNG加氣站兩種加氣站 單一站 LNG站 混合站 L CNG站 組成 LNG儲(chǔ)罐 溫度 17