清潔燃料汽車-天然氣汽車

清潔燃料汽車—天然氣汽車第1頁/共60頁1997年世界天然氣汽車和加氣站統(tǒng)計

第2頁/共60頁二、我國天然氣汽車發(fā)展現(xiàn)狀截至2004年底，我國燃氣汽車保有量為21.5萬量，19個重點推廣應(yīng)用城市（地區(qū)），加氣站數(shù)量達712座。我國燃氣汽車歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計（單位：萬輛）第3頁/共60頁我國燃氣加氣站歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計（單位：座）

19個清潔汽車重點推廣應(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。第4頁/共60頁三、天然氣的類型1、壓縮天然氣（CNG）儲存壓力高于大氣壓力的氣態(tài)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）—正在發(fā)展第5頁/共60頁四、天然氣汽車的類型1、按儲帶的壓力和形態(tài)分壓縮天然氣汽車（CNGV）：一般以20MPa的壓力儲帶天然氣。工作時，經(jīng)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）：工作時，經(jīng)過升溫、汽化、計量和混合后進入氣缸吸附天然氣汽車（ANGV）：工作時，經(jīng)降壓、計量和混合后進入氣缸第6頁/共60頁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供給方式分真空進氣式天然氣汽車：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氣管第7頁/共60頁第二節(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

天然氣進入加氣站在壓縮前和后，要進行“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，防腐蝕第8頁/共60頁二、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(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

-161.5℃，低于此溫度變成液態(tài)，故難于液態(tài)儲存。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℃，故不易壓燃第9頁/共60頁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)動機。下表為天然氣、汽油、柴油物化特性比較：第10頁/共60頁第11頁/共60頁三、車用天然氣的特點

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、使用特性好冷起動性能好，不含膠質(zhì)，不產(chǎn)生積碳，發(fā)動機壽命長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，點燃溫度高（不易形成可燃混合氣）5、儲帶性差6、動力性下降氣態(tài)—充氣不足（比液體燃料少10%）—混合氣熱值下降—動力性下降第12頁/共60頁四、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—進氣量減少1/103、發(fā)動機熱效率下降—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)沒有變化對于汽油機，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)動機輸出功率降低(與汽油機比約低15%)第13頁/共60頁第三節(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：

儲氣系統(tǒng)—充氣裝置、儲氣瓶、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)

第14頁/共60頁純天然氣供給系統(tǒng)第15頁/共60頁天然氣/汽油兩用燃料供給系統(tǒng)第16頁/共60頁一、CNGV燃料供給系統(tǒng)的總體布置要求：1、儲氣瓶—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—安裝位置振動小、遠離排氣管等熱源第17頁/共60頁壓縮比提高到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，充氣時間為3~4min。第18頁/共60頁天然氣/汽油兩用燃料

第19頁/共60頁第20頁/共60頁第21頁/共60頁第四節(jié)CNGV的燃料供給系統(tǒng)的類型第一代：機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、機械控制混合氣供給系統(tǒng)特點：在化油器式發(fā)動機上增加一套天然氣供給系統(tǒng)原理：儲氣瓶內(nèi)天然氣→減壓器→混合氣→進氣管混合器類型：文丘管式混合器—與化油器喉管相似

IMPCO型混合器

第22頁/共60頁第23頁/共60頁二、電子控制混合器供給系統(tǒng)特點：電控系統(tǒng)，閉環(huán)控制；但怠速時天然氣流量較小。第24頁/共60頁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)混合器濃度第25頁/共60頁三、電子控制天然氣噴射系統(tǒng)1、電控單點噴射系統(tǒng)美國福特公司GFI—Ⅱ型CNG系統(tǒng)CNG氣瓶(20MPa)→減壓器(0.69MPa)→磁閥組(ECU控制→噴嘴→進氣總管第26頁/共60頁沃爾沃THG103低排放CNG稀燃發(fā)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)→電磁噴射器→進氣總管第27頁/共60頁2、電控多點噴射系統(tǒng)荷蘭TNO研究所的TNO系統(tǒng)—多點連續(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，通過膜片控制天然氣主通道的通斷。第28頁/共60頁日本天然氣汽車—多點順序噴射CNG氣瓶→電磁閥→兩級減壓器(0.255MPa)→電磁噴嘴(電控天然氣噴射閥)第29頁/共60頁吉林工業(yè)大學的天然氣發(fā)動機—缸內(nèi)直噴噴射閥開啟和關(guān)閉時間：整個壓縮行程。噴射閥：二通常開式—電磁線圈斷電時供氣，通電時停止供氣。第30頁/共60頁第五節(jié)CNGV燃料供給系統(tǒng)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

材料：合金鋼—30CrMo、35CrMo、

40CrMo

鋁合金復合材料—外：碳纖維或玻璃纖維，內(nèi)：熱塑性材料工作壓力：16MPa或20MPa第31頁/共60頁我國車用儲氣瓶多為鋼瓶，標準GB17258—1998結(jié)構(gòu)型式：第32頁/共60頁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儲氣瓶上

第33頁/共60頁主閥：裝在高壓管路中。三通接頭接壓力表連接

第34頁/共60頁充氣閥：單向閥，提供氣源與儲氣瓶之間的連接通道。

第35頁/共60頁3、減壓器作用：減壓（20MPa→0.1~1.2MPa）分類：按結(jié)構(gòu)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，自動關(guān)閉天然氣；③不泄漏，有安全閥；④壓力可調(diào)；⑤能適應(yīng)發(fā)動機工況變化；⑥設(shè)有加熱通道，防減壓霜凍。第36頁/共60頁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→一級減壓室→經(jīng)閥門12→二級減壓室→經(jīng)量孔1→混合器。大負荷時，加濃閥13打開，額外增加供氣。停機時，閥門12關(guān)閉。第37頁/共60頁第38頁/共60頁三級減壓器

天然氣→閥3→一級減壓室4(0.25MPa)→經(jīng)通孔7→二級減壓室8→經(jīng)通孔17→三級減壓室(0.178MPa)→混合器。減壓器內(nèi)設(shè)置加溫水套。第39頁/共60頁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（或噴射閥，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(diào)節(jié)螺桿4用于調(diào)節(jié)輸出壓力。第40頁/共60頁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（或噴射閥）。出氣量增大時，膜片25上移，使二級閥門8開度增大。第41頁/共60頁4、混合器及噴射閥作用：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(噴射閥)

缸內(nèi)混合（噴射閥）第42頁/共60頁混合器第43頁/共60頁噴射閥第44頁/共60頁5、天然氣過濾器天然氣經(jīng)進口→過濾器毛氈和金屬濾網(wǎng)→電磁閥→出口第45頁/共60頁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氣體凝結(jié)堵塞管道循環(huán)水與天然氣成逆向流動，換熱效果好第46頁/共60頁第六節(jié)CNG發(fā)動機動力性分析一、CNG發(fā)動機的類型火花塞點燃：單燃料、雙燃料柴油引燃：二、CNG發(fā)動機動力性分析

1、對CNG發(fā)動機動力性有利的因素

①NG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%②混合均勻，燃燒完全度高有利于熱效率的提高第47頁/共60頁2、對CNG發(fā)動機動力性不利的因素

①混合氣熱值低—比汽油低12%

理論上，發(fā)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(tǒng)使NG充氣效率下降1~6%NG占據(jù)容積大，使空氣量減少總進氣量下降10%，動力性下降10%③其它因素點火提前角、空燃比下圖為CA6102汽油發(fā)動機以汽油和NG為燃料的外特性對比：第48頁/共60頁3000r/min時，功率：汽油89.5KW，NG：65.3KW。扭矩：汽油285NM，NG207.8NM第49頁/共60頁三、CNG發(fā)動機動力性提高措施

1、優(yōu)化點火提前角外特性上BTDC增加8~10度第50頁/共60頁負荷特性上（1800r/min)BTDC增加10~14度②優(yōu)化混合器③降低進氣溫度④采用噴射氣法⑤增壓⑥大負荷優(yōu)化加濃第51頁/共60頁第七節(jié)CNG加氣站組成：調(diào)壓站—將NG調(diào)至壓縮進氣壓力，并濾清、干燥、計量和安全.NG壓縮機—經(jīng)4級壓縮成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—向汽車充氣。由流量計、計價器和順序加氣系統(tǒng)組成.調(diào)壓站←天然氣壓縮機←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52頁/共60頁第53頁/共60頁第八節(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、儲運性好—液化后的體積為NG的1/6252、更清潔—經(jīng)“三脫”凈化和液化，分離出重烴和雜質(zhì)

3、辛烷值高，燃燒完全

4、液化工藝復雜，成本高二、LNGV供給系統(tǒng)與CNGV工作基本相同儲存：低壓（約1MPa）、超低溫（-161.5℃）、絕熱、液態(tài)