天然气和液化石油气汽车的技术现状

天然气和液化石油气汽车的技术现天然气和液化石油气汽车的技术现 状状 一 天然气和液化石油气在汽车上应用的形式一 天然气和液化石油气在汽车上应用的形式 天然气 液化石油气在汽车上按照燃料混合 点火和燃烧方式 可分成下列几种形式 1 按点火方式可以分电火花点火和柴油引燃式 由于天然气 液化石油气的着火温度较高 发动机压缩过程中缸内气体温度 达不到其自燃点 因此必须靠电火花点火 或者喷入少量柴油 首先被压燃再引燃天然气或液化石油气 2 按供气方式可分为缸外 进气管 预混合供气和缸内直接喷 气 缸外预混合供气常采用将气体燃料联通到发动机进气管上 的空气 燃料混合器上 通过混合器将比例合适的混合气供给 气缸 另一种缸外预混合供气方式为进气阀处多点喷气式 或 进气总管单点喷气式 缸内直接喷气是将气体燃料用装置于发 动机缸盖上的喷嘴以一定的压力将其直接喷入到气缸中 一般 喷气过程在发动机进气门关闭到点火之前完成 还有在压缩过 程终了喷气 边燃烧边喷气 3 按燃烧方式可分为预混合燃烧和扩散燃烧 预混合燃烧是 指在发动机点火系统点火或引燃柴油自燃前 进入气缸内的气 体燃料与空气预先混合均匀 此时缸内各处的混合比是一致的 而扩散燃烧是指气体燃料以一定提前量在点火或引燃前喷入缸 内 因而在着火时 缸内燃料与空气并未混合均匀 燃料边扩 散 边燃烧 4 除此之外 还可按控制方式分为机械控制式和电子控制式 开环 闭环 按增压与否分为增压与非增压等形式 二 天然气和液化石油气汽车技术的内容二 天然气和液化石油气汽车技术的内容 天然气和液化石油气汽车与汽 柴油汽车相比具有更多 更新 的技术内容 这其中包括下列几个主要方面 1 加气站技术气体燃料在汽车上的充加需要比液体燃料复杂 得多的加气设备 例如 cng 加气站 它不仅需要把天然气压缩 到 20mpa 以上 而且还要把供气速率 容量配置 充放气优先 顺序 起停控制 计量与环境补偿 安全设施等各方面做出完 善的设计 而液化天然气加气站则更是技术含量极高的设备 2 发动机技术气体燃料的性质决定了它不同于汽 柴油 因 而气体燃料发动机也不等同于汽油机 柴油机 它应该有其独 特之处 因此在气体燃料的混合 燃烧方式 发动机燃烧室结 构 点火系统等诸多方面都需要研究与开发 3 气瓶技术由于汽车是移动运行的 因此气体燃料气瓶的质 量是一个重要的技术问题 此外 气瓶在各种苛刻条件下的安 全性问题更是气体燃料汽车技术研究中不可忽视的问题 4 混合与控制技术汽车的速度和负荷总是变化的 而且气体 燃料相对于液体燃料又较难控制 因此按汽车运行工况要求提 供合适量 质的混合气给发动机是混合与控制系统的根本任务 三 压缩天然气汽车技术现状三 压缩天然气汽车技术现状 1 1 cngcng 加气站加气站 一套完整的 cng 加气站是由低压调压站 天然气压缩机 cng 储气瓶组 cng 顺序程控盘 售气机等五大部分组成 图 3 3 是一个典型天然气压缩气站示意图 调压站由进气控制阀 滤清器 调压阀 流量计和安全阀组 成 从天然气管道来的天然气通过进气控制阀 滤清器后进入 调压阀 将天然气压力调至天然气压缩机需要的进气压力 然 后进入压缩机增压 天然气压缩机是加气站的核心 一般由四级活塞式压缩机或 液压气缸式压缩机 其运行完全自动化 并装有安全保护停车 装置 从管道来的天然气经压缩达到 25mpa 在每一级压缩后 天然气流经水冷或空冷散热器冷却 cng 储气瓶组由三组钢瓶组成 按充气先后次序分成高压组 中压组 低压组三组 储气瓶组的最高充气压力为 25mpa 充气顺序程控盘的作用在于实现按高 中 低压储气瓶组顺 序向储气瓶充气 当天然气压缩机启动后 在没有 cng 汽车加 气时 压缩机依次向高 中 低压储气瓶组进行充气 当气压 达到 22mpa 时 压缩机向三个瓶组同时充气 压力达到 25mpa 压缩机自动停车 当气瓶组压力降到 22mpa 时 压缩机 自动启动 恢复充气 售气机由流量计 计价器 顺序加气系统三大部分组成 汽 车充气时 储气瓶组按低 中 高顺序利用压差供气 当车上 气瓶压力与储气瓶压力一致但不足 20mpa 此时启动的压缩机 将直接向车上气瓶供气直到最高压力 20mpa 当没有汽车充气 时 压缩机继续向储气瓶组充气至 25mpa 整个汽车充气过程 大约需要 5 10min 此外 该加气站还设有气体回收系统和慢充气接口 吉林油田从美国天然气能源公司引进的母子站则是另一类型的 加气站 主要用在天然气管道不健全的地方 母站设在有天然 气源的地方 子站设在没有天然气源又需要设站的地方 由拖 车从母站向子站运送天然气 母 子站均有各自的压缩机 除 此之外 两站合在一起就构成了一套完整的加气站 加气站的新技术的体现就在于各控制部分的微机管理 国内目前已能生产机械电气式天然气压缩气站 是在引进国外 cng 加气站基础上消化吸收 结合我国国情和现场实际设计制 定了 cng 加气站国产化方案 根据实际要求 研制中对工艺和 设备进行了技术改进和完善 将国产压缩机的进 排气管线与引进机组并联联接 并且由 国产压缩机的排气管引一条管线接至程控盘后的储气系统 可 使国产机组本身构成联机系统 双机共同工作 补充完善国外设计 在国内设计的充气系统管线上增设检修 放空阀 确保了检修的安全 增设了机组停机气体放空罐 将 每次停机自动放空气体返至罐中 在引进的调压装置中增设了油气分离器和管路系统 为使用 干气和湿气 提供了可靠保证 将进口的 60 只储气瓶组改为 120 只储气瓶组 并重新进行 编组 使储气瓶数目增加了一倍 取气率达 58 可保证机组 达到全负荷工作能力 提高了一次储气的加气车次 减少机组 频繁启动 起到节电降耗作用 国产化后的 cng 加气站主要技术指标如下 生产 cng 能力 双机 8h 工作 5000m3 天 可供 cng 汽车 50m3 辆 台数 100 辆 每辆天然气汽车加气时间 50m3 辆 8 10min 额定压力 加气站储气压力为 25mpa cng 汽车加气压力为 20mpa 售气机计量准确度 0 5 天然气含硫量 不大于 20mg m3 天然气净化水露点温度 40 2 2 cngcng 气瓶气瓶 天然气高压气瓶主要有一般钢瓶 铝合金瓶 薄壁钢瓶和复合 材料气瓶 铝合金瓶和薄壁钢瓶采用玻璃纤维和聚脂树脂加强 复合材料气瓶内部为热塑性材料衬里 外部为碳纤维或玻璃纤 维增强复合而成 国内目前只能生产钢质气瓶 材料为 30crmo 35crmo 和 40crmo 而且大多数单位目前都未生产天然气汽车专用钢瓶 而是用高压氧气瓶替代 3 3 改装技术改装技术 目前 天然气在汽车上的应用仍局限在原有汽油机或柴油机基 础上经改装而成天然气或两用燃料发动机 目前针对发动机本 身如何更适合天然气燃料特点而进行的专门设计尚处于研究阶 段 例如将一台汽油车改装成一台天然气汽油两用燃料汽车所 需要额外增加的设备如下 天然气气瓶 储存 cng 耐压 20mpa 高压气瓶 高压气瓶主 要有钢瓶 铝合金瓶和薄壁钢瓶三种 铝合金瓶和薄壁钢瓶的 特点是 自重轻 强度高 用玻璃纤维和聚脂树脂加强 一个天然气容量 20m3 20mpa 80l 容积的铝合金瓶重约 61kg 价格约为 500 美元 一个天然气容量为 10m3 20mpa 40l 容积的薄壁钢瓶的质量约为 43kg 价格约 400 美元 天然气气瓶手动开关 不锈钢高压输气管汇 减压阀 电磁阀 计量阀及中央计算机控制设备 cng 通过 二级或三级减压 压力从 15 20mpa 降低至大气压 并利用汽 车散热器里的热水循环防止降压所造成的冻结问题 电磁阀控 制两用燃料汽油 天然气的相互转换 计量阀用做气量及气体压 力的计量 中心计算机优化控制整个天然气汽车系统 低压天然气软管 燃料喷嘴 与散热器循环的热水管汇 燃料选择开关 专用 统一标准的天然气充气接头 从技术高度看 美国和欧洲各国均开发了一系列的天然气汽车 改装系统 都利用了他们在汽车电控技术上的优势 以美国为 例 美国从事天然气汽车两用燃料转换系统改装部件制造的公司有 二 三十家 实际买得部件做改装服务工作的有 170 家 美国 stewart stevenson 公司 impco technologies inc hatchkirkinc edo angi 公司是其中较为著名的公司 这些公司为符合国家的汽车排放标准 将微处理机用于转换系 统 使全系统达到天然气与空气最佳混合 完全燃烧 美国 impco technologies inc 有两种转换系统可供选择 一 是 adp 系统 adaptive digital processor system 它是利用 管路的绝对压力和机械的转速影响混合器的流速 adp 利用氧 气传感器的信号修正存储的燃料系统数据 这一数据信息能够 瞬间调整系统改变混合器的空气 天然气比 adp 软件系统在冷 启动 响应时间和安装状况诊断方面 对原有技术都有改进 另一是 afe 系统 advanced fuel electronics system 其主 要部件为一个微处理机 应用发动机速度测定方法 来自发动 机和气体燃料质量流量传感器的信号经过计算机处理可以精确 地计算并修正空气 燃料混合比 这一系统的排放符合美国的环 境法规 并有效地使用燃料 美国 stewartstevenson 公司的 gfi 系统 automotive gaseous fuel injection system 是计算机控制的燃料注入系统 可应 用在汽油机 1 8l 和柴油机 37 294kw 该系统包括注入气 体调压器 调节阀与计算机 气体喷嘴 二个温度传感器和一 个燃料选择开关 用于双燃料 与调节阀相连的是三个绝对压 力传感器 燃料 进气管路 气压 和一个燃料温度传感器 这 些传感器均同氧气传感器信号一起输入计算机 在发动机运转 情况下 准确地控制空气 燃料比 这一系统具体运行是 燃料储存在 3000psi 约 20mpa 的常规天然气气瓶内 燃料通过高压管进入 gfi 调压器 调压器降低燃料压力至常压 100psi 0 689mpa 计算机确定发动机瞬时所需燃料 并转向控制 7 个注入器的 合理组合 燃料通过橡胶软管至空气滤清器中的喷嘴 该系统同时调准点火系统以得到最佳的点火时间 该公司把这一系统称为 21 世纪的新技术 国内目前能生产的天然气汽车改装系统是机械电气式 cng 汽 车是采用已定型的汽油车 在保留原车供油系统的情况下 经 改装增加一套使用压缩天然气的装置 使改装后的车辆既可使 用天然气又可使用汽油做燃料 成为压缩天然气 汽油两用燃 料系统的汽车 车用压缩天然气装置由天然气储气系统 天然气供给系统 油 汽燃料转换系统三大部分组成 主要部件有天然气钢瓶 充 气阀 高压截止阀 高压管线 高压接头 压力表 压力传感 器及气量显示灯 高压电磁阀 汽油电磁阀 组合式减压阀 燃气混合器 油 气燃料转换开关 点火时间转换器等 当 cng 汽车需用天然气燃料时 驾驶员只要将油一气转换开关扳 到 气 的位置 此时汽油电磁阀关闭 高压电磁阀打开 天 然气经三级减压阀后与空气混合 进入气缸燃烧 减压阀中的 燃气调节器与混合器配合 可以满足发动机不同工况的要求 当需用汽油作燃料时 油一气转换开关板到 油 的位置 此 时高压电磁阀关闭 汽油电磁阀打开 从而恢复到原来的供油 状态 转换操作非常灵活 四 液化石油气汽车技术现状四 液化石油气汽车技术现状 lpg 加气站比较简单 有固定式和活动式两种 例如表 3 4 和 表 3 5 所示 表表 3 43 4 lpglpg 固定气站固定气站 项目型号数量 lpg 储罐 个每个容量 25 m3 4 储罐压力 mpa 1 8 旋涡泵 台c5 140a 或 5 170 1 计量机 台 206 表表 3 53 5 活动式活动式 lpglpg 加气站加气站 型号 项目 3 12 885 3 33 9 528 lpg 储罐直径 mm 1600200 容量 m3 1234 3 工作压力 mpa 1 81 8 工作温度 40 50 40 50 活动站总重量 t 15 838 3 外形尺寸 mm 长 1o50016610 宽 24502630 高 31503750 固定式 lpg 加气站储存 lpg100m3 约 56t 每日最大可供 600 辆 汽车加 lpg 活动式 lpg 加气站实际上类似 lpg 运输车 lpg 汽 车需加装电磁阀 减压阀以及适应 lpg 组改变用的自动调节系 统 使用压力为 1 6mpa 的钢瓶 容量 15 250l 供不同类型 汽车使用 这种汽车行驶距离为 500km 以上 lpg 燃料系统的主要部件有 lpg 气瓶 蒸发调压器 滤清器 电磁断油阀 混合器等 lpg 气瓶用特殊钢制成 为了确保安全 在 2940kpa 下作耐压 试验 它的破坏压力为 7840kpa lpg 的储存压力一般为 386kpa 车用 lpg 瓶可由家用液化石油气瓶改装而成 或进行 重新设计 蒸发调压器是整个燃料系统的关键部件 lpg 在蒸发器中蒸发 气化 再经两次减压 受进气管真空度的控制 按照发动机不 同负荷配给混合比 通入发动机循环水的目的是为了确保 lpg 的气化 滤清器用以清除 lpg 中的杂质 其中除安装有滤芯外还安装有 永久磁石 以滤掉夹杂在 lpg 中可能的金属粒子 电磁断油阀用于截断 lpg 的供应 在国外的某些 lpg 燃料系统 中还安装有惯性快速截断阀 当汽车撞车或紧急制动时 它能 快速截断来自 lpg 瓶的气体 防止火灾 进入气缸的液化石油气量 除可用真空度 机械方式控制外 更为精确的控制是借助单片微机控制 由于控制精度高 发动 机的性能更优 混合器具有与化油器相类似的喉管 空气与液化石油气在混合 器中进行混合 进入气缸 空气与石油气的混合比与汽油的混 合更容易 使可燃混合气更均匀 有利于燃烧 五 液化天然气汽车技术现状五 液化天然气汽车技术现状 液化天然气汽车与压缩天然气汽车主要区别在于加气站 储气 瓶和蒸发器 当液化天然气蒸发成气态后 其它系统与 cng 汽 车并无不同 液化天然气汽车技术实质上主要是气体深冷液化和储存技术 它所涉及