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1、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 7080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NGV 84年，福特推出单燃料NGV 86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
2、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
3、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
4、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
5、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0.61.8，较宽，可采用稀薄燃烧技术 6、自然温度 630730，而汽油为220471，故不易压燃,7、辛烷值 一般MON为：115130，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
6、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+8N2CO2+
7、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+44N27CO2+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,
8、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34min。,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
9、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22:126:1；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
10、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2
11、0MPa,我国车用储气瓶多为钢瓶，标准 GB172581998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（20MPa0.11.2MPa）分类：,要求：减压至大气压左右，不受储气瓶压力影响；停机时，自动关闭天然气；不泄漏，有安全阀；压力可调；能适应发动机工况变化；设有加热通道，防减压霜冻。,集成式减压器两级减压器 第一级：20MPa0.4MPa 第二级：0.4MPa0.1MPa,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
12、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。,分体式减压器 由高压减压器和低压减压器,高压减压器作用：高压中压 20MPA 0.51.2MPa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。,低压减压器作用：中压低压0.51.2MPa00.02MPa高压减压器过滤器1一级阀
13、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 NG的辛烷值高
14、（120）许用压缩比可为1012，理论热效率可提高7%12%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 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 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16%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%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BT
15、DC增加810度,负荷特性上（1800r/min)BTDC增加1014度,优化混合器 降低进气温度 采用喷射气法 增压 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.,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
16、体积为NG的1/625 2、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8090L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3.56.0MPa，25）储存在吸附剂中。吸附剂原料：褐媒、石油焦、沥青、木质素等特点：1、在3.54.0MPa，25 时，吸附剂存贮NG的体积比为170190，与CNG存储体积相当。2、ANGV的起动、加速性能与汽油车相当。3、经济性好于CNGV。4、续驶里程与CNGV相当。5、加气站成本为CNG加气站的1/31/2.6、对储气瓶要求低，成本为CNG气瓶的1/22/3,
