車用天然氣應(yīng)用技術(shù)

內(nèi)容提要：
　　 本文系統(tǒng)介紹了車用天然氣（NGY）存儲(chǔ)技術(shù)以及壓縮天然氣（CNG）汽車改造技術(shù)，并就加氣站的設(shè)置進(jìn)行了簡要分析。
1 前 言

　　天然氣以其有害污染物少、安全可靠性高、抗爆震性能好、使用成本低以及能延長汽車代用燃料。近年來，隨著汽車燃料供需矛盾以及尾氣污染對(duì)生態(tài)環(huán)境危害的加劇，發(fā)展天然氣代用燃料汽車已成為世界各國解決能源和生態(tài)環(huán)境問題重要途徑。
2 車用天然氣（NGV）存儲(chǔ)技術(shù)

　　作為車用燃料在保證環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還應(yīng)本著優(yōu)化配置燃料儲(chǔ)備、降低車輛無效載重以及充分利用車輛空間等因素，確定其儲(chǔ)存方式存量。NGV燃料存儲(chǔ)技術(shù)在此按壓力分為：壓力儲(chǔ)存和常壓儲(chǔ)存。

2．1 壓力儲(chǔ)存

2．1．1 壓縮天然氣（CNG）技術(shù)
　　 該技術(shù)利用氣體可壓縮我，將常規(guī)天然氣旋以高壓進(jìn)行儲(chǔ)存，其存儲(chǔ)壓力通常為15MPa－25MPa，如在25MPa情況下，天然氣可壓縮至原來體積的1／300，大大降低了儲(chǔ)存容積，但由于儲(chǔ)存壓力的增大也為CNG技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備――儲(chǔ)氣瓶提出了更高要求。
　　 目前儲(chǔ)氣瓶多采用或同類高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼制造，重量重。如以大巴為例，按使用汽、柴油每行駛300km為一個(gè)燃料添加周期換算，通常需配備約6只501的儲(chǔ)氣鋼瓶，采用國產(chǎn)鋼瓶其總重約360kg，而滿容量時(shí)的燃料重量僅為鋼瓶重量的1／6。為減輕車輛無效載重，可考慮通過優(yōu)化確定燃料添加周期（如按滯當(dāng)?shù)赝�類用氣車輛平均日行里程數(shù)確定）、氣瓶儲(chǔ)氣力、儲(chǔ)氣容積并綜合考慮加氣站的合理設(shè)置等因加以緩解。
為從根本上解決高壓儲(chǔ)氣瓶所帶來的車輛空間利用率低以及無效載重過大等問題，國外作了大量探索。儲(chǔ)氣瓶形狀的優(yōu)化在兼顧改善容器受力情況，減小容器壁厚，減輕重量的同時(shí)，旨在充分、合理利用車輛有限空間；儲(chǔ)氣瓶材質(zhì)的改良（如鋁合金復(fù)合材料、炭素材料等的研究及應(yīng)用）則在解決鋼瓶內(nèi)外壁腐蝕等潛在危險(xiǎn)因素的同時(shí)，亦為減輕儲(chǔ)氣容器重量, 更好地滿足使用要求。理論上，NGY儲(chǔ)氣瓶在一定儲(chǔ)氣壓力下，單位容積重量是衡量其優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，國產(chǎn)儲(chǔ)氣瓶的單位容積重量一般在1kg以上，進(jìn)口薄壁鋼瓶為0.8kg左右，而侶合金儲(chǔ)氣瓶的單位容積重量可降低至0.6kg以下，炭素材料氣瓶則更低。相信在不久的將來，隨著科技發(fā)展，CNG存儲(chǔ)技術(shù)會(huì)更大提高。

2．1．2 吸附天然氣（ANG）技術(shù)
　　 ANG技術(shù)是利用一些諸如活性炭等多孔性固體物質(zhì)對(duì)氣體的吸附特性進(jìn)行儲(chǔ)氣。由于這種新型的儲(chǔ)氣方式也要求在一定的壓力作用下（通常為3Mpa-4MPa）方能****限度地提高氣體附量（如在儲(chǔ)存壓力為3.5 MPa時(shí)，理論儲(chǔ)氣量可達(dá)其容積體積的150倍），因此從一定意義上講，該儲(chǔ)存方式同屬壓力儲(chǔ)存。但由于儲(chǔ)存壓力較CNG大為降低，因此容器重量相應(yīng)減輕，安全性相對(duì)提高。當(dāng)儲(chǔ)氣容器的改良同樣是減輕車輛無效載重、提高空間利率、減緩容器內(nèi)外壁腐蝕等部題的最根本方法。目前該技術(shù)的關(guān)鍵部分：吸附劑以及熱能儲(chǔ)存器的開發(fā)已有了較大進(jìn)展。

2．2 常壓儲(chǔ)存

2．2．1 低壓氣囊儲(chǔ)氣技術(shù)
　　 該儲(chǔ)氣方式早在50年代已在我國四川等地加以應(yīng)用，但由于燃料利用率低、使用壽命短、改裝費(fèi)用較高并與城市形象不相符等缺點(diǎn)，已難以在現(xiàn)代化城市中繼續(xù)使用。

2．2．2 液化天然氣（LNG）技術(shù)
　　 LNG存儲(chǔ)技術(shù)是將天然氣冷凍至沸點(diǎn)－162C以下，在飽和蒸汽壓接近常壓的情況下進(jìn)行儲(chǔ)存,其儲(chǔ)存容積可減小約600倍。由此可見在一定儲(chǔ)氣量要求下，LNG需壓力儲(chǔ)存容器，單從這方面考慮，LNG自然是天然氣燃料儲(chǔ)備的最理想的方式，但作為車用燃料又帶來了昭燃料冷凍／添加、車輛燃料供應(yīng)以及安全使用等方面的一系列技術(shù)問題，同時(shí)亦會(huì)導(dǎo)致車輛制改費(fèi)用的大大提高，目前該技術(shù)下處于開發(fā)研制階段。
鑒于NGV存儲(chǔ)技術(shù)中，CNG技術(shù)已較為成熟且易于推廣，以下將重點(diǎn)介紹CNG汽車應(yīng)用技術(shù)。
3 CNG燃料供給系統(tǒng)

　　CNG汽車燃料供給系統(tǒng)如圖1所示：該系統(tǒng)除燃料儲(chǔ)存裝置（儲(chǔ)氣瓶）及發(fā)動(dòng)機(jī)外主要包括：加氣邊接裝置；氣流控制閥壓
　　 測(cè)定及顯示裝置；調(diào)壓裝置；空氣混合裝置；安全保護(hù)裝置以及燃料輸送及連接管件等，對(duì)于兩用燃料汽車設(shè)有燃料轉(zhuǎn)換裝置。NGY燃料8供應(yīng)系統(tǒng)裝置除反應(yīng)靈敏、安全可靠外，還應(yīng)滿足體積小、重量輕、安裝使用維護(hù)方便等要求。
作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備調(diào)壓器及混合器，國內(nèi)已研制成功并且摸索出一整套匹配參數(shù)。
4 CNG汽車發(fā)動(dòng)機(jī)改造技術(shù)
4．1 兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造技術(shù)
　　 該類型發(fā)動(dòng)機(jī)是在原有發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上增設(shè)了天1然氣燃料供應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)參數(shù)未作改動(dòng)，仍按汽、柴油等液體燃料設(shè)計(jì)。
　　 由于天然氣燃料辛烷值高，與空氣混合較均勻，且與空氣有較高的壓縮比，因此發(fā)動(dòng)機(jī)燃用該氣體燃料時(shí)燃燒迅速、充分、無爆震現(xiàn)象、熱能利用率高，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒善得到極大改善，不減少了廢氣排放，而且減少了零部件磨\ 以及潤滑油損耗，使發(fā)動(dòng)機(jī)壽命大大延長。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的制約，致使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能有所下降，下降幅度為10％－20％，其原因主要在于單位時(shí)間內(nèi)輸入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料熱量較汽柴油少，通過適當(dāng)增大發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，可使其動(dòng)力性能得以提高，但尾氣排放物也有所增加，因此兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒工況優(yōu)化調(diào)整十分重要，有經(jīng)驗(yàn)表明：如調(diào)整合理得當(dāng)，其動(dòng)力性能下降幅度可控制在5％左右，該幅度對(duì)于在城市內(nèi)行駛的車輛來說是可以接受的。但作為兩用燃料汽車如何調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)使其達(dá)到對(duì)兩種燃料都能適應(yīng)的****工況，尚需進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)然該技術(shù)是一種燃料改良過渡階段的中間產(chǎn)物，想念隨著優(yōu)質(zhì)能源的逐步普及以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)真正實(shí)現(xiàn)向單燃料專用型發(fā)動(dòng)機(jī)過渡。

4．2 單燃料專用型發(fā)動(dòng)機(jī)
　　 該種發(fā)動(dòng)機(jī)以天然氣為單一燃料，是在充分發(fā)揮天然氣特性的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對(duì)性改造，使得其整體性能得以大大提高。諸如John Deere8.11 、6.81以及Cummisns5.91等天然單燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能絲0毫不遜色于相應(yīng)的汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，我國一汽、東風(fēng)等大型汽車生產(chǎn)廠目前也手研制此類發(fā)動(dòng)機(jī)。
單燃料專用發(fā)動(dòng)機(jī)汽車可說是真正意義上的"綠色環(huán)保汽車"，但要使其得以應(yīng)用、推廣，加氣站的合理有效設(shè)置至關(guān)重要。
5 CNG加氣站

　　按天然氣燃料輸送到站方式，筆者將CNG加氣站劃分為：獨(dú)立加氣站和管道系統(tǒng)加氣站兩種形式。
獨(dú)立加氣站系指NGV燃料來源為車輛運(yùn)輸，即通過運(yùn)輸車輛將天然氣由氣源產(chǎn)地或氣源儲(chǔ)備站運(yùn)至加氣站，再由加氣站向用氣車輛供應(yīng)的加氣方式。由于該形式加氣站不受輸氣管道的制約，具有機(jī)動(dòng)、靈活等特點(diǎn)，可較好地緩解建設(shè)初期城市的NGV供需矛盾。管道系統(tǒng)加氣站，顧名思意其NGV燃料來源方式為管道輸送，它與輸氣管道邊為一體，通過站內(nèi)壓縮機(jī)直按將來自輸氣管道的天然氣加壓充入用氣車輛或站內(nèi)高壓儲(chǔ)氣瓶。有關(guān)加氣站工藝系統(tǒng)參見圖2。
獨(dú)立加氣站與管道系統(tǒng)加氣站盡管來料方式不同，但設(shè)備配置基本相，主要有：壓縮機(jī)，儲(chǔ)氣鋼瓶，加氣機(jī)以及各種閥門，安全控制裝置等，另外為了控制天然氣因減壓所造成的節(jié)流溫降，除在工藝上采取逐級(jí)降壓辦法的同時(shí)，還需配備加熱升溫裝置，由此可見獨(dú)立加氣站的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化方便，易行。
　　 作為城市基礎(chǔ)配套設(shè)施之一的加氣站，要滿足城市內(nèi)流動(dòng)頻繁且遍布各個(gè)角落的車輛用氣需求，點(diǎn)多、面廣是其具務(wù)的明顯特點(diǎn)。由于車輛運(yùn)輸與道路交通、車輛運(yùn)行狀況等外部隨機(jī)因素密切相關(guān)，并且受到運(yùn)量、運(yùn)距以及工藝處理措施等因素的制約，獨(dú)立加氣站在安全性、供氣穩(wěn)定性、系統(tǒng)性以及運(yùn)行成本等方面存在著諸多問題，因此該形式不適合在城市長期運(yùn)作。要解決謗些阻礙天然所氣汽車發(fā)展?quot;瓶頸問題"，加氣站與城市管道的并風(fēng)系統(tǒng)化不失為一個(gè)極好方案，這樣有僅可優(yōu)化、平衡城市用氣，并且易于實(shí)現(xiàn)加氣站的多元化發(fā)展，如何建立家用加氣站、車用燃料綜合添加站等各種模式的中小型加氣站