清洁燃料汽车—天然气汽车.ppt

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70 80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NGV84年 福特推出单燃料NGV86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 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 6 1 8 较宽 可采用稀薄燃烧技术6 自然温度630 730 而汽油为220 471 故不易压燃 7 辛烷值一般MON为 115 130 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 8N2 CO2 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 44N2 7CO2 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 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3 4min 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 1 26 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20MPa 我国车用储气瓶多为钢瓶 标准GB17258 1998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 20MPa 0 1 1 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 20MPa 0 4MPa第二级 0 4MPa 0 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 5 1 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 5 1 2MPa 0 0 02MPa高压减压器 过滤器1 一级阀门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 120 许用压缩比可为10 12 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1 6 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BTDC增加8 10度 负荷特性上 1800r min BTDC增加10 14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 液化后的体积为NG的1 6252 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 80 90L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 17