天然气汽车改装项目技术可行性研究报告.doc

天然气汽车改装项目1、天然气的性质天然气（NG）是一种无色、无味的气体，主要成分是甲烷，是有机物质发酵的产品，通常与其它石油产品一同生成，天然气中加入了加臭剂，这使得商业天然气有一种独特的气味。在地面标准状态下,天然气混合物的密度一般为0.70.75kg/m3，随重烃含量增多密度增大。密度随压力增高而增大,随温度增高而变小。天然气的气液比为625：1，沸点在-162，所以常温下为气态。天然气（NG）是一种高效、清洁、廉价的民用燃料和工业原料，常温常压下天然气比空气轻比重约为0.65，跟空气混合后的着火浓度范围 为4.715，比汽油高3-4.7倍，更不容易爆炸。着火温度为650度（汽油的着火温度为450度，柴油的着火温度为250度）。说明当其泄露时，天然气向上移动会很快挥发，不容易达到着火浓度和着火温度，所以安全可靠。天然气（NG）具有极强的抗爆性（最小辛烷值ROZ达到130，而汽油的最小辛烷值位于91和100之间，因此以天然气为燃料的汽车压缩比可提高到12：1）根据天然气特性而设计的发动机具有高压缩比，扭矩大，可实现稀薄燃烧的特点，同时由于是气态燃料，无须雾化就可以与空气均匀混合，因此CNG汽车热效率较高，经济性好。天然气（NG）目前售价低于汽油柴油价格的70%，在北方地区价格优势尤其明显是汽油柴油价格的30%左右（为1.6元/立方米4.6元/ 立方米之间）。根据改装天然气汽车实际使用的对比情况1.11.2立方天然气可等同1L汽油或柴油。节约比例在50%左右，因此具有显著的经济效益，也是目前汽车油改气的主要原因。（天然气的低热值高于汽油和柴油，天然气的低热值为50050kJ/kg,汽油的低热值为44000 kJ/kg，柴油的低热值为42500 kJ/kg，按照质量计算天然气的空燃比为16.7：1，按照体积计算天然气的空燃比为10：1，由于天然气是以气态进入进气道，占据了一部分空气体积，其充气效率低于汽油和柴油发动机，天然气燃烧所占的曲轴转角也大于汽油柴油，因此在不改变原发动结构下改装成天然气汽车，动力下降在15%左右。）天然气汽车（NGV）与燃油汽车相比较，汽车尾气中一氧化碳减少97%，碳氢化合物减少72%，二氧化碳减少90%，噪音减少40%，苯、铅粉尘等减少100%。因其显著的环保优势，NGV汽车又被称为“绿色汽车”。是 国际上公认的交通领域节能减排的重要途径之一。2、车用天然气的分类2.1 压缩天然气（CNG）是以压缩状态储存的天然气。压缩天然气与管道天然气的组分相同,主要成分为甲烷（CH4），是经加气站由压缩机加压后，压到20至25Mpa，再经过高压深度脱水，充装进入高压钢瓶组槽车储存。我国车用压缩天然气（CNG）的额定压力为20Mpa。水露点为在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，水露点不应高于-13；当最低气温低于-8，水露点应比最低气温低5。2.2 液化天然气（LNG） 是以液态储存的天然气。是将天然气采用深冷技术，冷却到-162，在常压下成为液态。工作压力为小于1.59Mpa大于0.65Mpa，工作温度为-162。在生产过程中，非烃类组分及一些非甲烷烃类通常都要被除去。LNG燃料基本都是纯质烷烃，主要是甲烷和乙烷，其组分比CNG的组分更纯净，其中甲烷含量进一步提高，达到96%以上。LNG储存压力只有1.6Mpa,相比于CNG的20Mpa储存压力其安全性较好。3、天然气汽车（NGV）天然气汽车是以天然气为燃料的一种气体燃料汽车。天然气被世界公认为是最为现实和技术上比较成熟的车用汽油、柴油的代用燃料。目前运用最多的是压缩天然气汽车（CNGV）和液化天然气汽车（LNGV）。其中CNG汽车天然气储存量较少，续航里程较短比较适合城市出租车、公交车和加气站较多的地区车辆；LNG汽车一次性储气量大可达上百方天然气，汽车续航里程长,目前国外大型LNG货车一次加气可连续行驶1000-1300KM，非常适合长途客货运输的需要。国内LNG汽车使用的储罐容量为水容积450升左右，加满后折合天然气约270标准方，载重情况下也可行驶400公里以上，突破了CNG汽车的限制性。天然气汽车按能够用的燃料数量和形式可分为：单一天然气汽车、天然气/汽油两用燃料汽车、天然气/柴油混合燃料汽车。单一天然气汽车只使用天然气作为发动机燃料，此种汽车的发动机根据天然气的特性进行专门设计，其热效率、经济性比较好。相比于双燃料车，其扭矩、功率等各方面指标都要好。天然气/汽油两用燃料汽车，具有两套燃料供给系统（其中一种用于供气），在使用过程中可以在两种燃料间灵活切换。此种汽车发动机一般都在汽油发动机基础上加装天然气供给系统和燃气控制系统改装而成，由于发动机需要兼顾两种燃料的特性，在燃用天然气时功率和扭矩都有一定的衰减。天然气/柴油混合燃料汽车，是在柴油发动机的基础上加装天然气供给系统和燃气控制系统改装而来，使用天然气与柴油混合燃烧，采用压燃的方式。此种汽车以天然气为主要燃料，柴油作为辅助燃料起引燃作用，但也可以单独以柴油作为燃料，并能在柴油和混合燃料间灵活切换。4、天然气汽车改装 天然气汽车改装，是指根据国家有关法规的要求把原本燃用汽油或柴油的汽车改装成油气两用车或单一天然气汽车。目前天然气/柴油双燃料车技术还不够成熟处于研发阶段（但市场前景广阔），所以在用车辆改装后通常都为：天然气/汽油双燃料车和单一天然气汽车（汽油车一般改装为油气两用双燃料车，柴油车常改装为天然气单燃料车）。4.1 压缩天然气（CNG）汽车改装目前CNG汽车技术成熟，在天然气汽车整车制造和汽车改装上都应用广泛。CNG汽车是将天然气压缩储存于高压气瓶内，然后通过减压器减压，再通过燃气控制装置将天然气通过喷气嘴喷入气缸（与汽油机电控喷射系统原理接近）或者通过混合器形成可燃混合气，在发动机进气行程时吸入气缸（与汽油机化油器原理接近），从而天然气在气缸内燃烧推动活塞作功。压缩天然气（CNG）汽车燃料供给系统通常包括：天然气气瓶、减压调压器、各类阀门和管件、天然气喷射装置（或者机械式混合器）、各类电控装置等。天然气储气钢瓶的瓶口处安装有易熔塞和爆破片两种保险装置，当气瓶温度超过100或压力超过26MPa时，保险装置会自动破裂卸压；减压阀上设有安全阀；气瓶及高压管线安装时，均有防震胶垫，卡固牢固，因此在使用中是安全可靠。4.1.1 简单混合器开环控制油气两用系统开环系统又称为单点控制系统，由减压器、电喷模拟调节器（仿真器）、转换开关、控制线路、功率阀、混合器等组成。天然气经三级减压后，通过混合器与空气混合进入气缸，压缩天然气由额定进气压力20MPa减为负压，其真空度为4969kPa。减压阀与混合器配合可满足发动机不同工况下混合气的浓度要求。（化油器车将仿真器换为汽油电磁阀，此种改装方案由于技术简单难以达到各方面需求，虽然其故障率底，但是汽车动力性和经济性较差，所以已逐步被市场淘汰或升级改装为天然气多点喷射系统。）4.1.1.1 开环控制系统汽油转换CNG控制 使用汽油时，如果需要将燃料转换到CNG，将油/气转换开关从汽油位置转换到CNG位置，此时电喷模拟调节器控制汽油喷嘴处于关闭状态，汽油电动泵停止工作，CNG电磁截止阀被打开，CNG被供给至发动机，从而完成了从汽油至CNG的燃料转换。在发动机起动时，不管油/气转换开关在什么位置，都是汽油起动，转速降到预定转速时再自动或者手动转到燃气状态。4.1.1.2 开环控制系统装置工作原理图如下4.1.2 多点顺序喷射闭环控制油气两用系统4.1.2.1 多点顺序喷射汽油/CNG两用系统原理简介目前多点顺序喷射闭环控制汽油/CNG两用系统大部分为主从式控制系统。系统工作时，燃气ECU以原车汽油ECU的喷油信号为基础输入信号作为最主要的控制喷气量的参数，经发动机水温、进气温度/压力、燃气温度 /燃气压力等参数校正后，确定该时刻的喷气时间，通过高精度燃气喷嘴向相应的发动机气缸供气，并通过氧传感器信号实现闭环控制。发动机使用汽油进行起动。当发动机运行且转换开关置于燃气位置时，燃气ECU将自动检测已存储其内部的转换条件。当发动机水温，转速等条件满足，ECU将高压管路上的电磁阀打开，高压CNG气体从CNG气瓶进入减压器，减压器将高压气体减压到大约高于进气歧管压力230kPa后输出，然后经低压燃气过滤器进入气轨，再通过气轨分配到喷嘴。当系统以燃气运行时，须读取每缸汽油喷射信号，并屏蔽汽油喷射信号，驱动燃气喷嘴工作。燃气ECU根据测量的汽油喷射脉宽，“转换”成相当的燃气喷射脉宽，并控制燃气喷嘴进行喷射。4.1.2.1 多点顺序喷射汽油/CNG两用系统控制原理图1.气瓶 2.高压管路 3.水温传感器 4.氧传感器 5.汽油ECU 6.进气温度压力器 7.燃气ECU 8.气量显示开关 9.充气阀 10 压力表 11. 过滤器 12.低压胶管 13.燃气气轨（喷嘴） 14.减压器总成 15.管路三通 16.转速传感器高压气体存储于高压气瓶内，经气瓶阀进入高压路（如上图红色管路），在高压管路上安装了压力表和充气阀，ECU控制高压管路上的电磁阀将高压气体放入减压器，高压气体经减压器减压后形成压力较稳定的低压气体（绿色管路），因气体中可能含有杂质，油污等，所以在减压器和燃气气轨之间安装了过滤器， 低压气体经受ECU控制的燃气喷嘴进入各缸进气歧管，在各缸进气歧管靠近气门处形成混合气。混合气在发动机进气冲程被吸入气缸内燃烧。4.1.2.1 多点顺序喷射汽油/CNG两用系统的优越性1）可用于目前所有在用汽油车辆的油气两用化改装。也是目前整车制造厂和改装厂应用最为广泛的技术。2）系统在软件设计上引入了喷射压力、发动机水温、进气温度/压力、燃气温度 /燃气压力、等修正，以实现对燃气喷射的精确控制。3）不需要对原汽油发动机控制系统以及机械结构进行大量改变，只需加装燃气ECU控制系统和获取原汽油ECU信号即可，操作方便快捷。4）由于系统采用了进气道多点顺序喷射的结构形式，因此改装后的汽车各方面指标都优越于混合器开环控制油气两用系统改装的车辆，具有较好的动力性和经济性。4.1.3柴油车改单一天然气燃料车4.1.3.1柴油车改单一天然气燃料车原理简介柴油车改单一天然气燃料车，其发动机结构都要在原柴油机的基础上针对天然气的特性而改进设计，以保证气体燃料能被有效利用，确保发动机改装后的动力性和经济性。由于是以现有柴油发动机改天然气发动机，基于柴油机原型并根据天然气有别于柴油和汽油的燃烧特性，主要做如下改进设计：（1） 优化进排气系统（2） 优化活塞改变压缩比（压缩比降至12：1）（3） 去掉喷油系统（4） 增加点火系（5） 增加燃气多点顺序喷射闭环控制系统 （6） 增加天然气供给系统保证改后发动机的可靠性、动力性和经济性以及节约改装成本是改装的第一目标。由于发动机机械结构改变较大，因此柴油车改单一燃料天然气汽车技术要求和改装费用也相对较高。4.1.3.2柴油车改单一天然气燃料车案例现以493柴油发动机（五十铃4JB1）改天然气发动机，燃气控制系统采用MT20U2德尔福系统为例： 1）发动机机械结构部分改进 因为天然气与柴油、汽油几种燃料在理化特性上区别较大，发动机改为以天然气为燃料时容易引起活塞、活塞环、气门、气缸、气缸壁的腐蚀与磨损，发动机水温过高，使发动机动力下降，使用寿命缩短。 为解决上述问题，在发动机需要专门针对天然气对发动机零部件重新进行了设计，优化原柴油发动机部分零部件，使其更适应天然气的燃烧特性，达到了以天然气为燃料的发动机要求。 改进的重要零部件有：活塞、活塞环、缸套、进排气门、缸盖、进排气歧管、齿轮室和齿轮室盖等（可根据具体情况进行选择性改进）。为降低发动机水温，对发动机整个冷却水循环系统进行优化，主要对冷却水管的布置走向进行改进。还需要加装节气门控制进气量，以满足发动机各工况要求。2）发动机电控燃气部分 改装后的发动机采用德尔福电控燃气多点喷射系统（与汽油发动机多点喷射控制系统比较接近）。下图为电控系统结构示意图。主要包括电控单元（ECU）、电子执行机构和各种传感器。1.气瓶 2.高压管路 3.水温传感器 4.氧传感器 5.节气门（含步进电机和节气门位置传感器） 6.进气温度压力器 7.燃气ECU 8.气量显示开关 9.充气阀 10 .压力表 11. 过滤器 12.低压胶管 13.燃气气轨（喷嘴） 14.减压器总成（含电磁阀）15.管路三通 16.转速传感器 17.点火线圈经改进后的发动机燃气系统工作原理如上图所示：20Mpa高压燃气从CNG气瓶通过电磁阀后进入减压器。减压器将高压气体减压到大约高于进气歧管压力220kPa的压力；低压燃气经过低压过滤器进入气轨，而后通过气轨分配到喷嘴；根据发动机的工况，燃气ECU控制喷嘴在发动机的进气门处喷入所需的燃气量。 电控系统采集、处理传感器得到的各种发动机工况信号，并通过运算，确定发动机在不同转速、负荷、温度等工况下的天然气喷射量，向执行器按照喷射正时输出控制脉冲信号，控制喷射的整个工作过程。同时确定各缸点火时刻，实现准确点火。为了保证发动机在最优状态下工作，ECU根据各传感器信号实时修正天然气喷射量和点火提前角，实现燃气多点顺序喷射。发动机运行的同时故障诊断模块实时监测各个系统的工作情况，当出现故障时发动机将被转换到安全模式运行或停机。 采用电控燃气喷射系统可使改装后的发动机在理想的工况下运行，同时达到动力性和经济性的完美结合，也是延长天然气发动机寿命减少维修费用的重要手段。4.1.4 CNG供气管路主要部件配置简介气瓶CNG气瓶是压缩天然气汽车的主要部件之一。气瓶的生产由严格的标准控制。CNG车用气瓶可以分为四类：第一类气瓶是全金属气瓶，材料是多为钢；第二类气瓶采用金属内衬，外面用纤维环状缠绕；第三类气瓶采用薄金属内衬，外面用纤维完全缠绕；第四类气瓶完全是由非金属材料制成，例如玻璃纤维和碳纤维。气瓶阀气瓶阀是安装在气瓶上最重要的零部件，作用是为保证高压气瓶的内高压气体的安全储存和高压气体的安全使用，其限流装置可以避免大量漏气的危险，通过过热保护熔断丝，在气瓶在高温环境中自动泄压放气，通过过压保护阀会自动泄压确保气瓶安全。加气阀 产品特性：最大工作压力：260 bar;工作温度：-40120;NGV-1结构、新西兰结构（插销式） 功能原理：加气阀是用于给系统加气的接口，NGV-1结构的充气阀一般带有单向阀，插销式充气阀一般带有一个手动阀。 失效模式和判定：O型密封圈失效;加气阀进口堵塞;阀体损坏。压力表 产品特性：工作温度：-40120;工作压力：0 - 20MPa;传感器工作电压：12V DC传感器输出特性：压力(MPa)输出电压(V)（Wika）输出电压(V)（STYB）00.5120.6940.8661.0281.21101.40121.59141.82162.02182.20202.44 功能原理：气瓶压力表安装在连接在系统的高压管路上，主要功能是方便在发动机停机和检修时可以让操作者知道管路上是否有高压气体，也可作为加气站人员的检查气量的依据。同时在压力表有安装有气量传感器，向ECU提供气量信号或向仪表气量指示器提供电压信号。 故障模式和判定：压力表泄露；传感器损坏；传感器接插件损坏；压力表高压气道堵塞。高压管路和管路接头 产品特性：工作温度：-40120;工作压力：0-20Mpa;接头螺纹：M12X1 功能原理：高压管路采用的是高压无缝钢管，管路接头采用卡套和卡套螺栓。用于连接系统中高压零部件。 失效模式：高压管路破裂;高压管路弯度过大;高压管路堵塞;接头处漏气减压器总成 产品特性：输入压力：1 MPa - 25MPa输出压力：230 kPa5kPa（相对参考压力）工作温度：-40125电磁阀的工作电压：12V DC 功能原理：减压器是汽车燃气系统中的关键部件之一，它将储气瓶中的高压气体(20Mpa)降压，转变成一定压力的低压气体输出，供给燃气喷嘴。为了使燃气喷嘴的喷射压力恒定，在减压器上引入进气管压力作为参考压力，使减压器的输出压力与进气管内压力连动变化，保持压力差不变。减压器在一定的流量范围内，其输出压力应不随流量的增加而有较大的变化，以满足在发动机的所有工况下，喷射压力的稳定。天然气在降压的过程中，会吸收热量，由于天然气中含有一定的水分，如不对其进行加热，可能会结冰堵塞管道，因此，减压器必须具有加热渠道，用发动机冷却液对其加热。 故障模式：滤芯堵塞;电磁阀打开/关闭失效;O型圈密封失效;外部/内部气体泄漏失效;气体通道堵塞失效;减压膜片破裂失效过滤器 产器特性：最大工作压力：450kPa;工作温度：-40120 功能原理：过滤器安装于减压器和燃气喷嘴气轨总成之间，主要用于过滤气体中的固体杂质。 故障模式：外部/内部气体泄漏失效；过滤器芯堵塞；传感器损坏。燃气气轨（喷嘴） 产品特性：驱动类型：峰值保持型;最大工作压力： 392kPa;工作温度：-30120;典型工作电压（范围）：14V（6.3 16V）;工作电流（峰值/保持/最大值）：4A/1.5A/6A ;适用燃料：CNG，LPG，氢燃料 功能原理：喷嘴的内部有一组电磁阀中心是铁芯和密封的阀座，阀座在处于其正上方的弹簧的作用下保持关闭状态，当电磁交阀有电流通过时，产生磁场，铁心在磁力作用下克服弹簧压力和气体力的压力差，迅速提升阀座从而打开喷嘴供气，当磁场消失时喷嘴在弹簧和气体压差作用下关闭喷嘴，所以ECU可以通过控制喷嘴保持打开的时间可以精确控制喷气量。 喷嘴喷出的天然气质量与其开起的时间成线性关系。 故障模式：喷嘴进气道堵塞；O型圈密封圈失效；喷嘴线圈烧坏；喷嘴漏气。4.2 液化天然气（LNG）汽车改装4.2.1目前LNG汽车技术主要应用于长途客货运车辆以及城市公交和重型汽车，也属于国家863计划。LNG汽车与CNG汽车电控部分原理相同，其区别主要在于燃料供给系统，下图为LNG储气瓶外形图：车用LNG气瓶技术参数为：计算压力3.18MPa、工作压力1.59MPa、设计温度-196、工作温度-162,充装系数0.9,主体材料为0Cr18Ni9(304),瓶上设有一、二级安全阀、进出液口、限流阀、气相口、电容液位计、压力表和瓶内压力自动调节。气瓶安装位置：对于客车，一般有安装于车身后上部或侧面；卡车可横装，也装在大梁两侧。车用LNG供气系统包括专用车载低温绝热瓶、充装接口、安全限流装置、LNG汽化器、稳压器、压力显示等装置组成,系统简图如下:LNG由储气瓶限流阀经汽化器汽化成气态天然并升温（温度可升至常温），再经调压阀（出口压力可根据实际情况设定，若使用电控燃气多点喷射系统压力必需设定在减压阀可开启的压力，一般设定为1Mpa）,然后再经缓冲罐、减压阀、燃气过滤器，最后由气轨/喷气嘴喷入发动机。4.2.2 LNG供气管路主要部件配置简介1）调压阀工作温度为-196+120,调压范围0.21.6MPa,公称通径依据发动机流量用气要求选定,出口压力可依据发动机要求设定。2）充装接口为使液化天然气汽车加气方便快捷、安全可靠，研发了一种快速充装接头，也是国内标准接头，其技术参数：公称压力PN4.0MPa,公称通径DN25mm，温度为-196+80。 3）汽化器汽化器简图l 最大工作压力（液化天然气）：2.2MPa(320psig)；l 最大冷却水压力：0.4MPa (60psig)；l 最大气化量:依据发动机用气量确定 ；l 材料：不锈钢；l 冷却液：温度不低于70C，Cl含量不大于25PPm；4）加气面板 加气面板上安装有充气接口、回气接口及显示气瓶内压力的压力表,详见加气面板简图。加气面板简图5）管道配置出液管为141.5不锈钢管(304),承压大于2.5MPa;进发动机管为DN15PN2.5不锈钢软管(304),充液管为DN20PN2.5不锈钢软管(304),回气管为DN10PN2.5不锈钢软管(304)。管道支架采用聚乙烯管衬作为管道支撑,支架放置处一定要注意允许管道的热膨胀和收缩。邵传刚2011年10月25日星期二21