车用天然气应用技术

内容提要：
　　 本文系统介绍了车用天然气（NGY）存储技术以及压缩天然气（CNG）汽车改造技术，并就加气站的设置进行了简要分析。
1 前 言

　　天然气以其有害污染物少、安全可靠性高、抗爆震性能好、使用成本低以及能延长汽车代用燃料。近年来，随着汽车燃料供需矛盾以及尾气污染对生态环境危害的加剧，发展天然气代用燃料汽车已成为世界各国解决能源和生态环境问题重要途径。
2 车用天然气（NGV）存储技术

　　作为车用燃料在保证环保、经济性的同时，还应本着优化配置燃料储备、降低车辆无效载重以及充分利用车辆空间等因素，确定其储存方式存量。NGV燃料存储技术在此按压力分为：压力储存和常压储存。

2．1 压力储存

2．1．1 压缩天然气（CNG）技术
　　 该技术利用气体可压缩我，将常规天然气旋以高压进行储存，其存储压力通常为15MPa－25MPa，如在25MPa情况下，天然气可压缩至原来体积的1／300，大大降低了储存容积，但由于储存压力的增大也为CNG技术中的关键设备――储气瓶提出了更高要求。
　　 目前储气瓶多采用或同类高强度合金结构钢制造，重量重。如以大巴为例，按使用汽、柴油每行驶300km为一个燃料添加周期换算，通常需配备约6只501的储气钢瓶，采用国产钢瓶其总重约360kg，而满容量时的燃料重量仅为钢瓶重量的1／6。为减轻车辆无效载重，可考虑通过优化确定燃料添加周期（如按滞当地同类用气车辆平均日行里程数确定）、气瓶储气力、储气容积并综合考虑加气站的合理设置等因加以缓解。
为从根本上解决高压储气瓶所带来的车辆空间利用率低以及无效载重过大等问题，国外作了大量探索。储气瓶形状的优化在兼顾改善容器受力情况，减小容器壁厚，减轻重量的同时，旨在充分、合理利用车辆有限空间；储气瓶材质的改良（如铝合金复合材料、炭素材料等的研究及应用）则在解决钢瓶内外壁腐蚀等潜在危险因素的同时，亦为减轻储气容器重量, 更好地满足使用要求。理论上，NGY储气瓶在一定储气压力下，单位容积重量是衡量其优劣的一个重要指标。经统计，国产储气瓶的单位容积重量一般在1kg以上，进口薄壁钢瓶为0.8kg左右，而侣合金储气瓶的单位容积重量可降低至0.6kg以下，炭素材料气瓶则更低。相信在不久的将来，随着科技发展，CNG存储技术会更大提高。

2．1．2 吸附天然气（ANG）技术
　　 ANG技术是利用一些诸如活性炭等多孔性固体物质对气体的吸附特性进行储气。由于这种新型的储气方式也要求在一定的压力作用下（通常为3Mpa-4MPa）方能最大限度地提高气体附量（如在储存压力为3.5 MPa时，理论储气量可达其容积体积的150倍），因此从一定意义上讲，该储存方式同属压力储存。但由于储存压力较CNG大为降低，因此容器重量相应减轻，安全性相对提高。当储气容器的改良同样是减轻车辆无效载重、提高空间利率、减缓容器内外壁腐蚀等部题的最根本方法。目前该技术的关键部分：吸附剂以及热能储存器的开发已有了较大进展。

2．2 常压储存

2．2．1 低压气囊储气技术
　　 该储气方式早在50年代已在我国四川等地加以应用，但由于燃料利用率低、使用寿命短、改装费用较高并与城市形象不相符等缺点，已难以在现代化城市中继续使用。

2．2．2 液化天然气（LNG）技术
　　 LNG存储技术是将天然气冷冻至沸点－162C以下，在饱和蒸汽压接近常压的情况下进行储存,其储存容积可减小约600倍。由此可见在一定储气量要求下，LNG需压力储存容器，单从这方面考虑，LNG自然是天然气燃料储备的最理想的方式，但作为车用燃料又带来了昭燃料冷冻／添加、车辆燃料供应以及安全使用等方面的一系列技术问题，同时亦会导致车辆制改费用的大大提高，目前该技术下处于开发研制阶段。
鉴于NGV存储技术中，CNG技术已较为成熟且易于推广，以下将重点介绍CNG汽车应用技术。
3 CNG燃料供给系统

　　CNG汽车燃料供给系统如图1所示：该系统除燃料储存装置（储气瓶）及发动机外主要包括：加气边接装置；气流控制阀压
　　 测定及显示装置；调压装置；空气混合装置；安全保护装置以及燃料输送及连接管件等，对于两用燃料汽车设有燃料转换装置。NGY燃料8供应系统装置除反应灵敏、安全可靠外，还应满足体积小、重量轻、安装使用维护方便等要求。
作为系统中的关键设备调压器及混合器，国内已研制成功并且摸索出一整套匹配参数。
4 CNG汽车发动机改造技术
4．1 两用燃料发动机改造技术
　　 该类型发动机是在原有发动机基础上增设了天1然气燃料供应系统，发动机本身结构参数未作改动，仍按汽、柴油等液体燃料设计。
　　 由于天然气燃料辛烷值高，与空气混合较均匀，且与空气有较高的压缩比，因此发动机燃用该气体燃料时燃烧迅速、充分、无爆震现象、热能利用率高，从而使发动机的燃烧善得到极大改善，不减少了废气排放，而且减少了零部件磨\ 以及润滑油损耗，使发动机寿命大大延长。但由于发动机结构参数的制约，致使发动机动力性能有所下降，下降幅度为10％－20％，其原因主要在于单位时间内输入发动机的燃料热量较汽柴油少，通过适当增大发动机压缩比，可使其动力性能得以提高，但尾气排放物也有所增加，因此两用燃料发动机的燃烧工况优化调整十分重要，有经验表明：如调整合理得当，其动力性能下降幅度可控制在5％左右，该幅度对于在城市内行驶的车辆来说是可以接受的。但作为两用燃料汽车如何调整发动机使其达到对两种燃料都能适应的最佳工况，尚需进一步优化。当然该技术是一种燃料改良过渡阶段的中间产物，想念随着优质能源的逐步普及以及科学技术的不断发展，会真正实现向单燃料专用型发动机过渡。

4．2 单燃料专用型发动机
　　 该种发动机以天然气为单一燃料，是在充分发挥天然气特性的基础上对发动机自身结构进行了针对性改造，使得其整体性能得以大大提高。诸如John Deere8.11 、6.81以及Cummisns5.91等天然单燃料发动机的动力性能丝0毫不逊色于相应的汽油或柴油发动机，我国一汽、东风等大型汽车生产厂目前也手研制此类发动机。
单燃料专用发动机汽车可说是真正意义上的"绿色环保汽车"，但要使其得以应用、推广，加气站的合理有效设置至关重要。
5 CNG加气站

　　按天然气燃料输送到站方式，笔者将CNG加气站划分为：独立加气站和管道系统加气站两种形式。
独立加气站系指NGV燃料来源为车辆运输，即通过运输车辆将天然气由气源产地或气源储备站运至加气站，再由加气站向用气车辆供应的加气方式。由于该形式加气站不受输气管道的制约，具有机动、灵活等特点，可较好地缓解建设初期城市的NGV供需矛盾。管道系统加气站，顾名思意其NGV燃料来源方式为管道输送，它与输气管道边为一体，通过站内压缩机直按将来自输气管道的天然气加压充入用气车辆或站内高压储气瓶。有关加气站工艺系统参见图2。
独立加气站与管道系统加气站尽管来料方式不同，但设备配置基本相，主要有：压缩机，储气钢瓶，加气机以及各种阀门，安全控制装置等，另外为了控制天然气因减压所造成的节流温降，除在工艺上采取逐级降压办法的同时，还需配备加热升温装置，由此可见独立加气站的系统转化方便，易行。
　　 作为城市基础配套设施之一的加气站，要满足城市内流动频繁且遍布各个角落的车辆用气需求，点多、面广是其具务的明显特点。由于车辆运输与道路交通、车辆运行状况等外部随机因素密切相关，并且受到运量、运距以及工艺处理措施等因素的制约，独立加气站在安全性、供气稳定性、系统性以及运行成本等方面存在着诸多问题，因此该形式不适合在城市长期运作。要解决谤些阻碍天然所气汽车发展?quot;瓶颈问题"，加气站与城市管道的并风系统化不失为一个极好方案，这样有仅可优化、平衡城市用气，并且易于实现加气站的多元化发展，如何建立家用加气站、车用燃料综合添加站等各种模式的中小型加气站