天然气汽车概述(ppt 59页).pptx

第二章第二章 天然气汽车天然气汽车(NGV)第一节第一节 概概 述述一、天然气汽车发展概况一、天然气汽车发展概况诞生：诞生：20世纪世纪30年代，意大利年代，意大利(贫油富气贫油富气)推出天然气汽车推出天然气汽车 7080年代年代：（较快发展）（较快发展）79年，新西兰的年，新西兰的NGV获得较快发展获得较快发展 82年，加拿大开始发展年，加拿大开始发展NGV 84年，福特推出单燃料年，福特推出单燃料NGV 86年，我国四川建成第一个加气站年，我国四川建成第一个加气站90年代后年代后：（快速发展）（快速发展）94年，欧洲成立天然气汽车协会（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年，我国实施清洁能源行动计划 目前，世界目前，世界NGV已超过已超过100万辆，天然气加气站超过万辆，天然气加气站超过3000座。座。1997年世界天然气汽车和加气站统计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二、我国天然气汽车发展现状截至截至2004年底，我国燃气汽车保有量为年底，我国燃气汽车保有量为21.5万量，万量，19个个重点推广应用城市（地区），加气站数量达重点推广应用城市（地区），加气站数量达712座。座。我国燃气汽车历年数据统计（单位：万辆）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）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）：个清洁汽车重点推广应用城市（地区）：北京市、上海北京市、上海市、天津市、重庆市、四川省、海南省、西安市、乌鲁木市、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、天然气的类型三、天然气的类型1、压缩天然气（、压缩天然气（CNG）储存压力高于大气压力的气态天然气。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汽车上储带压力约为20MPa目前主要的储带方式目前主要的储带方式2、常压天然气（、常压天然气（NNG）携带量少，不安全携带量少，不安全一般不采用一般不采用3、液化天然气（、液化天然气（LNG）超低温超低温-161.5以下变为液态，体积减小以下变为液态，体积减小1/625正迅正迅 速发展的储带方法速发展的储带方法4、吸附天然气（、吸附天然气（ANG）在在3.56MPa下储存在吸附剂（活性炭）中下储存在吸附剂（活性炭）中 1g活性炭可吸附活性炭可吸附17g甲烷（甲烷（1m3活性炭可吸附活性炭可吸附170m3 甲烷）甲烷）正在发展正在发展四、天然气汽车的类型四、天然气汽车的类型1、按储带的压力和形态分、按储带的压力和形态分压缩天然气汽车（压缩天然气汽车（CNGV）：一般以）：一般以20MPa的压力储带天的压力储带天 然气。工作时，经过降压、然气。工作时，经过降压、计量、混合后进入气缸计量、混合后进入气缸 是目前是目前NGV的主流的主流常压天然气汽车（常压天然气汽车（NNGV）：已淘汰）：已淘汰液化天然气汽车（液化天然气汽车（LNGV）：工作时，经过升温、汽化、）：工作时，经过升温、汽化、计量和混合后进入气缸计量和混合后进入气缸吸附天然气汽车（吸附天然气汽车（ANGV）：工作时，经降压、计量和混）：工作时，经降压、计量和混 合后进入气缸合后进入气缸2、按燃料的组成与应用分、按燃料的组成与应用分纯天然气汽车：纯天然气汽车：使用单一天然气燃料，点燃。压缩比高使用单一天然气燃料，点燃。压缩比高NG-汽油两用燃料汽车：汽油两用燃料汽车：交替使用这两种燃料。由汽油机交替使用这两种燃料。由汽油机 改造。改造。NG-柴油双燃料汽车：柴油双燃料汽车：由柴油引燃，可降低微粒排放由柴油引燃，可降低微粒排放3、按天然气供给方式分、按天然气供给方式分机械控制式天然气汽车机械控制式天然气汽车：机械控制天然气：机械控制天然气机电控制天然气汽车机电控制天然气汽车电控天然气汽车电控天然气汽车4、按、按NG供给方式分供给方式分真空进气式天然气汽车：真空进气式天然气汽车：以真空管真空引入天然气以真空管真空引入天然气喷射式天然气汽车：喷射式天然气汽车：以一定压力喷入气缸或进气管以一定压力喷入气缸或进气管第二节第二节 车用天然气的物化特性车用天然气的物化特性一、车用天然气的成分一、车用天然气的成分 车用天然气的主要成分是甲烷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，要进行天然气进入加气站在压缩前和后，要进行“三脱三脱”处理：处理：脱水脱水使含水量小于使含水量小于16mg/m3，防膨胀而结冰，防膨胀而结冰脱烃脱烃脱轻烃，使乙烷小于脱轻烃，使乙烷小于3%，防燃烧不正常，防燃烧不正常脱硫脱硫脱脱H2S，防腐蚀，防腐蚀 二、车用天然气的物化特性二、车用天然气的物化特性 1、天然气的密度、天然气的密度 约约0.78Kg/m3（常温常压下），相对于空气的（常温常压下），相对于空气的60%2、热值、热值 分子中含分子中含C和和H原子数越多，燃烧后产生的能量越多原子数越多，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烷混合气热值比汽油低10%。3、沸点、沸点 -161.5，低于此温度变成液态，故难于液态储存。，低于此温度变成液态，故难于液态储存。4、颜色、味道和毒性、颜色、味道和毒性 无色、无味、无毒，为安全加入加臭剂无色、无味、无毒，为安全加入加臭剂5、混合气着火界限、混合气着火界限 5%15%，对应过量空气系数，对应过量空气系数0.61.8，较宽，可采用稀薄燃烧，较宽，可采用稀薄燃烧技术技术 6、自然温度、自然温度 630730，而汽油为，而汽油为220471 ，故不易压燃，故不易压燃7、辛烷值、辛烷值 一般一般MON为：为：115130，抗暴性优于汽油，可采用高压缩比的，抗暴性优于汽油，可采用高压缩比的发动机。发动机。下表为天然气、汽油、柴油物化特性比较：下表为天然气、汽油、柴油物化特性比较：三、车用天然气的特点三、车用天然气的特点 1、清洁、清洁 含含S量少，完全燃烧后量少，完全燃烧后CO、HC的排量下降，微粒大的排量下降，微粒大 幅度下降，幅度下降，NOx少（天然气火焰温度低）。少（天然气火焰温度低）。2、使用特性好、使用特性好 冷起动性能好，不含胶质，不产生积碳，发动机寿命冷起动性能好，不含胶质，不产生积碳，发动机寿命长长3、抗暴性好、抗暴性好辛烷值约为辛烷值约为130，可增大压缩比和，可增大压缩比和BTDC4、具有姣好的安全性、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）密度小，点燃温度高（不易形成可燃混合气）5、储带性差、储带性差6、动力性下降、动力性下降 气态气态充气不足（比液体燃料少充气不足（比液体燃料少10%）混合气热值混合气热值下降下降动力性下降动力性下降四、车用天然气的燃烧特性四、车用天然气的燃烧特性 1、混合气热值下降、混合气热值下降 天然气混合气热值为天然气混合气热值为2.76MJ/Kg；(NG热值约为热值约为50MJ/Kg)汽油混合气热值为：汽油混合气热值为：2.8MJ/Kg；(汽油热值约为汽油热值约为44MJ/Kg)2、充量系数减小、充量系数减小进气量减少进气量减少1/103、发动机热效率下降、发动机热效率下降火焰传播速度慢，传热损失大火焰传播速度慢，传热损失大4、燃烧前后摩尔数的变化、燃烧前后摩尔数的变化 CH4+2O2+8N2CO2+2H2O+8N2 天然气燃烧前、后摩尔数没有变化天然气燃烧前、后摩尔数没有变化对于汽油机，以庚烷为例：对于汽油机，以庚烷为例：C7H16+11O2+44N27CO2+8H2O+44N2 其摩尔数由其摩尔数由56增加到增加到59 故：故：天然气使发动机输出功率降低天然气使发动机输出功率降低(与汽油机比约低与汽油机比约低15%)第三节第三节 CNGV的燃料供给系统及总体布置的燃料供给系统及总体布置一、一、CNGVCNGV燃料供给系统燃料供给系统作用：根据不同工况，调节空燃比，并提供合适混合气量作用：根据不同工况，调节空燃比，并提供合适混合气量组成：组成：储气系统储气系统充气装置、储气瓶、气压表、截止阀等充气装置、储气瓶、气压表、截止阀等 供给系统供给系统过滤器、减压调节器、混合器、等过滤器、减压调节器、混合器、等 燃料转换系统燃料转换系统（两用燃料）（两用燃料）转换开关、截止阀等转换开关、截止阀等结构：结构：纯天然气供给系统纯天然气供给系统 天然气天然气/汽油两用燃料供给系统汽油两用燃料供给系统 纯天然气供给系统纯天然气供给系统天然气天然气/汽油两用燃料供给系统汽油两用燃料供给系统一、一、CNGVCNGV燃料供给系统的总体布置燃料供给系统的总体布置要求：要求：1、储气瓶、储气瓶安装在安全部位，行李箱、车架旁梁下等安装在安全部位，行李箱、车架旁梁下等2、高压管线、高压管线安装牢固、防泄漏等安装牢固、防泄漏等3、减压器、减压器安装位置振动小、远离排气管等热源安装位置振动小、远离排气管等热源压缩比提高到压缩比提高到10:1，采用白金电线和镀镍火花塞。气门采用优质耐，采用白金电线和镀镍火花塞。气门采用优质耐磨材料，充气时间为磨材料，充气时间为34min。天然气天然气/汽油两用燃料汽油两用燃料 第四节第四节 CNGV的燃料供给系统的类型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第三代：电子控制天然气喷射系统一、一、机械控制混合气供给系统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：储气瓶内天然气原理：储气瓶内天然气减压器减压器混合气混合气进气管进气管混合器类型：混合器类型：文丘管式混合器文丘管式混合器与化油器喉管相似与化油器喉管相似 IMPCO型混合器型混合器 二、电子控制混合器供给系统二、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。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公司的比例调节式（膜片式）混合器闭环控制系统CNG气瓶气瓶高压减压器高压减压器低压截止阀低压截止阀低压减压器低压减压器(7kPa)混合器混合器气缸气缸*ECU通过通过FCV电磁阀调节混合器浓度电磁阀调节混合器浓度三、电子控制天然气喷射系统三、电子控制天然气喷射系统1、电控单点喷射系统、电控单点喷射系统美国福特公司美国福特公司GFI型型CNG系统系统CNG气瓶气瓶(20MPa)减压器减压器(0.69MPa)磁阀组磁阀组(ECU控制控制 喷嘴喷嘴进气总管进气总管沃尔沃沃尔沃THG103低排放低排放CNG稀燃发动机稀燃发动机A/F:正常工况为正常工况为22:126:1；怠速为怠速为20:1CNG气瓶气瓶(20MPa)减压器减压器(1MPa)电磁喷射器电磁喷射器进气总管进气总管2、电控多点喷射系统、电控多点喷射系统荷兰荷兰TNO研究所的研究所的TNO系统系统多点连续喷射多点连续喷射CNG气瓶气瓶减压器减压器(0.195MPa)电磁阀电磁阀天然气分配器天然气分配器喷嘴喷嘴ECU控制步进电机使滑阀控制天然气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。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的旁通气道，通过膜片控制天然气主通道的通断。通道的通断。日本天然气汽车日本天然气汽车多点顺序喷射多点顺序喷射CNG气瓶气瓶电磁阀电磁阀两级减压器两级减压器(0.255MPa)电磁喷嘴电磁喷嘴(电控天然气喷射阀电控天然气喷射阀)吉林工业大学的天然气发动机吉林工业大学的天然气发动机缸内直喷缸内直喷喷射阀开启和关闭时间：整个压缩行程。喷射阀开启和关闭时间：整个压缩行程。喷射阀：二通常开式喷射阀：二通常开式电磁线圈断电时供气，通电时停止供气。电磁线圈断电时供气，通电时停止供气。第五节第五节 CNGV燃料供给系统的主要部件燃料供给系统的主要部件主要部件：储气瓶、阀门、减压器、混合器等主要部件：储气瓶、阀门、减压器、混合器等1 1、储气瓶、储气瓶 材料：合金钢材料：合金钢 30CrMo、35CrMo、40CrMo 铝合金铝合金 复合材料复合材料外：碳纤维或玻璃纤维，内：热塑性材料外：碳纤维或玻璃纤维，内：热塑性材料 工作压力：工作压力：16MPa或或20MPa我国车用储气瓶多为钢瓶，标准我国车用储气瓶多为钢瓶，标准 GB172581998 GB172581998结构型式：结构型式：2 2、阀门、阀门 主要包括：输出阀、主阀、充气阀、安全阀等主要包括：输出阀、主阀、充气阀、安全阀等输出阀：输出阀：装在装在CNGCNG储气瓶上储气瓶上 主阀：主阀：装在高压管路中。三通接头接压力表连接装在高压管路中。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。充气阀：单向阀，提供气源与储气瓶之间的连接通道。3 3、减压器、减压器作用：减压（作用：减压（2020MPa0.11.2MPa）分类：分类：按结构分按结构分集成式集成式单体式单体式按功能按功能单级式单级式多级式多级式要求：要求：减压至大气压左右，不受储气瓶压力影响；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；停机时，自动关闭天然气；不泄漏，有安全阀；不泄漏，有安全阀；压力可调；压力可调；能适应发动机工况变化；能适应发动机工况变化；设有加热通道，防减压霜冻。设有加热通道，防减压霜冻。集成式减压器集成式减压器两级减压器两级减压器 第一级：第一级：20MPa0.4MPa 第二级：第二级：0.4MPa0.1MPa结构与原理：结构与原理：混合器吸气产生真混合器吸气产生真空使阀门空使阀门1212打开。打开。天然气天然气经球阀经球阀8一级减压室一级减压室经阀门经阀门12 二级二级减压室减压室经量孔经量孔1 混合器。混合器。大负荷时，加浓阀大负荷时，加浓阀1313打开，额外增加打开，额外增加供气。供气。停机时，阀门停机时，阀门1212关关闭。闭。三级减压器三级减压器 天然气天然气阀阀3一级一级减压室减压室4(0.25MPa)经通孔经通孔7二级减二级减压室压室8经通孔经通孔17三级减压室三级减压室(0.178MPa)混合器。混合器。减压器内设置加温水减压器内设置加温水套。套。分体式减压器分体式减压器 由高压减压器和低压减压器由高压减压器和低压减压器高压减压器高压减压器作用：高压作用：高压中压中压 20MPA 0.51.2MPa天然气天然气过滤器过滤器1阀门阀门12 减压室减压室B出口出口混合器混合器（或喷射阀，或低压减压器）（或喷射阀，或低压减压器）。出气量增大时，压力腔出气量增大时，压力腔B B压压力下降，膜片力下降，膜片8 8下移，使阀下移，使阀1212开度增大。开度增大。调节螺杆调节螺杆4 4用于调节输出压用于调节输出压力。力。低压减压器低压减压器作用：作用：中压中压低压低压0.51.2MPa00.02MPa高压减压器高压减压器过滤过滤器器1一级阀门一级阀门3一级减压腔一级减压腔A二级阀门二级阀门8二级减压腔二级减压腔混合混合器（或喷射阀）。器（或喷射阀）。出气量增大时，膜出气量增大时，膜片片2525上移，使二级上移，使二级阀门阀门8 8开度增大。开度增大。4 4、混合器及喷射阀、混合器及喷射阀作用：天然气与空气混合，控制进气量作用：天然气与空气混合，控制进气量混合方式：进气总管混合混合方式：进气总管混合(混合器混合器)、进气歧管混合、进气歧管混合(喷射阀喷射阀)缸内混合缸内混合（喷射阀）（喷射阀）混合器混合器喷射阀喷射阀5 5、天然气过滤器、天然气过滤器天然气经进口天然气经进口过滤器毛毡和过滤器毛毡和金属滤网金属滤网电磁阀电磁阀出口出口6 6、天然气加热器、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，换热效果好循环水与天然气成逆向流动，换热效果好第六节第六节 CNG发动机动力性分析发动机动力性分析一、一、CNG发动机的类型发动机的类型 火花塞点燃：单燃料、双燃料火花塞点燃：单燃料、双燃料 柴油引燃：柴油引燃：二、二、CNG发动机动力性分析发动机动力性分析 1、对、对CNG发动机动力性有利的因素发动机动力性有利的因素 NG的辛烷值高（的辛烷值高（120）许用压缩比可为许用压缩比可为1012，理论热效率可提高，理论热效率可提高7%12%混合均匀，燃烧完全度高混合均匀，燃烧完全度高 有利于热效率的提高有利于热效率的提高2、对、对CNG发动机动力性不利的因素发动机动力性不利的因素 混合气热值低混合气热值低比汽油低比汽油低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充气效率和空气量小 采用汽油机进气系统使采用汽油机进气系统使NG充气效率下降充气效率下降16%NG占据容积大，使空气量减少占据容积大，使空气量减少 总进气量下降总进气量下降10%，动力性下降，动力性下降10%其它因素其它因素 点火提前角、空燃比点火提前角、空燃比下图为下图为CA6102汽油发动机以汽油和汽油发动机以汽油和NG为燃料的外特性对为燃料的外特性对比：比：3000r/min时，功率：汽油时，功率：汽油89.5KW，NG：65.3KW。扭矩：汽油扭矩：汽油285NM，NG207.8NM三、三、CNG发动机动力性提高措施发动机动力性提高措施 1、优化点火提前角、优化点火提前角 外特性上外特性上BTDC增加增加810度度 负荷特性上（负荷特性上（1800r/min)BTDC增加增加1014度度 优化混合器优化混合器 降低进气温度降低进气温度 采用喷射气法采用喷射气法 增压增压 大负荷优化加浓大负荷优化加浓 第七节第七节 CNG加气站加气站组成：组成：调压站调压站将将NG调至压缩进气压力，并滤清、干燥、计量和安全调至压缩进气压力，并滤清、干燥、计量和安全.NG压缩机压缩机经经4级压缩成级压缩成25MPa充气程序控制盘充气程序控制盘向高、中、低气瓶组充气，或使气瓶组按向高、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低、中、高顺序向汽车气瓶充气CNG气瓶组气瓶组高、中、低气瓶三组高、中、低气瓶三组售气机售气机向汽车充气。由流量计、计价器和顺序加气系统组成向汽车充气。由流量计、计价器和顺序加气系统组成.调压站调压站天然气天然气压缩机压缩机充气顺序充气顺序程控盘程控盘CNG气瓶组气瓶组天天然然气气管管道道25MPa25MPa售气机售气机20MPaCNG汽车汽车第八节第八节 液化天然气汽车（液化天然气汽车（LNGV）LNG的主要成分为的主要成分为液体甲烷液体甲烷，由含，由含90%以上的甲烷的天然气经脱以上的甲烷的天然气经脱水、脱烃、脱酸处理，并液化（水、脱烃、脱酸处理，并液化（-161.5)而成。而成。一、一、LNG的特性的特性 1、储运性好、储运性好液化后的体积为液化后的体积为NG的的1/625 2、更清洁、更清洁经经“三脱三脱”净化和液化，分离出重烃和杂净化和液化，分离出重烃和杂质质 3、辛烷值高，燃烧完全、辛烷值高，燃烧完全 4、液化工艺复杂，成本高、液化工艺复杂，成本高二、二、LNGV供给系统供给系统 与与CNGV工作基本相同工作基本相同 储存：储存：低压（约低压（约1MPa）、超低温（）、超低温（-161.5）、绝热、液态）、绝热、液态 使用：使用：蒸发汽化（吸热）蒸发汽化（吸热）LNGV供给系统组成：供给系统组成：LNG储罐储罐8090L的的低压容器，双层金属夹绝热材料，温度低压容器，双层金属夹绝热材料，温度 -125-161.5，压力，压力1MPa，90%液态，液态，10%气态。气态。阀门阀门压力泄放阀：压力大于压力泄放阀：压力大于1.6MPa时开启时开启 充填限制阀：防过量注入和超压充填限制阀：防过量注入和超压 截止阀：截止阀：单向阀：单向阀：自动切断阀：泄漏时关闭汽化器自动切断阀：泄漏时关闭汽化器蒸发器蒸发器汽化。带有加热器汽化。带有加热器调压器调压器混合器混合器LNGV供给系统示意图供给系统示意图三、三、LNG加气站加气站 两种加气站：单一站（两种加气站：单一站（LNG站）、混合站（站）、混合站（L-CNG站）站）组成：组成：LNG储罐储罐温度温度-176.4，置于地下，置于地下 LNG低温泵、低温泵、LNG计量和控制系统计量和控制系统第九节第九节 吸附天然气汽车（吸附天然气汽车（ANGV）简介）简介将天然气在一定压力和温度下（一般将天然气在一定压力和温度下（一般3.56.0MPa，25）储存）储存在吸附剂中。在吸附剂中。吸附剂原料：褐媒、石油焦、沥青、木质素等吸附剂原料：褐媒、石油焦、沥青、木质素等特点：特点：1、在、在3.54.0MPa，25 时，吸附剂存贮时，吸附剂存贮NG的体积比为的体积比为170190 ，与，与CNG存储体积相当。存储体积相当。2、ANGV的起动、加速性能与汽油车相当。的起动、加速性能与汽油车相当。3、经济性好于、经济性好于CNGV。4、续驶里程与、续驶里程与CNGV相当。相当。5、加气站成本为、加气站成本为CNG加气站的加气站的1/31/2.6、对储气瓶要求低，成本为、对储气瓶要求低，成本为CNG气瓶的气瓶的1/22/3