液化天然气汽车技术标准.pdf

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1、液化天然气汽车技术标准 国内 LNG 汽车技术标准制定的进展 1 负责制定技术标准的部门 全国汽车标准化技术委员会专门设立了燃气汽车标准分委员会，其归口单位为中国汽车技术研究中心，负责全国燃气汽车等专业领域的标准化工作，液化天然气汽车技术标准制定归属该分委员会。此外，全国天然气标准化技术委员会液化天然气标准技术工作组也负责部分与液化天然气汽车标准制定有关的工作。虽然国内在液化天然气汽车技术标准制定方面起步较晚，但取得了可喜的成绩。除已颁布一批液化天然气汽车国家标准和行业标准外，还有多项标准已经制定完毕，正在上报相应部门审批。2 已颁布的相关标准 已颁布的液化天然气汽车(或相关)的技术标准包括

2、GB/T 192042003液化天然气的一般特性、GB/T 176761999天然气汽车和液化石油气汽车标志、GB/T 178951999天然气汽车和液化石油气汽车词汇、QC/T 6912002 车用天然气单燃料发动机技术条件。2.3 可参照的燃气汽车标准 可参照的其他燃气汽车标准为已逐渐完善的液化石油气汽车(LPGV)和压缩天然气汽车(CNGV)标准体系，总计 29 项相关标准，涉及到基础标准、整车标准和零部件标准。2.4 技术标准 2.4.1 液化天然气汽车标准体系表 基础性标准。术语和定义部分与压缩天然气汽车相同，专用装置术语在“专用装置标准”中进行定义，基础性标准的大部分内容已形成标准

3、并颁布。燃料标准。GB/T 192042003液化天然气的一般特性已颁布。基础设施标准。液化天然气汽车加气站技术规范已形成待审批，汽车用液化天然气加气机技术条件正在编制，液化天然气汽车加气机加气枪正在编制。环保标准。符合现有相关标准。整车标准。液化天然气汽车定型试验规程、液化天然气汽车专用装置安装要求已形成待审批，燃气汽车改装技术要求液化天然气汽车正在编制。专用装置标准。液化天然气汽车专用装置技术条件已形成待审批，液化天然气汽车用安全阀、液化天然气汽车用截止阀、液化天然气汽车加气口已列入“十一五”汽车行业标准化发展规划，液化天然气汽车用瓶阀、液化天然气汽车专用装置管路技术要求、液化天然气汽车用

4、气化器正在编制。发动机标准。与已颁布的压缩天然气汽车发动机标准相同。车用储气瓶标准。相关单位参照美国运输部DOT4L2004焊接绝热气瓶、美国国家防火协会 NFPA 57液化天然气(LNG)汽车燃料系统标准等标准，结合国内具体情况，编制了企业标准车用 LNG 焊接绝热气瓶，并通过了全国气瓶标准化技术委员会组织的专家评审和备案，在此基础上形成的国家标准已于 2006 年内完成报批稿。2.4.2 其他标准 国家标准液化天然气汽车专用装置安装要求。内容包括：气化器、气化器后非低温部分与 GB/T 192402003压缩天然气汽车专用装置安装要求相同；储气系统，涉及加注口、车用储气瓶、管路及接头、仪表

5、及电气线路的安装；防护；系统管道吹扫与清洗，按照 GB 5023597工业金属管道工程施工及验收规范执行；检验：管道压力试验按照 GB 5023597 工业金属管道工程施工及验收规范执行，储气瓶安装强度检验按 GB/T 192402003压缩天然气汽车专用装置安装要求进行，冷试采用充入低温液体进行泄漏检验。汽车行业标准液化天然气汽车专用装置技术条件。内容包括：专用装置组成，LNG 储气瓶总成、气化器、燃料加注系统；一般要求；材料；储气瓶，按 GB 184422001低温绝热压力容器执行；储气瓶附件：加注截止阀、排液截止阀、排液扼流阀、节气调节阀、安全阀、压力计、液位传感器、液位指示计汽化器；管

6、路；燃料加注系统。汽车行业标准液化天然气汽车定型试验规程。该汽车行业标准适用在已定型汽车产品上加装液化天然气汽车专用装置的改装车，主要考核汽车污染物排放、整车动力性、可靠性、制动性、起动性、操作稳定性、燃料经济性。国家标准液化天然气汽车加气站技术规范主要内容为：a.站址选择。参照 GB 501562002(汽车用加油加气站设计与施工规范和美国国家防火协会NFPA 59A液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准、NFPA 57液化天然气(LNG)汽车燃料系统标准等技术标准制定。b.设计规模与平面布置。加气站等级划分依据 LNG 的危险特性制定，共分为 3 级。c.加气工艺及设施。主要参照 NFP

7、A 59A液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准、GB 1501998钢制压力容器、GB 184422001低温绝热压力容器、特种设备安全监察规程、压力容器安全监察技术规程等标准制定技术标准。d.加气站配套设施，消防、安全，施工及验收。三者依据 GB 501562002(汽车用加油加气站设计与施工规范相关要求制定。3 技术标准制定的迫切性 标准化建设对于行业的发展至关重要。我国现实的情况是液化天然气汽车技术基本趋于成熟，但标准化建设严重滞后，已经制约该行业的发展。资料显示，近年来国内液化天然气汽车得到了长足发展，已经有 4 座城市实施了液化天然气汽车示范项目，共有超过 450 辆液化天然气公

8、交汽车和近100 辆出租汽车正在运营，有些车辆安全运行时间已超过 4年。但这些示范项目遇到一个相同问题，即缺乏技术标准，实施过程艰难。在加气站选址、设计、验收等环节，由于没有 LNG 加气站技术标准作为依据，难以通过有关部门的验收。因此，制定推出液化天然气汽车标准已经迫在眉睫。从液化天然气汽车标准体系表看，整个标准体系完备，涵盖了液化天然气汽车产业的各个方面，国家也对此项工作十分重视。但如何尽快完成体系表中的各项标准的编制工作并颁布执行，需要我们认真研究，加强合作、齐心协力，共同完善这一领域的技术标准。为此我们应加强以下工作：各参编单位应充分意识到此项工作的紧迫性、艰巨性，具体抓落实、抓进度，

9、组织力量尽快进行编制、修改、送审。在国家标准尚未批准、颁布前，可先行推出行业标准，用以指导液化天然气汽车的推广应用工作。液化天然气汽车加气站技术规范是整个标准体系中的关键技术标准，也是制约当前液化天然气汽车发展的一个瓶颈，须集中力量尽早攻克。全国汽车标准化技术委员会燃气汽车标准分委员会与全国天然气标准化技术委员会液化天然气标准技术工作组分属两个不同行业，其分工与协调问题必须引起重视，避免出现衔接不力的情况。标准制定过程中，加强与规划、技术监督、消防等部门的沟通。液化天然气汽车涉及汽车、深冷、设备制造以及天然气上中下游等多学科、多领域，建议吸收液化天然气利用环节中的企业，比如燃气公司、输配公司等

10、，共同参与技术标准的制定工作，以博取众家之长，提高标准的实用性和合理性。液化石油气(LPG)汽车的组成 中国的天然气汽车作为节能与新能源汽车领域的重要代表得到平稳快速发展，压缩天然气（CNG）汽车已经成为很多城市公交使用的主要车型。而液化天然气（LNG）的能量密度更高、更加清洁，运输方式也更加灵活，它在车辆上的应用得到社会越来越多的关注。液化天然气汽车组成 液化天然气汽车(LNGV)是将液化天然气储存在温度为112K、压力为 0.1MPa 左右的储存罐内，其密度为标准状态下的 600 多倍，体积能量密度约为汽油的 72%，已接近汽油。液化天然气汽车主要由发动机和燃料系统组成。1.LNGV 发动

11、机 国内外对 LNGV 发动机的研究起步较晚，由于 LNG 的优良特性使得 LNGV 的发动机具有许多优点，例如 LNG 燃料成分的单一性有利于发动机压缩比等设计参数的确定，避免乙炔、丙烷等成分的爆燃对发动机及其部件的不良影响；利用其低温特性降低混合气的温度，提高发动机的热效率，同时降低 NOX 的排放等。美国的各大发动机公司如 BMW、Caterpillar、Cummins、Detroit Diesel、Dodge Gasoline、Ford、John Deer、Mack 等均生产 LNG 发动机，其排放都至少满足美国的低排放标准(LEV)，Cummins 公司的 LNG 发动机甚至可以满足

12、超低排放标准(ULEV)。另外，日本的 SUZIKIM，NISSHIN 等多家公司也已经成功地研制出应用于微型客车的 LNG 电控进气道多点喷射发动机。我国目前尚无自主研发的液化天然气发动机。2.LNGV 燃料系统 LNGV 车用燃料系统主要由 LNG 储罐、连接管线、充气接口、汽化器、液位和压力指示表、气体供给装置等部件组成。2.1 车用 LNG 储罐 它是 LNGV 组成中最关键的设备之一。一般 LNG 被储存在-160以下，储存压力 0.130.16MPa，因此要求储存容器耐低温、耐压，目前多采用双层金属真空加多层缠绕绝热，要求 LNG 日蒸发率在 2%以内(714 天之内不产生蒸发损失

13、)。目前国内主要使用德是美国 MVE 公司生产的储罐，这种储罐使车用燃气的供给不需要用泵或专用的增压汽化器，简化了系统结构、提高了其工作的可靠性，同时降低了制造成本。另外，这种储罐加气时，无须对罐内残存的气相做放空处理，可以使用单管加气系统，省去了加气站放空管线。2.2 车用 LNG 汽化器 它的主要作用就是利用发动机冷却水做热源(少量即可)，将 LNG 汽化。为了减轻车辆载重，一般由铝合金制造。水浴式 LNG 汽化器是一种典型的小型管壳式结构，串联在发动机冷却液回路上，采用逆流换热的工作原理利用发动机冷却液对 LNG 或 LNG 和气相天然气的混合物进行汽化和加热。发动机工作在不同工况下，单

14、位时间内流经汽化器的燃料流量也将随之变化，这种流量的变化主要依赖于储罐和汽化器出口的压力差，随着发动机负荷的增加，压力差也将随之增加，从而导致天然气流量的增加，反之亦然。2.3 燃气供给装置 所谓燃气供给装置是指汽化器之后的燃气供给和控制装置，包括减压调节器、功率调节阀和混合器等，与 CNGV车用燃气供给装置略有区别的是减压调节器的入口压力不超过 2MPa，通过 12 级减压即可，其它部分与 CNGV 车用燃气供给系统基本相同。2.4 减压调压阀和混合器减压调压阀 其基本原理和性能与压缩天然气汽车(CNGV)系统相同，就是将汽化器产生的天然气压力(约 0.145MPa)调压到车用压力(约 0.

15、115MPa)。压缩天然气(CNG)由于压力高采用三级调压，而 LNG 采用一级调压就可以了。混合器是一种利用文丘里原理，保证空气/燃料在静态与动态下均能按正确比例混合的机械装置。2.5 安全系统 该系统主要由主、副安全阀，过流阀、放空阀和单向阀等装置组成，分别控制燃气压力、流量和流向。主安全阀(设定压力为 1.6MPa)、副安全阀(设定压力为 2.4MPa)用来保证系统压力不超过最大工作压力，以保证车辆的安全；过流阀作用是下游(主要指汽化器之后)供气管路一旦发生破裂或断开事故时，燃气流量超过设定值，过流阀迅速切断气路，避免燃气大量外泄；放空阀作用是在系统检修或车辆长期停驶时用来排尽罐内残存的

16、燃料，放空管线一般设置在车辆外廓的最高点，且远离火源和蓄电池等部件；单向阀作用是防止燃料倒流。天然气燃料的物理性质 作为内燃机燃料，主要是利用不同的燃料所发出的热能在内燃机内转换成为有用功。液体燃料如汽油、柴油等是在炼油厂中按照燃料标准的物理、化学的规定，由原油炼制而成，其物理、化学性质有严格规定，因而比较稳定。气体燃料由于来自不同的油田和气田，或来自各个炼油厂，其间无论其成分还是性质都有较大的区别。作为汽车用的天然气燃料，有一些基本要求，特别要注意以下几个方面的性质。一、组分 天然气的主要成分是烷烃中的轻组分，基本由田烷CH4(82%98%)和不多的乙烷 C2H6(6%)、丙烷 C3H8(1

17、.5%)和丁烷 C4H10(约 1%)组成。一般油、气田的天然气中的甲烷含量差别相当大。我国四川气田天然气中的甲烷含量多在95%以上，而油田的伴生天然气中的甲烷含量则为 70%80%。有的甲烷含量更低，并且含有较重的烃类，如丁烷、戊烷和已烷等。作为车用天然气燃料，液化天然气(LNG)的条件最好。因为LNG 是天然气在低温深冷(常压下为-162)下液化生成的，可以说是纯甲烷，是车用燃料中最受欢迎的燃料。CNG中主要成分应该是甲烷和极度少量的乙烷。如果用油田伴生气作为车用燃料应将所含高碳烃脱除。LPG 的主要成分为丙烷和丁烷，但由于其来源不同又有所区别。如果是从油、气田轻烃回收装置中得到的 LPG

18、，则以丙烷、丁烷为主，很少有烯烃存在，适于做车用燃料。而从炼油厂中得到的副产品 LPG，除了丙烷、丁烷以外还含有不少丙烯 C3H6、丁烯 C4H8 和丁二烯 C4H8 等烯烃成分。烯烃密度略小，热值较低，发火性能差。由于是不饱和烃，容易氧化产生胶质，使燃料系统的蒸发器、混合器的膜片胶结、腐蚀而影响发动机的工作。此外，燃烧不完全，容易产生积炭，加速机件的磨损。因而炼油厂副产品的 LPG 不适宜做车用燃料。除非单独加以 处 理，使其烯烃含量在规定数值以内。此外，在 CNG 和 LPG 中还含有一些杂质，其含量应符合国家有关标准的要求。目前车用 CNG 的行业标准正在制订中。LPG 已有油、气田液化

19、石油气和石油产品燃料中的液化石油气(LPG)两个国标，但都未规定烯烃的含量，因此还应制订车用 LPG 的标准以便使用。二、热值 燃料的热值是指单位燃料在量热计中燃烧后测得的热量数值。由于燃料燃烧产物中的 H2O 在冷凝的过程中会放出潜热包括在量热计所测的数值中，所以测出的数值称为高热值。这部分潜热在发动机中是无法利用的，因此要将这部分热量从高热值中减去。燃料在气缸中燃烧后发出的有效热量称为低热值。在计算天然气燃料的发热量时要按低热值计算。按单位质量气态烃所测得的热值相差不太多。C1 的热值稍多些，随着碳数的增加热值略有减少。由于气体燃料用容积作单位便于计量，而碳数少的烃密度小，所以按单位体积计

20、量的热值就比较少了。气体燃料是各种轻烃的混合物，所以天然气的热值可以用下式计算：HU=r iHui/100 式中HU-天然气的低热值，KJ/Nm3;Hui_第 i 个可燃组分的低热值，kJ/Nm3 ri_-I 个可燃缓分的容积(或摩尔)百分数，%由于各个天然气燃料的产地、气候等条件的不同，气体燃料 的成分有一定的变化，利用上式可以计算出分析后的气体燃料的低热值。三、抗爆性 汽油作为发动机燃料有一个很重要的品质，这就是它的抗爆性。现在汽油的牌号就是抗爆性能指标-辛烷值的数值天然气在汽车发动机中，特别是在汽油机改装的天然气发动机中，类似于汽油，即在汽缸外部燃料与空气形成可燃混合气，送到汽缸后，再用

21、外源(电火花)点着，因此也会遇到与汽油类似的抗爆性能高低的问题。所谓抗爆性是指燃料抵抗爆震燃烧的能力。什么是爆震燃烧呢？在汽油机中电火花点火后，在汽缸中火焰开始在均匀的可燃混合气中传播。火焰前面的未燃混合气因受到已经燃烧的混合气的压缩和辐射传热使温度、压力升高，加速了其化学变化，即所谓的焰前反应。离火焰 中心越远，未燃混合气的焰前反应越深。如果火焰面及时传到，把它燃着，就是正常燃烧。如果在正常火焰尚未到达之前，未燃混合气的化学准备过程已经完成，就会产生自然，形成新火焰中心并以高达 15002000m/s 的速度进行火焰传播。这种带有爆炸性质的燃烧进行得非常迅速，使来不及膨胀的推进，产生撞击并发

22、出尖锐的金属敲击声。与此同时，排气冒黑烟，发动机功率明显下降，这种现象称为爆震燃烧，简称爆燃或爆震。影响爆震的因素很多，如结构上的压缩比、燃烧室形状、运行时的转速、负荷等等。但发动机已经制造好，则使用的燃料本身的性质，如自燃点的高低、氧化反应的速度等对爆震的产生起着决定性作用，这就是燃料的抗爆性。由于异辛烷的抗爆性最好，所以将它的抗爆性定为 100，也就是辛烷值为 100。其它的燃料与异辛烷比较，如 93 号汽油的抗爆性是异辛烷的 93%，这种汽油的辛烷值就定为 93。对于抗爆性能超过异辛烷的甲烷、乙烷就较难直接测得。现在发表的甲烷、乙烷等气体燃料的抗爆性，即辛烷值都是近似值。奥地利的李斯特内燃机及测试设备公司于 60 年代，用类似体燃料抗爆性能的指标，叫做甲烷值(Methane Number)。即以甲烷的抗爆能力为 100 来衡量其它气体燃料的抗爆性，以便将各种气体燃料按不贩使用条件用于发动机工作。美国库伯公司也提出了一个正丁烷值(NBN)作为衡量气体燃料抗爆性 的参数。目前，世界上还没有一个统一的衡量气体燃料抗爆性的指标和方法。但是，从这个参考的辛烷值中可以看到，甲烷、乙烷等天然气燃料的抗爆性能非常好。因而相应的极度限压缩比比较高，这就是天然气发动机压缩比可以比汽油机高的原因，而压缩比高，则发动机的热效率高，也就省燃料。