車用天然氣應用技術

內容提要：
　　 本文系統介紹了車用天然氣（NGY）存儲技術以及壓縮天然氣（CNG）汽車改造技術，并就加氣站的設置進行了簡要分析。
1 前 言

　　天然氣以其有害污染物少、安全可靠性高、抗爆震性能好、使用成本低以及能延長汽車代用燃料。近年來，隨著汽車燃料供需矛盾以及尾氣污染對生態環境危害的加劇，發展天然氣代用燃料汽車已成為世界各國解決能源和生態環境問題重要途徑。
2 車用天然氣（NGV）存儲技術

　　作為車用燃料在保證環保、經濟性的同時，還應本著優化配置燃料儲備、降低車輛無效載重以及充分利用車輛空間等因素，確定其儲存方式存量。NGV燃料存儲技術在此按壓力分為：壓力儲存和常壓儲存。

2．1 壓力儲存

2．1．1 壓縮天然氣（CNG）技術
　　 該技術利用氣體可壓縮我，將常規天然氣旋以高壓進行儲存，其存儲壓力通常為15MPa－25MPa，如在25MPa情況下，天然氣可壓縮至原來體積的1／300，大大降低了儲存容積，但由于儲存壓力的增大也為CNG技術中的關鍵設備――儲氣瓶提出了更高要求。
　　 目前儲氣瓶多采用或同類高強度合金結構鋼制造，重量重。如以大巴為例，按使用汽、柴油每行駛300km為一個燃料添加周期換算，通常需配備約6只501的儲氣鋼瓶，采用國產鋼瓶其總重約360kg，而滿容量時的燃料重量僅為鋼瓶重量的1／6。為減輕車輛無效載重，可考慮通過優化確定燃料添加周期（如按滯當地同類用氣車輛平均日行里程數確定）、氣瓶儲氣力、儲氣容積并綜合考慮加氣站的合理設置等因加以緩解。
為從根本上解決高壓儲氣瓶所帶來的車輛空間利用率低以及無效載重過大等問題，國外作了大量探索。儲氣瓶形狀的優化在兼顧改善容器受力情況，減小容器壁厚，減輕重量的同時，旨在充分、合理利用車輛有限空間；儲氣瓶材質的改良（如鋁合金復合材料、炭素材料等的研究及應用）則在解決鋼瓶內外壁腐蝕等潛在危險因素的同時，亦為減輕儲氣容器重量, 更好地滿足使用要求。理論上，NGY儲氣瓶在一定儲氣壓力下，單位容積重量是衡量其優劣的一個重要指標。經統計，國產儲氣瓶的單位容積重量一般在1kg以上，進口薄壁鋼瓶為0.8kg左右，而侶合金儲氣瓶的單位容積重量可降低至0.6kg以下，炭素材料氣瓶則更低。相信在不久的將來，隨著科技發展，CNG存儲技術會更大提高。

2．1．2 吸附天然氣（ANG）技術
　　 ANG技術是利用一些諸如活性炭等多孔性固體物質對氣體的吸附特性進行儲氣。由于這種新型的儲氣方式也要求在一定的壓力作用下（通常為3Mpa-4MPa）方能****限度地提高氣體附量（如在儲存壓力為3.5 MPa時，理論儲氣量可達其容積體積的150倍），因此從一定意義上講，該儲存方式同屬壓力儲存。但由于儲存壓力較CNG大為降低，因此容器重量相應減輕，安全性相對提高。當儲氣容器的改良同樣是減輕車輛無效載重、提高空間利率、減緩容器內外壁腐蝕等部題的最根本方法。目前該技術的關鍵部分：吸附劑以及熱能儲存器的開發已有了較大進展。

2．2 常壓儲存

2．2．1 低壓氣囊儲氣技術
　　 該儲氣方式早在50年代已在我國四川等地加以應用，但由于燃料利用率低、使用壽命短、改裝費用較高并與城市形象不相符等缺點，已難以在現代化城市中繼續使用。

2．2．2 液化天然氣（LNG）技術
　　 LNG存儲技術是將天然氣冷凍至沸點－162C以下，在飽和蒸汽壓接近常壓的情況下進行儲存,其儲存容積可減小約600倍。由此可見在一定儲氣量要求下，LNG需壓力儲存容器，單從這方面考慮，LNG自然是天然氣燃料儲備的最理想的方式，但作為車用燃料又帶來了昭燃料冷凍／添加、車輛燃料供應以及安全使用等方面的一系列技術問題，同時亦會導致車輛制改費用的大大提高，目前該技術下處于開發研制階段。
鑒于NGV存儲技術中，CNG技術已較為成熟且易于推廣，以下將重點介紹CNG汽車應用技術。
3 CNG燃料供給系統

　　CNG汽車燃料供給系統如圖1所示：該系統除燃料儲存裝置（儲氣瓶）及發動機外主要包括：加氣邊接裝置；氣流控制閥壓
　　 測定及顯示裝置；調壓裝置；空氣混合裝置；安全保護裝置以及燃料輸送及連接管件等，對于兩用燃料汽車設有燃料轉換裝置。NGY燃料8供應系統裝置除反應靈敏、安全可靠外，還應滿足體積小、重量輕、安裝使用維護方便等要求。
作為系統中的關鍵設備調壓器及混合器，國內已研制成功并且摸索出一整套匹配參數。
4 CNG汽車發動機改造技術
4．1 兩用燃料發動機改造技術
　　 該類型發動機是在原有發動機基礎上增設了天1然氣燃料供應系統，發動機本身結構參數未作改動，仍按汽、柴油等液體燃料設計。
　　 由于天然氣燃料辛烷值高，與空氣混合較均勻，且與空氣有較高的壓縮比，因此發動機燃用該氣體燃料時燃燒迅速、充分、無爆震現象、熱能利用率高，從而使發動機的燃燒善得到極大改善，不減少了廢氣排放，而且減少了零部件磨\ 以及潤滑油損耗，使發動機壽命大大延長。但由于發動機結構參數的制約，致使發動機動力性能有所下降，下降幅度為10％－20％，其原因主要在于單位時間內輸入發動機的燃料熱量較汽柴油少，通過適當增大發動機壓縮比，可使其動力性能得以提高，但尾氣排放物也有所增加，因此兩用燃料發動機的燃燒工況優化調整十分重要，有經驗表明：如調整合理得當，其動力性能下降幅度可控制在5％左右，該幅度對于在城市內行駛的車輛來說是可以接受的。但作為兩用燃料汽車如何調整發動機使其達到對兩種燃料都能適應的****工況，尚需進一步優化。當然該技術是一種燃料改良過渡階段的中間產物，想念隨著優質能源的逐步普及以及科學技術的不斷發展，會真正實現向單燃料專用型發動機過渡。

4．2 單燃料專用型發動機
　　 該種發動機以天然氣為單一燃料，是在充分發揮天然氣特性的基礎上對發動機自身結構進行了針對性改造，使得其整體性能得以大大提高。諸如John Deere8.11 、6.81以及Cummisns5.91等天然單燃料發動機的動力性能絲0毫不遜色于相應的汽油或柴油發動機，我國一汽、東風等大型汽車生產廠目前也手研制此類發動機。
單燃料專用發動機汽車可說是真正意義上的"綠色環保汽車"，但要使其得以應用、推廣，加氣站的合理有效設置至關重要。
5 CNG加氣站

　　按天然氣燃料輸送到站方式，筆者將CNG加氣站劃分為：獨立加氣站和管道系統加氣站兩種形式。
獨立加氣站系指NGV燃料來源為車輛運輸，即通過運輸車輛將天然氣由氣源產地或氣源儲備站運至加氣站，再由加氣站向用氣車輛供應的加氣方式。由于該形式加氣站不受輸氣管道的制約，具有機動、靈活等特點，可較好地緩解建設初期城市的NGV供需矛盾。管道系統加氣站，顧名思意其NGV燃料來源方式為管道輸送，它與輸氣管道邊為一體，通過站內壓縮機直按將來自輸氣管道的天然氣加壓充入用氣車輛或站內高壓儲氣瓶。有關加氣站工藝系統參見圖2。
獨立加氣站與管道系統加氣站盡管來料方式不同，但設備配置基本相，主要有：壓縮機，儲氣鋼瓶，加氣機以及各種閥門，安全控制裝置等，另外為了控制天然氣因減壓所造成的節流溫降，除在工藝上采取逐級降壓辦法的同時，還需配備加熱升溫裝置，由此可見獨立加氣站的系統轉化方便，易行。
　　 作為城市基礎配套設施之一的加氣站，要滿足城市內流動頻繁且遍布各個角落的車輛用氣需求，點多、面廣是其具務的明顯特點。由于車輛運輸與道路交通、車輛運行狀況等外部隨機因素密切相關，并且受到運量、運距以及工藝處理措施等因素的制約，獨立加氣站在安全性、供氣穩定性、系統性以及運行成本等方面存在著諸多問題，因此該形式不適合在城市長期運作。要解決謗些阻礙天然所氣汽車發展?quot;瓶頸問題"，加氣站與城市管道的并風系統化不失為一個極好方案，這樣有僅可優化、平衡城市用氣，并且易于實現加氣站的多元化發展，如何建立家用加氣站、車用燃料綜合添加站等各種模式的中小型加氣站