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探究压缩天然气在汽车上运用和前言

收藏本文 2024-03-18 点赞:26533 浏览:120759 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:压缩天然气(Compressed Natural Gas,简称CNG)是一种最理想的车用替代能源,其应用技术经数十年发展已日趋成熟。它具有成本低,效益高,无污染,使用安全便捷等特点,正日益显示出强大的发展潜力。由于汽油上涨,天然气车辆已经逐渐在亚太区域、拉丁美洲、欧洲和美国应用。受高燃料和环境要求的影响,CNG正在出租车和公交车上逐渐推广应用。
关键词:天然气;汽车;应用
CNG是一种可替代液化石油气、丙烷、汽油以及柴油的化石燃料。虽然它的燃烧会产生温室气体,但比其它燃料对环境的污染小得多,而且比其他燃料更安全,天然气比空气轻,泄露后很快发散在空气中。CNG通过压缩天然气(主要成分是甲烷[CH4])获得,常压下其体积仅占不足空气的1%,因此需要加压储存在20~25MPa圆筒形或球形的压力容器中。CNG可以在传统的汽油机车辆的基础上改装,成为汽油、CNG双燃料车。
1天然气作为汽车燃料的特性

1.1天然气的物理特性

天然气的主要成份是甲烷,分子式是CH4。随产地的不同,天然气的甲烷含量有比较大的差别,甲烷的含量决定了天然气的性能。
常温常压下,甲烷的密度0.71只相当于空气的55%,天然气的密度0.78相当于空气的60%。由于天然气的密度要远远小于空气,当天然气从输送管道或储存容器中泄漏到空气中时,天然气将向上移动,并迅速扩散到空气中。由于这一特点,天然气的安全性要好于液化石油气、汽油等。在原始状态时,天然气是没有颜色、味道和毒性的物质。由于安全的原因,在生产过程中,在天然气中加入了具有独特臭味的加臭剂。在使用和运输过程中,当有天然气泄漏时,由于独特的臭味,可很容易地检测出泄漏。
将天然气通过压缩机压缩、增压后,使用专用的加气设备将增压后的天然气注入装在汽车上的压缩天然气储气瓶中。储气瓶中天然气的最大压力一般为20~25MPa,我国采用的标准规定最大压力不超过20MPa,钢瓶内储存的20MPa压力的压缩天然气的密度约为常压时天然气密度的200倍。采用压缩储存天然气的汽车,一般称为压缩天然气(CNG)汽车,或简称为CNG汽车,CN(CNG Vehicle)。目前大多数天然气汽车为CNG汽车。

1.2天然气的燃烧特性

汽油的低热值为4.44×104kJ/kg。天然气的单位质量热值高于汽油。按体积计量计算,1m3天然气的热值高于1L汽油的热值。气态的天然气与空气形成混合气,混合气浓度在一定范围内时能够被点燃、燃烧,超过这个范围将不能被点燃,这个范围的上下限即为点火下限和点火上限。天然气的点火上限和点火下限分别为5%和15%。
燃料和空气形成的混合气中燃料和空气的比值称为空燃比。燃料完全燃烧(燃烧产物是水和二氧化碳,没有其他的不完全燃烧产物产生)的空燃比为理论空燃比。按照质量计算:天然气的理论空燃比为16:1(汽油为14.7:1;液化石油气为15.7:1)。按照体积计算:天然气的理论空燃比为9.5~11.1:1(汽油为64:1液化石油气为24.2:1)。由于天然气的组成成份的不同,其理论空燃比不是一个固定数值。
自燃温度是指在此温度下,燃料和空气接触将会被点燃并连续燃烧。对于一种燃料,自燃温度不是一个常数。汽油的自燃温度为232~482℃,液化石油气的自燃温度为493~550℃,天然气的自燃温度为732℃。很高的自燃温度表明天然气的安全性是非常好的。天然气和汽油一样,在汽车上应用,需要通过火花塞产生的火花点燃天然气,或者通过其它方式引燃天然气。天然气自燃温度高,难于压燃,适宜外火源点燃,同时高的辛烷值,适合在较高的压缩比下点燃工作。天然气在汽车上使用一般采取两种方式工作:在天然气单燃料或两用燃料车上,采用电火花点燃的工作方式;在柴油/天然气双燃料车上,在天然气工作时,一般喷射少量的柴油,利用被压燃的柴油点燃天然气的工作方式。
2压缩天然气在汽车上应用分析

2.1排放性能

天然气作为一种气体燃料,与空气混合更均匀,燃烧更加充分,排放的CO,HC等有害物质更少;其他一些没有受排放法规控制的有害成分(如对区域环境影响的毒性物质、烟雾、酸性物质等也比汽油、柴油要少)在所有碳氢燃料中,天然气的碳氢比小,碳与氢的比例为4:1,CO2排放量比汽油少25%左右,有利于保护全球的环境质量。发达国家基于天然气的这一特性,将天然气确定为真正的清洁燃料而加以推广使用。

2.2经济性

维护费用:天然气不会稀释润滑油,燃烧后没有积碳,可减少发动机磨损,延长润滑油更换周期,维护保养费用低,延长发动机寿命。但需要指出的是,汽油发动机中的汽油是以小液滴与空气混合进入气缸,对气门及座圈工作面可起到一定的润滑、冷却作用,而天然气混合气无润滑作用,这将使气门及座圈更容易产生异常磨损,使用天然气的发动机在设计时要使用耐磨性好的气门材料和与之相匹配的座圈材料。
燃料费用:按1m3天然气相当1.1L汽油计算,可减少燃料费用50%以上。使用CNG作为汽车燃料,可大大降低燃料费用,因此目前在出

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租车市场应用非常广泛。

2.3动力性

目前的CNG车基本是在汽油车上增加CNG系统而成的两用燃料车,发动机的压缩比、点火系统、进气系统等均没有变动,使用CNG时的性能没有得到充分发挥。天然气的理论空燃比为10:1(体积比),在进入发动机时,天然气将占有约10%的体积空间,导致吸入发动机的空气量减少约10%,进气效率下降。从而引起动力性的下降。天然气性质稳定,燃烧速度慢,点燃需要更多的能量;与使用汽油相比,使用CNG时的动力性约下降15%。

2.4安全性

系统的每一个部件的设计、生产、检验充分考虑了安全性:储气瓶必须有指定的专业厂家生产,储气瓶的承压能力是CNG工作压力的数倍,每一支储气瓶出厂之前必须进行检验,储气瓶阀上设有安全阀、手动截止阀,保证安全使用和便于维护,减压器上设有安全阀,保证在系统出现故障时的安全性,天然气性质稳定,密度小,自燃温度高,安全性好于汽油燃料。国内外的使用经验表明,因CNG系统发生的安全事故要远低于汽油车、柴油车。

2.5续驶里程

压缩储存天然气,储存燃料的能量密度低,相同体积的储存容器,续驶里程仅相当于汽油的1/4,且储存容器的质量大,导致整车自重增加。对于小型车,在设计时考虑到自重增加的限制,以及车上有限的空间,不允许安装过多的天然气储气瓶,使用天然气的续驶里程较少。
3总结与展望
中国的天然气汽车产业在国家大力支持下初具规模,整个天然气汽车产业体系基本形成。目前已在近30个省、市、自治区的80多个城市推广了天然气汽车,但目前受天然气气源紧张及管网的影响,中国CNG汽车和加气站主要集中在气源地附近,例如四川、重庆、乌鲁木齐、西安和兰州等。天然气供应方便,气价低(仅为油价的40%~50%),是中国CNG汽车快速发展的主要驱动力。也正是由此原因,目前在城市公交和出租车上得到广泛应用,随着应用技术的提高和市场管理的规范,CNG在整车上的应用必将迎来更广泛的市场前景。
参考文献:
韩金丽,杨永慧,张悦.北京市发展天然气汽车的探讨[J].煤气与热力.2011,21(04):24-27.
田斌.天然气在公共汽车上的应用[J].城市车辆.2007,18(10):124-125.

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