某款微卡兩用燃料車型CNG供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆 彬

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

1.1 天然氣汽車概述及分類

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)的能源，具有高效、低污染、低排放等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于煤炭而言，粉塵、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等污染物質(zhì)的排放量都明顯降低。天然氣廣泛應(yīng)用于交通、冶金、電力、輕工等行業(yè)的內(nèi)燃機(jī)、汽車、煉鋼、熱處理、印染、紡織等諸多方面，同時(shí)也大量供給居民作為生活燃料。天然氣汽車以天然氣為燃料，提供動(dòng)力。天然氣的甲烷含量90%以上，是很好的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。天然氣汽車在世界和我國(guó)各省市得到了推廣應(yīng)用。目前市場(chǎng)上的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要有兩種，分別為 CNG（壓縮天然氣）發(fā)動(dòng)機(jī)和LNG（液化天然氣）發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.2 天然氣汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

在汽車領(lǐng)域，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本低，但目前普及不廣泛，僅占市場(chǎng)份額的3—4%，且主要以后期改裝較多，每年的改裝規(guī)模在百萬輛左右，原廠生產(chǎn)的兩用燃料車市場(chǎng)近幾年也在逐步擴(kuò)大。隨著國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，低端輕卡產(chǎn)品的價(jià)格普遍提高，競(jìng)爭(zhēng)力較低，發(fā)展天然氣汽車對(duì)于解決環(huán)境問題和能源問題都具有重要意義。我國(guó)天然氣資源儲(chǔ)備豐富，相對(duì)較為便宜的燃?xì)鈨r(jià)格是驅(qū)動(dòng)天然氣汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的直接力，同時(shí)天然氣汽車的減排效益顯著，有利于汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 CNG供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 CNG供氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

燃?xì)赓A存系統(tǒng)：燃?xì)赓A存系統(tǒng)主要用于天然氣的儲(chǔ)存，主要零部件包括氣瓶總成、氣瓶固定支架、氣瓶防護(hù)罩、氣瓶下護(hù)板、緩沖膠墊、高壓管路、充氣閥總成、充氣閥固定支架等。

燃?xì)夤┙o系統(tǒng)：燃?xì)夤┙o系統(tǒng)主要用于天然氣的降壓、過濾以及噴射，主要零部件包括減壓器及高壓電磁閥、壓力表、低壓燃?xì)鉃V清器、燃?xì)鈬娷壖跋嚓P(guān)附件、進(jìn)出水管、低壓燃?xì)廛浌?、燃?xì)鈬娚涔艿取?/p>

燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)：燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)主要用于控制燃?xì)饽K工作過程，包括燃?xì)鈬娚淞靠刂疲細(xì)鉁囟瓤刂?，壓力控制，泄漏?bào)警，油氣切換等，主要零部件包括氣軌壓力溫度傳感器、整車ECU模塊（集成CNG控制系統(tǒng)）、燃?xì)庑孤﹫?bào)警傳感器、泄漏報(bào)警蜂鳴器、油氣轉(zhuǎn)換開關(guān)等。

2.2 CNG供氣系統(tǒng)工作原理

整體供氣系統(tǒng)的工作原理如圖1表示。其中，粗實(shí)線為高壓燃?xì)夤苈罚?xì)實(shí)線為低壓燃?xì)夤苈?，雙點(diǎn)劃線為水管管路，單點(diǎn)劃線為真空管管路，細(xì)虛線為車架輪廓線，粗虛線為控制系統(tǒng)線束。

圖1 CNG供氣系統(tǒng)工作原理圖

3 CNG供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

如圖2所示，氣瓶總成在尾梁后端，固定在尾梁上，保證氣瓶重心在車架中心線處，高壓管路沿車架右縱梁到達(dá)充氣閥，經(jīng)過加氣閥之后到達(dá)減壓器位置。

圖2 供氣系統(tǒng)底盤部分裝置圖

充氣閥利用支架固定于駕駛室底板右側(cè)，副駕駛座椅下方。

減壓器及高壓電磁閥布置減壓器利用減壓器固定支架固定于駕駛室底板左側(cè)，主駕駛座椅下方。

燃?xì)鉃V清器固定于發(fā)動(dòng)機(jī)上，借用發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器螺栓固定。

燃?xì)鈬娷壒潭ㄓ诎l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管上，支架與氣軌之間使用彈性膠墊連接，避免震動(dòng)造成氣軌與機(jī)體磕碰。

4 性能分析與計(jì)算

4.1 氣瓶支架強(qiáng)度CAE分析

氣瓶支架作為供氣系統(tǒng)中氣瓶的重要承載系統(tǒng)，其安全性能尤為重要，利用hyperwork軟件對(duì)氣瓶支架強(qiáng)度進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

4.1.1 相關(guān)參數(shù)收集

氣瓶部分相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 氣瓶支架承載質(zhì)量

表2 氣瓶支架相關(guān)參數(shù)

4.1.2 仿真模型建立

利用hypermesh軟件對(duì)氣瓶支架及尾梁部位進(jìn)行約束及網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 仿真模型建立

圖4 垂直方向3.0G載荷示意圖

針對(duì)上述模型，進(jìn)行CAE仿真分析，計(jì)算氣瓶裝滿后垂直方向3.0G載荷時(shí)，支架的強(qiáng)度及位移情況，加載后模型如圖4所示。

4.1.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述模型，進(jìn)行CAE仿真分析后，得出氣瓶裝滿后3.0G垂直載荷情況下，氣瓶支架的應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 氣瓶裝滿3.0G垂直載荷氣瓶各部分應(yīng)力分布

由圖5可以看出，氣瓶裝滿3.0G垂直載荷工況下，支架上最大應(yīng)力為 278.7Mpa，主要集中在支架的折彎處，由表4-2可知，氣瓶支架材料為510L鋼，屈服應(yīng)力為大于355Mpa，由此可以算出3.0垂直載荷工況下，支架的安全系數(shù)K3.0G為：

應(yīng)力滿足要求。

氣瓶裝滿3.0G垂直載荷工況下，氣瓶支架的位移如圖6所示。

圖6 3.0G垂直載荷氣瓶各部分位移分布

圖7 氣瓶裝配效果示意圖

由圖6可以看出，氣瓶裝滿3.0G垂直載荷工況下，支架最大位移為 6.40mm，最大部位在支架尾端，位移量較小，剛度滿足使用要求?？紤]到實(shí)際裝配過程中，支架尾端利用扎帶固定，裝配效果如圖4-5所示。支架受力位移對(duì)系統(tǒng)的影響較小。

綜上所述，氣瓶支架在3.0G垂直載荷工況下，應(yīng)力及剛度均滿足使用要求。支架強(qiáng)度滿足條件。

4.2 燃油燃?xì)鈩?dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

利用動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性計(jì)算軟件對(duì)該車汽油時(shí)的動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示，可以看出天然氣燃料相比于汽油燃料，動(dòng)力性略有下降。

由于氣瓶中的天然氣低于一定壓力時(shí)將無法使用，所以實(shí)際使用過程中氣瓶中約有10%的天然氣剩余，由此大概可以算出80L的氣瓶加滿氣的情況下實(shí)際可以使用的天然氣體積=16*0.9=14.4m3，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可以算出，燃?xì)鉅顟B(tài)下，理論上滿載續(xù)航里程可以達(dá)到14.4/7.4*100=195km。

表3 動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果

以2017年9月15日安徽地區(qū)92#汽油的平均價(jià)格為元6.24元/L，車用壓縮天然氣的價(jià)格約為 3.49元/m3。可以計(jì)算出該車的百公里汽油價(jià)格約為 50.54元，百公里天然氣價(jià)格約為25.83元，燃?xì)庀啾扔谌加唾M(fèi)用可以節(jié)約48%。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)微卡匹配汽油天然氣兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)的進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算和說明，，運(yùn)用UG軟件建立三維模型，匹配供氣系統(tǒng)的空間布置，并利用Hyperwork 軟件對(duì)氣瓶固定支架強(qiáng)度進(jìn)行分析，驗(yàn)證了氣瓶固定支架的可靠性。通過設(shè)計(jì)計(jì)算動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性過程中，可以發(fā)現(xiàn)天然氣燃料相比于汽油燃料在微卡中經(jīng)濟(jì)性大為提高，且原廠生產(chǎn)的兩用燃料產(chǎn)品比市場(chǎng)上改裝的產(chǎn)品具有更好的可靠性及安全性，大大減少了使用過程中的安全隱患，對(duì)新能源商用車產(chǎn)品的推廣具有重要意義!

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（上）.北京機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 張代勝.汽車?yán)碚?合肥工業(yè)大學(xué)出版社.

[3] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社.

[4] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 7258-2012機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件.

[5] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 17258－2011汽車用壓縮天然氣鋼瓶.

[6] 江淮汽車技術(shù)中心.QCT 245—2002 壓縮天然氣汽車專用裝置技術(shù)條件.