淺析天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)

蔣運(yùn)勁

摘 要：《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（2013年）提出要積極推廣新能源汽車，在環(huán)衛(wèi)、公交、私家車等領(lǐng)域中投入應(yīng)用，通過(guò)財(cái)政補(bǔ)貼、直接上牌等舉措鼓勵(lì)人們應(yīng)用新能源汽車，在此計(jì)劃支持下一線城市率先高比例應(yīng)用新能源汽車，為有關(guān)汽車研究制造、技術(shù)革新、生產(chǎn)推廣累積經(jīng)驗(yàn)。其中，天然氣汽車作為新能源汽車一種，因具有節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)推出受到市場(chǎng)廣泛關(guān)注，有關(guān)技術(shù)手段與時(shí)俱進(jìn)，旨在滿足新能源汽車應(yīng)用需求。本文通過(guò)探析天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)，以期助推新能源汽車良性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：天然氣汽車;應(yīng)用;技術(shù)

天然氣汽車主要是指應(yīng)用天然氣驅(qū)動(dòng)的汽車，其中甲烷含量約高于90%，屬于較優(yōu)汽車動(dòng)力燃料，是世界公認(rèn)最為成熟且可以代替柴油、汽油的汽車技術(shù)并在世界各地廣泛應(yīng)用?；诖?，為助推汽車產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展，探析天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)顯得尤為重要。

1 天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)原理

與汽油汽車應(yīng)用技術(shù)原理相比，二者存在相同之處，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)天然氣與空氣混合，在活塞點(diǎn)火后使之上下移動(dòng)。與汽油、柴油相比，天然氣可燃性極限更高，約為5%-15%（空氣中容積比率），自動(dòng)點(diǎn)火溫度更高，約為450℃，最高燃燒溫度較低，約為1884℃，汽油最高燃燒溫度約為1977℃，柴油約為2054℃，繼而為天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1.燃料存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。多數(shù)汽車應(yīng)用壓縮天然氣提供動(dòng)能，被壓縮后天然氣約為20—25MPa，在此基礎(chǔ)上泵入連接上部、后部及支架部高壓筒形氣瓶中。在天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)初期筒體占用較大空間，為節(jié)約空間，減輕汽車重量，設(shè)計(jì)推出輕量級(jí)氣瓶以及全復(fù)合氣瓶，經(jīng)由ISS（汽車存儲(chǔ)系統(tǒng)）予以應(yīng)用，在氣瓶外側(cè)包裹緩沖泡沫及玻璃纖維外殼，旨在避免發(fā)生事故后因碰撞使氣瓶遭受損壞，同時(shí)新型氣瓶直徑小，能夠?qū)?個(gè)氣瓶設(shè)計(jì)在一起，達(dá)到節(jié)約儲(chǔ)能空間目的[1]。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。天然氣汽車在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)經(jīng)由軟管導(dǎo)入燃料，壓力調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)降低天然氣壓力，使燃料可以被汽車所利用，而后燃料導(dǎo)入多點(diǎn)順序噴射噴軌，將氣體注入氣缸內(nèi)，計(jì)算機(jī)及傳感器針對(duì)空氣、燃料混合氣體加以調(diào)節(jié)，保障火花塞可以成功點(diǎn)燃燃料。當(dāng)前天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)還包含甲烷催化轉(zhuǎn)化器、鎳鎢硬化合金排氣門座、高壓縮活塞、鍛造鋁合金等結(jié)構(gòu)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)可以良性運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.底盤設(shè)計(jì)。為保障天然氣汽車結(jié)構(gòu)更為輕便，儲(chǔ)能空間更大，針對(duì)懸架系統(tǒng)加以改進(jìn)，使天然氣汽車應(yīng)用效果更優(yōu)。例如，在汽車后部應(yīng)用半托臂懸架系統(tǒng)，使支架結(jié)構(gòu)能夠騰出更多空間，駕乘感受更為流暢舒適，同時(shí)除去千斤頂、備用輪胎，落實(shí)平底板模式設(shè)計(jì)目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上安裝“低壓安全胎”，確保天然氣汽車可以更換輪胎。

4.天然氣汽車類型設(shè)計(jì)。第一，CNG（壓縮天然氣汽車）。應(yīng)用20.7—24.8MPa天然氣的汽車即壓縮天然氣汽車，CNG為高熱量、無(wú)色透明、較輕、無(wú)味氣體，甲烷為其主要成分。當(dāng)前高壓鋼瓶減重設(shè)計(jì)及體積壓縮設(shè)計(jì)是CNG主要技術(shù)發(fā)展方向，旨在延長(zhǎng)天然氣汽車駕駛里程;第二，LNG（液化天然氣汽車）。應(yīng)用-162℃常壓冷卻天然氣的汽車即液化天然氣汽車，爆炸極限在5%-15%范圍內(nèi)，燃點(diǎn)為650℃，相對(duì)較為安全，一次充氣通常情況下可以駕乘500km—1000km;第三，LPG（液化石油氣汽車）。用氣態(tài)烴類混合物作為燃料的汽車則為液化石油氣汽車。通過(guò)多種能源混合應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)，滿足汽車行運(yùn)需求[2]。

2 天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.清潔。天然氣汽車技術(shù)的廣泛應(yīng)用可加大清潔能源利用力度，與汽油燃料汽車相比，天然氣汽車尾氣中一氧化碳含量<80%，氮氧化合物含量<70%，碳?xì)浠衔锖?60%，不含鉛及硫化物，為此諸多國(guó)家將天然氣汽車技術(shù)的應(yīng)用視為解決大氣污染問(wèn)題重要舉措。

2.節(jié)約成本。與汽油、柴油價(jià)格相比，天然氣價(jià)格更為低廉，能夠節(jié)約50%燃料費(fèi)用，在石油價(jià)格攀升及能源危機(jī)背景下，天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)可以滿足更多消費(fèi)者汽車代步需求，同時(shí)改車費(fèi)用在油氣差價(jià)基礎(chǔ)上一年內(nèi)能夠收回。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用天然氣作為燃料不積碳、噪音低、摩擦小、運(yùn)行平穩(wěn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命得以延長(zhǎng)，火花塞、機(jī)油無(wú)需經(jīng)常更換，能夠節(jié)約50%維修費(fèi)。

3.安全。天然氣燃點(diǎn)為650℃，汽油燃點(diǎn)為427℃，與之相比天然氣燃點(diǎn)更高;空氣與天然氣相對(duì)密度約為0.48，在氣體外泄后能夠盡快消散在空氣內(nèi)，極少情況形成燃燒濃度，汽油泄漏后極容易遇火燃燒;辛烷值約為130，與96號(hào)汽車相比辛烷值較高，具有良好的抗爆性，爆炸極限在5%-15%范圍內(nèi)，在客觀環(huán)境下極難形成爆炸條件[3]。

3 天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)結(jié)構(gòu)

天然氣汽車囊括混合器、減壓器、燃?xì)怆娔X、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、天然氣過(guò)濾器、高壓鋼管、導(dǎo)氣管、排氣管、低壓管、穩(wěn)固包、充氣閥、氣瓶、氣瓶支架以及卡箍φ341只、φ22—321只、φ16—274只等結(jié)構(gòu)。當(dāng)前壓縮天然氣汽車技術(shù)應(yīng)用較為普遍，加設(shè)車用壓縮天然氣轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，改裝技術(shù)可從以下幾個(gè)部分進(jìn)行分析：其一，天然氣系統(tǒng)。由高壓接頭、高壓管線、天然氣鋼瓶、高壓截止閥、充氣閥、壓力傳感器、壓力表、氣量顯示器等部分構(gòu)成天然氣系統(tǒng);其二，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)。由混合器、減壓閥（三級(jí)組合式）、高壓電磁閥等部分構(gòu)成燃?xì)夤┙o系統(tǒng);其三，由汽油電磁閥、點(diǎn)火時(shí)間轉(zhuǎn)換器、三位油氣轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)構(gòu)成燃?xì)夤┙o系統(tǒng)。

將爆破片、易熔塞安裝在燃?xì)怃撈科靠谖恢茫谠摻Y(jié)構(gòu)溫度>100℃或壓力>26MPa后，通過(guò)自動(dòng)爆破泄壓，將安全閥安裝在減壓閥上，在高壓管線、氣瓶安裝時(shí)設(shè)置防震膠墊并用卡箍扎緊，確保該系統(tǒng)安全可靠。在應(yīng)用壓縮天然氣時(shí)結(jié)構(gòu)經(jīng)三級(jí)減壓及混合器處理將燃料注入氣缸，燃料處于負(fù)壓狀態(tài)，真空度在49—69KPa范圍內(nèi)?；旌掀髋c減壓閥相互配合使發(fā)動(dòng)機(jī)處于各類工況均可保障混合氣體濃度達(dá)標(biāo)。將怠速閥設(shè)置在減壓閥上，確保天然氣汽車怠速用氣充足，在燃料壓縮膨脹進(jìn)程中需吸收外界熱量，為此還需將加溫裝置及發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水設(shè)置在減壓閥上。為保障天然氣汽車操作性能更高，將燃料轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)置在駕駛室內(nèi)，旨在統(tǒng)一操控點(diǎn)火時(shí)間及油氣輸出系統(tǒng)。在儀表板上顯示氣瓶?jī)?chǔ)能情況，供氣按鈕設(shè)置在燃料轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)上，通過(guò)操控該開(kāi)關(guān)保障油氣自由轉(zhuǎn)換。天然氣內(nèi)燃料經(jīng)由減壓器、總氣閥、濾清器減壓并處于負(fù)壓狀態(tài)，由動(dòng)力閥注入混合器，通過(guò)與空氣混合點(diǎn)燃并轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸。受減壓器調(diào)控，根據(jù)天然氣汽車不同工況調(diào)節(jié)真空度，確?？諝?、燃料充分混合且滿足供氣需求，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在天然氣應(yīng)用技術(shù)加持下提高駕乘質(zhì)量[4]。

4 天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

雖然天然氣汽車具有清潔環(huán)保、安全穩(wěn)定等技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但仍兼具動(dòng)力性能下降，改裝一次成本投入較多，所用配件要求較高等應(yīng)用劣勢(shì)，需天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展，滿足新時(shí)代可持續(xù)發(fā)展背景下人們駕乘汽車切實(shí)需求。

1.改裝技術(shù)。為保障天然氣汽車得以廣泛應(yīng)用，國(guó)家針對(duì)汽車改裝提出嚴(yán)格要求及管理規(guī)定，在改裝前提出申請(qǐng)，在申請(qǐng)批復(fù)后填寫改裝表并由指定企業(yè)負(fù)責(zé)改裝，辦理改裝合格手續(xù)，駕駛員進(jìn)行培訓(xùn)，待培訓(xùn)合格后可以駕駛天然氣汽車。要求發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩、最大功率設(shè)計(jì)標(biāo)定值不低于90%，根據(jù)天然氣汽車安全行駛需求設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比應(yīng)高于7.3，壓力差低于平均缸壓5%，氣缸各部壓力超0.85MPa，進(jìn)氣管怠速真空度小于-0.0567MPa;蓄電池啟動(dòng)電壓應(yīng)超8.5V，空載電壓應(yīng)超12.4V，分電器分度誤差小于1，白金電壓小于0.2V，不積碳且火花塞間隙合理。

2.維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)。維修保養(yǎng)是延長(zhǎng)天然氣汽車使用壽命的重要技術(shù)，在出行前需檢查零部件緊固情況，針對(duì)管線、氣質(zhì)、連接處進(jìn)行檢查，及時(shí)解決泄漏問(wèn)題。以月為單位檢查各級(jí)減壓閥、電磁閥芯、管線濾芯等結(jié)構(gòu)壓力，同時(shí)以6個(gè)月為基準(zhǔn)檢查供氣系統(tǒng)，及時(shí)更換損壞部件。根據(jù)《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》以2年為周期進(jìn)行檢測(cè)。保持燃?xì)庀到y(tǒng)完整、清潔。駕駛員不得私自改裝燃?xì)饨Y(jié)構(gòu)。

3.技術(shù)創(chuàng)新。創(chuàng)新是賦予天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)無(wú)盡發(fā)展動(dòng)力的重要條件，為此技術(shù)人員需根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不斷針對(duì)有關(guān)技術(shù)加以創(chuàng)新，以汽油及CNG兩用汽車為例，可通過(guò)調(diào)整燃料供給，加大點(diǎn)火能量，控制混合器、減壓調(diào)節(jié)器距離，適當(dāng)加大點(diǎn)火提前角等方式，使天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、混合器配合更為高效穩(wěn)定。在技術(shù)革新進(jìn)程中應(yīng)用大數(shù)據(jù)資源，通過(guò)統(tǒng)籌天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)發(fā)展有關(guān)資料探析技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐突破口，優(yōu)化調(diào)配新時(shí)代天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)發(fā)展資源，使發(fā)動(dòng)機(jī)能耗降低，汽車動(dòng)能更強(qiáng)，助推天然氣汽車技術(shù)良性發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為使天然氣汽車技術(shù)得以有效應(yīng)用需加大研究力度，累積技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用結(jié)構(gòu)，發(fā)揮技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，完善技術(shù)應(yīng)用原理，使天然氣汽車得以與時(shí)俱進(jìn)，繼而滿足新時(shí)代可持續(xù)發(fā)展背景下人們應(yīng)用汽車的切實(shí)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張啟波，仇昱皎，張護(hù)國(guó).天然氣凈化裝置偏差處置及管理模式構(gòu)建[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，16（5）：39-44.

[2]馬永新，姜明月.車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（19）：207-208.

[3]楊萌.關(guān)于天然氣汽車應(yīng)用技術(shù)的研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2017（14）：34.

[4]趙斌，李秋碩.淺析混氫天然氣HCNG在汽車行業(yè)的應(yīng)用[J].客車技術(shù)，2017（4）：3-6.