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汽車油改氣的基本常識

時間:2014-01-14來源:本站瀏覽次數:4094打印

1、目前,為了方便起見一般所謂的天然氣汽車就是包括CNG、LNG、和LPG汽車。
CNG(Compressed Natural Gas)汽車,也就是壓縮天然氣汽車。

LNG:如將天然氣液化(常壓下-162℃)后,裝入低壓保溫容器中放在汽車上,就是LNG Liquefied Natural Gas)汽車,也就是液化天然氣汽車。

LPG:在油田輕烴回收裝置中處理天然氣時和在石油煉制過程中,都有一種以丙烷和丁烷為主的副產品它們也是天然氣組成的一部分,比較容易液化,而在常壓下又是氣態,與日常家用的液化氣非常相似,也可以做汽車燃料這就是LPG(Liquefied Petroleum Gas),也叫液化石油氣,習慣上也將LPG汽車作為天然氣汽車的一種,但有些國家的天然氣汽車不包括LPG汽車。

2、天然氣氣瓶中氣體的壓力一般為21Mpa(3000psi ) 。

3、天然氣汽車的優缺點
優點
□①有較高的經濟效益。在相同的當量熱值時,世界各國一般將1立方米天然氣的價格控制為1升汽油柴油的一半。
□如果各類發動機的熱效率比較近,則天然氣汽車的燃料費用大約是汽油車或柴油車的一半。使用汽車的運行費用大幅度降低。
□就汽車 發動機而言,天然氣容易擴散,在發動機中容易和空氣均勻混合,燃燒比較完全、干凈、不容易產生積碳,抗爆性能好,不會稀釋潤滑油,因而使發動機汽缸內的零件磨損大大減少,使發動機的壽命和潤滑油的使用期限大幅度增長。這些都會降低汽車的保養和運行費用,提高汽車使用的經濟性。
□②有較好的社會效益。與石油燃料相比,氣體燃料在制備過程中能量損失較小,對大氣的有害排放污染物少。從燃料來源考慮,對環境保護是更有利的。
□③比較安全。CNG、LNG和LPG汽車的氣瓶或氣罐等都很結實可靠。天然氣本身比空氣輕(LPG除外),稍有泄漏,很快就會擴散到大氣中。氣體燃料系統的各個部件,特別是密封部分,都經過嚴格的檢查。因此,天然氣作為汽車燃料是比較安全的。

□缺點
□①由于氣體燃料的能量密度低,天然氣汽車攜帶的燃料量較少,一般行駛距離較汽油車短。由于氣體燃料在汽缸中的可燃混合氣里占有一定的容積(汽油機汽缸中流體燃料所占容積忽略不計),在同樣的汽缸工作容積下,用天然氣作燃料時作的功少。而目前用的天然氣發動機大多是由原汽油機改裝的,因而汽油汽車在改用天然氣后功率往往會下降10%~20%左右,這就是司機所說的爬坡沒勁、加速響應慢等現象。一般柴油汽車如果用"雙燃料"方式改裝燃用天然氣,則不會出現這種現象,但改裝件的結構較為復雜。
□②由于目前的天然氣汽車是在原來的汽油車或柴油車的基礎上改裝的,原來汽油機或柴油機的燃料系統大多保留。 這樣,要在原汽車的增加天然氣燃料系統,特別是氣瓶使原來的汽車的有效空間減少,本身的自重也增加了。
□③天然氣是氣態燃料,不容易儲存和攜帶。  
□雖然有以上的不足之處,但從總的經濟和社會效益分析,用天然氣作為汽車燃料還是利大于弊。

天然氣汽車的工作方式

 □1.汽油車的改裝
□使用天然氣作為燃料的工作原理與原來的汽油機相同。將高壓氣瓶中儲存的天然氣經過減壓后送到混合器中,在此與空氣混合,進入汽缸。仍然使用原汽油機的點火系統中的火花塞點火。原汽油機的壓縮比不改變,原來發動機的結構基本不變,只是另外加上天然氣的儲氣瓶、減壓閥及相應的開關。改裝費用較低,而且用天然氣或汽油兩種燃料都可以工作,雖然天然氣的抗爆性很好,允許在較高的壓縮比下工作,但因為在改裝時為了使原發動機仍可用汽油工作,故原發動機的壓縮比沒有改變,發動機的功率要損失10%~20%。為了減少功率損失,可在改裝時把原來汽油機的壓縮比提高(最簡單的辦法是將汽缸蓋刨去一部分),并改變點火提前角以適應天然氣的工作需要。這樣雖然可以減少工率損失,但再用汽油工作時將會有產生爆震的危險,甚至于不能工作。難以回到原來的汽油機工作方式。所以目前汽油車改裝時,發動機的壓縮比一般保持不變。

□2. 柴油汽車的改裝

□可以有兩類方法。第一類方法是原柴油機結構基本不變,按電點火方式改裝,即按汽油機的工作原理(奧托循環)工作。把原來柴油機的燃料系統全部去掉,將壓縮比降低到天然氣所能承擔的數值(比汽油機高,一般為(8~10)∶1)除了要裝天然氣燃料系統的部件--儲氣瓶、減壓閥、混合器等之外,還要再加上電點火系統,成為只燃燒天然氣的單燃料天然氣汽車。這種改裝方法比較簡單、技術比較成熟,但不能再用柴油工作,而且發動機功率損失較大,只有原來柴油機的65%~70%左右。

□第二種方法是原來柴油機的燃料系統不變,再加上和上面相同的天然氣燃料系統,一般壓縮比不用改變。發動機汽缸吸入空氣和天然氣的混合氣后,由原來的柴油噴油器噴入少量的柴油作為引燃用。柴油壓燃著火以后,點燃了天然氣和空氣的可燃混合氣進工作,這就是雙燃料天然氣發動機。

□其基本工作原理為:啟動時用全柴油,加負荷時空氣與燃氣混合器的負壓傳到膜片機構上,通過泵桿將柴油高壓油泵齒條限上,此時司機再踏下油門踏板時就只增加天然氣燃料的流量。

□雙燃料的工作方式不僅不會損失功率,而且由天然氣的燃燒性能好,還可比原來的柴油機的功率略有增加。

□這是因為柴油機的壓縮比高,原來的過量空氣系數較大的緣故。這種改裝方式對原柴油機的變動最少,而且在天然氣供應不足時還可以轉為全柴油工作。但這種工作方式在中、低負荷時,經濟性和排放都不太好。因此,在不另外增加克服這些不足的手段時,不適用于城市公共汽車。最好是那些長時間處于中、高負荷的汽車和長途運輸汽車使用這種改裝方式。

□現代技術先進的汽車燃料系統大多是用電腦控制的電子燃料噴射系統。就是用電腦根據使用的工況自動地改變電子噴身閥所噴出的汽油或柴油的時間、流量以及點火時間。如改用天然氣作為燃料,需要將汽油或柴油的電子噴射閥換成或另外加裝天然氣電子噴射閥,再改動電腦的控制軟件的等程序,就可以成為燃燒天然氣的天然氣發動機。當然,天然氣燃料系統中的其它部件和儲氣瓶、減壓閥等還是不可少的。

天然氣汽車使用的安全性

 在天然氣汽車推廣過程中,人們擔心天然氣汽車,特別是CNG汽車的安全性。這是一種誤解。當然,天然氣是易爆氣體,但天然氣的爆炸是有條件的,在采取了一系列安全措施后,可以安全的將天然氣用于汽車上,就象"電"一樣,在了解了它的特點以后,今開我們不論是在生產上還是在生活上,不是都在安全的應用著大量的電氣設備嗎?

□首先,從燃料本身的特點來說,天然氣的燃點一般在650℃以上,而汽油為427℃。天  
然氣比汽油高出200℃以上,這說明天然氣不象汽油那樣容易被點燃。其次天然氣在空氣中燃燒時的體積界限是5%~15%,而汽油是1%~7%。即大氣中有1%的汽油濃度就很容易發生著火爆炸。天然氣要比汽油好的多,因為它要積累到5%才到達它的燃燒下限。更重要的是天然氣比空氣輕,其密度只是空氣的55%,稍有泄漏,很容易向大氣中擴散,不至于達到低燃燒界限。使用時還要在天然氣里放加臭劑以提高對天然氣泄漏的及早發現,從而采取預防措施。最重要的是,天然氣在空氣中的比例即使達到爆炸極限度,沒有火源也不會發生爆炸。 所以在存放天然氣的地方必須嚴禁煙火。

□其次,天然氣 發動機的燃料系統所用元器件不多,主要是一些開關和減壓閥、混合器等,這些部件的關鍵是密封問題。選材、加工、安裝、高度等都是在嚴格的質量保證的條件下進行的,不應有安全問題。在天然氣汽車加氣裝置中,有自動定壓、定溫控制和斷流截止閥。汽車上的油氣轉換開關能使發動機在停車后自動關閉油、氣供應。
□關于CNG儲氣瓶安全問題。對于使用壓力為20Mpa的儲氣瓶,無論什么材料制造的,都要經過下列嚴格的安全檢驗。
    一、靜水壓力爆破試驗
□在抽樣的儲氣瓶中充水,在加壓速度不超過1.38Mpa/s的條件下升壓至56.5Mpa并保持10s,最后加壓到破壞。
□二、壓力循環試驗
□在2.5~25Mpa之間進行靜水壓力循環試驗13000次;在2.3~35Mpa之間試驗5000次,每次試驗1min,以不出現裂紋或變形為合格.
□三、耐火試驗
    在CNG氣瓶內,充以25Mpa的天然氣,用火燒此氣瓶20min,以不發生爆炸為合格。
□四、墜落試驗
    將CNG空瓶升至3m或更高的空中,向水泥地上反復進行墜落摔打,然后進行10%~100%的工作壓力下水循環13000次,不出現裂紋為合格。
□五、槍擊試驗
    將CNG樣瓶充入25Mpa的天然氣,在距離46m處用速度為853m/s、口徑為0.3in的空甲彈,對瓶體進行45度的射擊。氣瓶不應出現裂紋。
□此外,氣瓶還裝有安全閥,其內裝有100℃的易熔合金和26Mpa的爆破片。當氣瓶內氣體壓力、溫度超過上述數值時會自動放氣。雖然壓縮開然汽車發展時間還不長,但現在世界上也有約100多萬輛CNG汽車,還沒有見到在運行中因交通事故引起氣瓶爆炸失火的記錄。因此壓縮天然氣汽車比汽油汽車更加安全。
天然氣燃料的物理性質
作為內燃機燃料,主要是利用不同的燃料所發出的熱能在內燃機內轉換成為有用功。液體燃料如汽油、柴油等是在煉油廠中按照燃料標準的物理、化學的規定,由原油煉制而成,其物理、化學性質有嚴格規定,因而比較穩定。氣體燃料由于來自不同的油田和氣田,或來自各個煉油廠,其間無論其成分還是性質都有較大的區別。作為汽車用的天然氣燃料,有一些基本要求,特別要注意以下幾個方面的性質。  
□一、組分
□天然氣的主要成分是烷烴中的輕組分,基本由田烷CH4(82%~98%)和不多的乙烷C2H6(6%)、丙烷C3H8(1.5%)和丁烷C4H10(約1%)組成。一般油、氣田的天然氣中的甲烷含量差別相當大。我國四川氣田天然氣中的甲烷含量多在95%以上,而油田的伴生天然氣中的甲烷含量則為70%~80%。有的甲烷含量更低,并且含有較重的烴類,如丁烷、戊烷和已烷等。
□作為車用 天然氣燃料,液化天然氣(LNG)的條件最好。因為LNG是天然氣在低溫深冷(常壓下為-162℃)下液化生成的,可以說是純甲烷,是車用燃料中最受歡迎的燃料。CNG中主要成分應該是甲烷和極度少量的乙烷。如果用油田伴生氣作為車用燃料應將所含高碳烴脫除。LPG的主要成分為丙烷和丁烷,但由于其來源不同又有所區別。
□如果是從油、氣田輕烴回收裝置中得到的LPG,則以丙烷、丁烷為主,很少有烯烴存在,適于做車用燃料。而從煉油廠中得到的副產品LPG,除了丙烷、丁烷以外還含有不少丙烯C3H6、丁烯C4H8和丁二烯C4H8等烯烴成分。烯烴密度略小,熱值較低,發火性能差。由于是不飽和烴,容易氧化產生膠質,使燃料系統的蒸發器、混合器的膜片膠結、腐蝕而影響發動機的工作。此外,燃燒不完全,容易產生積炭,加速機件的磨損。因而煉油廠副產品的LPG不適宜做車用燃料。除非單獨加以處 理,使其烯烴含量在規定數值以內。
□此外,在CNG和LPG中還含有一些雜質,其含量應符合國家有關標準的要求。目前車用CNG的行業標準正在制訂中。LPG已有油、氣田液化石油氣和石油產品燃料中的液化石油氣(LPG)兩個國標,但都未規定烯烴的含量,因此還應制訂車用LPG的標準以便使用。
□二、熱值
□燃料的熱值是指單位燃料在量熱計中燃燒后測得的熱量數值。由于燃料燃燒產物中的H2O在冷凝的過程中會放出潛熱包括在量熱計所測的數值中,所以測出的數值稱為高熱值。這部分潛熱在發動機中是無法利用的,因此要將這部分熱量從高熱值中減去。燃料在氣缸中燃燒后發出的有效熱量稱為低熱值。在計算天然氣燃料的發熱量時要按低熱值計算。按單位質量氣態烴所測得的熱值相差不太多。C1的熱值稍多些,隨著碳數的增加熱值略有減少。由于氣體燃料用容積作單位便于計量,而碳數少的烴密度小,所以按單位體積計量的熱值就比較少了。氣體燃料是各種輕烴的混合物,所以天然氣的熱值可以用下式計算: HU=Σr iHui/100式中HU--天然氣的低熱值,KJ/Nm3; Hui_第i個可燃組分的低熱值,kJ/Nm3 ri_--I個可燃緩分的容積(或摩爾)百分數,% 由于各個天然氣燃料的產地、氣候等條件的不同,氣體燃料 的成分有一定的變化,利用上式可以計算出分析后的氣體燃料的低熱值。
□三、抗爆性
□汽油作為發動機燃料有一個很重要的品質,這就是它的抗爆性?,F在汽油的牌號就是抗爆性能指標--辛烷值的數值天然氣在汽車發動機中,特別是在汽油機改裝的天然氣發動機中,類似于汽油,即在汽缸外部燃料與空氣形成可燃混合氣,送到汽缸后,再用外源(電火花)點著,因此也會遇到與汽油類似的抗爆性能高低的問題。所謂抗爆性是指燃料抵抗爆震燃燒的能力。
□什么是爆震燃燒呢?在汽油機中電火花點火后,在汽缸中火焰開始在均勻的可燃混合氣中傳播?;鹧媲懊娴奈慈蓟旌蠚庖蚴艿揭呀浫紵幕旌蠚獾膲嚎s和輻射傳熱使溫度、壓力升高,加速了其化學變化,即所謂的焰前反應。離火焰 中心越遠,未燃混合氣的焰前反應越深。如果火焰面及時傳到,把它燃著,就是正常燃燒。如果在正?;鹧嫔形吹竭_之前,未燃混合氣的化學準備過程已經完成,就會產生自然,形成新火焰中心并以高達1500~2000m/s的速度進行火焰傳播。這種帶有爆炸性質的燃燒進行得非常迅速,使來不及膨脹的推進,產生撞擊并發出尖銳的金屬敲擊聲。與此同時,排氣冒黑煙,發動機功率明顯下降,這種現象稱為爆震燃燒,簡稱爆燃或爆震。
□影響爆震的因素很多,如結構上的壓縮比、燃燒室形狀、運行時的轉速、負荷等等。但發動機已經制造好,則使用的燃料本身的性質,如自燃點的高低、氧化反應的速度等對爆震的產生起著決定性作用,這就是燃料的抗爆性。由于異辛烷的抗爆性最好,所以將它的抗爆性定為100,也就是辛烷值為100。其它的燃料與異辛烷比較,如93號汽油的抗爆性是異辛烷的93%,這種汽油的辛烷值就定為93。對于抗爆性能超過異辛烷的甲烷、乙烷就較難直接測得?,F在發表的甲烷、乙烷等氣體燃料的抗爆性,即辛烷值都是近似值。奧地利的李斯特內燃機及測試設備公司于60年代,用類似體燃料抗爆性能的指標,叫做甲烷值(Methane Number)。即以甲烷的抗爆能力為100來衡量其它氣體燃料的抗爆性,以便將各種氣體燃料按不販使用條件用于發動機工作。美國庫伯公司也提出了一個正丁烷值(NBN)作為衡量氣體燃料抗爆性 的參數。目前,世界上還沒有一個統一的衡量氣體燃料抗爆性的指標和方法。
□但是,從這個參考的辛烷值中可以看到,甲烷、乙烷等天然氣燃料的抗爆性能非常好。因而相應的極度限壓縮比比較高,這就是天然氣發動機壓縮比可以比汽油機高的原因,而壓縮比高,則發動機的熱效率高,也就省燃料。

按照天然氣和汽油的熱值計算,標準狀態下,1立方米天然氣相當于1.1-1.3升汽油。
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