汽車油改氣的基本常識(shí)
時(shí)間：2014-01-14來(lái)源：本站瀏覽次數(shù)：6018打印
1、目前，為了方便起見(jiàn)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(shí)和在石油煉制過(guò)程中，都有一種以丙烷和丁烷為主的副產(chǎn)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(tài)，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(xí)慣上也將LPG汽車作為天然氣汽車的一種，但有些國(guó)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(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
□①有較高的經(jīng)濟(jì)效益。在相同的當(dāng)量熱值時(shí)，世界各國(guó)一般將1立方米天然氣的價(jià)格控制為1升汽油柴油的一半。
□如果各類發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率比較近，則天然氣汽車的燃料費(fèi)用大約是汽油車或柴油車的一半。使用汽車的運(yùn)行費(fèi)用大幅度降低。
□就汽車 發(fā)動(dòng)機(jī)而言，天然氣容易擴(kuò)散，在發(fā)動(dòng)機(jī)中容易和空氣均勻混合，燃燒比較完全、干凈、不容易產(chǎn)生積碳，抗爆性能好，不會(huì)稀釋潤(rùn)滑油，因而使發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的零件磨損大大減少，使發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和潤(rùn)滑油的使用期限大幅度增長(zhǎng)。這些都會(huì)降低汽車的保養(yǎng)和運(yùn)行費(fèi)用，提高汽車使用的經(jīng)濟(jì)性。
□②有較好的社會(huì)效益。與石油燃料相比，氣體燃料在制備過(guò)程中能量損失較小，對(duì)大氣的有害排放污染物少。從燃料來(lái)源考慮，對(duì)環(huán)境保護(hù)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(jié)實(shí)可靠。天然氣本身比空氣輕(LPG除外)，稍有泄漏，很快就會(huì)擴(kuò)散到大氣中。氣體燃料系統(tǒng)的各個(gè)部件，特別是密封部分，都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢查。因此，天然氣作為汽車燃料是比較安全的。
□缺點(diǎn)
□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(jī)汽缸中流體燃料所占容積忽略不計(jì))，在同樣的汽缸工作容積下，用天然氣作燃料時(shí)作的功少。而目前用的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)大多是由原汽油機(jī)改裝的，因而汽油汽車在改用天然氣后功率往往會(huì)下降10%～20%左右，這就是司機(jī)所說(shuō)的爬坡沒(méi)勁、加速響應(yīng)慢等現(xiàn)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(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，但改裝件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
□②由于目前的天然氣汽車是在原來(lái)的汽油車或柴油車的基礎(chǔ)上改裝的，原來(lái)汽油機(jī)或柴油機(jī)的燃料系統(tǒng)大多保留。 這樣，要在原汽車的增加天然氣燃料系統(tǒng)，特別是氣瓶使原來(lái)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(tài)燃料，不容易儲(chǔ)存和攜帶。
□雖然有以上的不足之處，但從總的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(lái)的汽油機(jī)相同。將高壓氣瓶中儲(chǔ)存的天然氣經(jīng)過(guò)減壓后送到混合器中，在此與空氣混合，進(jìn)入汽缸。仍然使用原汽油機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)中的火花塞點(diǎn)火。原汽油機(jī)的壓縮比不改變，原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基本不變，只是另外加上天然氣的儲(chǔ)氣瓶、減壓閥及相應(yīng)的開關(guān)。改裝費(fèi)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?yàn)樵诟难b時(shí)為了使原發(fā)動(dòng)機(jī)仍可用汽油工作，故原發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比沒(méi)有改變，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要損失10%～20%。為了減少功率損失，可在改裝時(shí)把原來(lái)汽油機(jī)的壓縮比提高(最簡(jiǎn)單的辦法是將汽缸蓋刨去一部分)，并改變點(diǎn)火提前角以適應(yīng)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(shí)將會(huì)有產(chǎn)生爆震的危險(xiǎn)，甚至于不能工作。難以回到原來(lái)的汽油機(jī)工作方式。所以目前汽油車改裝時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)基本不變，按電點(diǎn)火方式改裝，即按汽油機(jī)的工作原理(奧托循環(huán))工作。把原來(lái)柴油機(jī)的燃料系統(tǒng)全部去掉，將壓縮比降低到天然氣所能承擔(dān)的數(shù)值(比汽油機(jī)高，一般為(8～10)∶1)除了要裝天然氣燃料系統(tǒng)的部件--儲(chǔ)氣瓶、減壓閥、混合器等之外，還要再加上電點(diǎn)火系統(tǒng)，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(jiǎn)單、技術(shù)比較成熟，但不能再用柴油工作，而且發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失較大，只有原來(lái)柴油機(jī)的65%～70%左右。
□第二種方法是原來(lái)柴油機(jī)的燃料系統(tǒng)不變，再加上和上面相同的天然氣燃料系統(tǒng)，一般壓縮比不用改變。發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸吸入空氣和天然氣的混合氣后，由原來(lái)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(diǎn)燃了天然氣和空氣的可燃混合氣進(jìn)工作，這就是雙燃料天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
□其基本工作原理為：?jiǎn)?dòng)時(shí)用全柴油，加負(fù)荷時(shí)空氣與燃?xì)饣旌掀鞯呢?fù)壓傳到膜片機(jī)構(gòu)上，通過(guò)泵桿將柴油高壓油泵齒條限上，此時(shí)司機(jī)再踏下油門踏板時(shí)就只增加天然氣燃料的流量。
□雙燃料的工作方式不僅不會(huì)損失功率，而且由天然氣的燃燒性能好，還可比原來(lái)的柴油機(jī)的功率略有增加。
□這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)的壓縮比高，原來(lái)的過(guò)量空氣系數(shù)較大的緣故。這種改裝方式對(duì)原柴油機(jī)的變動(dòng)最少，而且在天然氣供應(yīng)不足時(shí)還可以轉(zhuǎn)為全柴油工作。但這種工作方式在中、低負(fù)荷時(shí)，經(jīng)濟(jì)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(shí)，不適用于城市公共汽車。最好是那些長(zhǎng)時(shí)間處于中、高負(fù)荷的汽車和長(zhǎng)途運(yùn)輸汽車使用這種改裝方式。
□現(xiàn)代技術(shù)先進(jìn)的汽車燃料系統(tǒng)大多是用電腦控制的電子燃料噴射系統(tǒng)。就是用電腦根據(jù)使用的工況自動(dòng)地改變電子噴身閥所噴出的汽油或柴油的時(shí)間、流量以及點(diǎn)火時(shí)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(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)然，天然氣燃料系統(tǒng)中的其它部件和儲(chǔ)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(guò)程中，人們擔(dān)心天然氣汽車，特別是CNG汽車的安全性。這是一種誤解。當(dāng)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(diǎn)以后，今開我們不論是在生產(chǎn)上還是在生活上，不是都在安全的應(yīng)用著大量的電氣設(shè)備嗎？
□首先，從燃料本身的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，天然氣的燃點(diǎn)一般在650℃以上，而汽油為427℃。天
然氣比汽油高出200℃以上，這說(shuō)明天然氣不象汽油那樣容易被點(diǎn)燃。其次天然氣在空氣中燃燒時(shí)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(fā)生著火爆炸。天然氣要比汽油好的多，因?yàn)樗e累到5%才到達(dá)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(kuò)散，不至于達(dá)到低燃燒界限。使用時(shí)還要在天然氣里放加臭劑以提高對(duì)天然氣泄漏的及早發(fā)現(xiàn)，從而采取預(yù)防措施。最重要的是，天然氣在空氣中的比例即使達(dá)到爆炸極限度,沒(méi)有火源也不會(huì)發(fā)生爆炸。 所以在存放天然氣的地方必須嚴(yán)禁煙火。
□其次，天然氣 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料系統(tǒng)所用元器件不多，主要是一些開關(guān)和減壓閥、混合器等，這些部件的關(guān)鍵是密封問(wèn)題。選材、加工、安裝、高度等都是在嚴(yán)格的質(zhì)量保證的條件下進(jìn)行的，不應(yīng)有安全問(wèn)題。在天然氣汽車加氣裝置中，有自動(dòng)定壓、定溫控制和斷流截止閥。汽車上的油氣轉(zhuǎn)換開關(guān)能使發(fā)動(dòng)機(jī)在停車后自動(dòng)關(guān)閉油、氣供應(yīng)。
□關(guān)于CNG儲(chǔ)氣瓶安全問(wèn)題。對(duì)于使用壓力為20Mpa的儲(chǔ)氣瓶，無(wú)論什么材料制造的，都要經(jīng)過(guò)下列嚴(yán)格的安全檢驗(yàn)。
一、靜水壓力爆破試驗(yàn)
□在抽樣的儲(chǔ)氣瓶中充水，在加壓速度不超過(guò)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(huán)試驗(yàn)
□在2.5～25Mpa之間進(jìn)行靜水壓力循環(huán)試驗(yàn)13000次;在2.3～35Mpa之間試驗(yàn)5000次,每次試驗(yàn)1min,以不出現(xiàn)裂紋或變形為合格.
□三、耐火試驗(yàn)
在CNG氣瓶?jī)?nèi)，充以25Mpa的天然氣，用火燒此氣瓶20min，以不發(fā)生爆炸為合格。
□四、墜落試驗(yàn)
將CNG空瓶升至3m或更高的空中，向水泥地上反復(fù)進(jìn)行墜落摔打，然后進(jìn)行10%～100%的工作壓力下水循環(huán)13000次，不出現(xiàn)裂紋為合格。
□五、槍擊試驗(yàn)
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(duì)瓶體進(jìn)行45度的射擊。氣瓶不應(yīng)出現(xiàn)裂紋。
□此外，氣瓶還裝有安全閥，其內(nèi)裝有100℃的易熔合金和26Mpa的爆破片。當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力、溫度超過(guò)上述數(shù)值時(shí)會(huì)自動(dòng)放氣。雖然壓縮開然汽車發(fā)展時(shí)間還不長(zhǎng)，但現(xiàn)在世界上也有約100多萬(wàn)輛CNG汽車，還沒(méi)有見(jiàn)到在運(yùn)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(zhì)
作為內(nèi)燃機(jī)燃料，主要是利用不同的燃料所發(fā)出的熱能在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的物理、化學(xué)的規(guī)定，由原油煉制而成，其物理、化學(xué)性質(zhì)有嚴(yán)格規(guī)定，因而比較穩(wěn)定。氣體燃料由于來(lái)自不同的油田和氣田，或來(lái)自各個(gè)煉油廠，其間無(wú)論其成分還是性質(zhì)都有較大的區(qū)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(gè)方面的性質(zhì)。
□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(dāng)大。我國(guó)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?yàn)長(zhǎng)NG是天然氣在低溫深冷(常壓下為-162℃)下液化生成的，可以說(shuō)是純甲烷，是車用燃料中最受歡迎的燃料。CNG中主要成分應(yīng)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(yīng)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(lái)源不同又有所區(qū)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(chǎn)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(fā)火性能差。由于是不飽和烴，容易氧化產(chǎn)生膠質(zhì)，使燃料系統(tǒng)的蒸發(fā)器、混合器的膜片膠結(jié)、腐蝕而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。此外，燃燒不完全，容易產(chǎn)生積炭，加速機(jī)件的磨損。因而煉油廠副產(chǎn)品的LPG不適宜做車用燃料。除非單獨(dú)加以處 理，使其烯烴含量在規(guī)定數(shù)值以內(nèi)。
□此外，在CNG和LPG中還含有一些雜質(zhì)，其含量應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前車用CNG的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在制訂中。LPG已有油、氣田液化石油氣和石油產(chǎn)品燃料中的液化石油氣(LPG)兩個(gè)國(guó)標(biāo)，但都未規(guī)定烯烴的含量，因此還應(yīng)制訂車用LPG的標(biāo)準(zhǔn)以便使用。
□二、熱值
□燃料的熱值是指單位燃料在量熱計(jì)中燃燒后測(cè)得的熱量數(shù)值。由于燃料燃燒產(chǎn)物中的H2O在冷凝的過(guò)程中會(huì)放出潛熱包括在量熱計(jì)所測(cè)的數(shù)值中，所以測(cè)出的數(shù)值稱為高熱值。這部分潛熱在發(fā)動(dòng)機(jī)中是無(wú)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(fā)出的有效熱量稱為低熱值。在計(jì)算天然氣燃料的發(fā)熱量時(shí)要按低熱值計(jì)算。按單位質(zhì)量氣態(tài)烴所測(cè)得的熱值相差不太多。C1的熱值稍多些，隨著碳數(shù)的增加熱值略有減少。由于氣體燃料用容積作單位便于計(jì)量，而碳數(shù)少的烴密度小，所以按單位體積計(jì)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(jì)算： HU=Σr iHui/100式中HU--天然氣的低熱值，KJ/Nm3; Hui_第i個(gè)可燃組分的低熱值，kJ/Nm3 ri_--I個(gè)可燃緩分的容積(或摩爾)百分?jǐn)?shù)，% 由于各個(gè)天然氣燃料的產(chǎn)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(jì)算出分析后的氣體燃料的低熱值。
□三、抗爆性
□汽油作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料有一個(gè)很重要的品質(zhì)，這就是它的抗爆性?，F(xiàn)在汽油的牌號(hào)就是抗爆性能指標(biāo)--辛烷值的數(shù)值天然氣在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，特別是在汽油機(jī)改裝的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)著，因此也會(huì)遇到與汽油類似的抗爆性能高低的問(wèn)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(jī)中電火花點(diǎn)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?jīng)燃燒的混合氣的壓縮和輻射傳熱使溫度、壓力升高，加速了其化學(xué)變化，即所謂的焰前反應(yīng)。離火焰 中心越遠(yuǎn)，未燃混合氣的焰前反應(yīng)越深。如果火焰面及時(shí)傳到，把它燃著，就是正常燃燒。如果在正?；鹧嫔形吹竭_(dá)之前，未燃混合氣的化學(xué)準(zhǔn)備過(guò)程已經(jīng)完成，就會(huì)產(chǎn)生自然，形成新火焰中心并以高達(dá)1500～2000m/s的速度進(jìn)行火焰?zhèn)鞑?。這種帶有爆炸性質(zhì)的燃燒進(jìn)行得非常迅速，使來(lái)不及膨脹的推進(jìn)，產(chǎn)生撞擊并發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲。與此同時(shí)，排氣冒黑煙，發(fā)動(dòng)機(jī)功率明顯下降，這種現(xiàn)象稱為爆震燃燒，簡(jiǎn)稱爆燃或爆震。
□影響爆震的因素很多，如結(jié)構(gòu)上的壓縮比、燃燒室形狀、運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等等。但發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)制造好，則使用的燃料本身的性質(zhì)，如自燃點(diǎn)的高低、氧化反應(yīng)的速度等對(duì)爆震的產(chǎn)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(hào)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(duì)于抗爆性能超過(guò)異辛烷的甲烷、乙烷就較難直接測(cè)得?，F(xiàn)在發(fā)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(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司于60年代，用類似體燃料抗爆性能的指標(biāo)，叫做甲烷值(Methane Number)。即以甲烷的抗爆能力為100來(lái)衡量其它氣體燃料的抗爆性，以便將各種氣體燃料按不販?zhǔn)褂脳l件用于發(fā)動(dòng)機(jī)工作。美國(guó)庫(kù)伯公司也提出了一個(gè)正丁烷值(NBN)作為衡量氣體燃料抗爆性 的參數(shù)。目前，世界上還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的衡量氣體燃料抗爆性的指標(biāo)和方法。
□但是，從這個(gè)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(yīng)的極度限壓縮比比較高，這就是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比可以比汽油機(jī)高的原因，而壓縮比高，則發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高，也就省燃料。
按照天然氣和汽油的熱值計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1立方米天然氣相當(dāng)于1．1－1．3升汽油。
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(shí)和在石油煉制過(guò)程中，都有一種以丙烷和丁烷為主的副產(chǎn)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(tài)，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(xí)慣上也將LPG汽車作為天然氣汽車的一種，但有些國(guó)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(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
□①有較高的經(jīng)濟(jì)效益。在相同的當(dāng)量熱值時(shí)，世界各國(guó)一般將1立方米天然氣的價(jià)格控制為1升汽油柴油的一半。
□如果各類發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率比較近，則天然氣汽車的燃料費(fèi)用大約是汽油車或柴油車的一半。使用汽車的運(yùn)行費(fèi)用大幅度降低。
□就汽車 發(fā)動(dòng)機(jī)而言，天然氣容易擴(kuò)散，在發(fā)動(dòng)機(jī)中容易和空氣均勻混合，燃燒比較完全、干凈、不容易產(chǎn)生積碳，抗爆性能好，不會(huì)稀釋潤(rùn)滑油，因而使發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)的零件磨損大大減少，使發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命和潤(rùn)滑油的使用期限大幅度增長(zhǎng)。這些都會(huì)降低汽車的保養(yǎng)和運(yùn)行費(fèi)用，提高汽車使用的經(jīng)濟(jì)性。
□②有較好的社會(huì)效益。與石油燃料相比，氣體燃料在制備過(guò)程中能量損失較小，對(duì)大氣的有害排放污染物少。從燃料來(lái)源考慮，對(duì)環(huán)境保護(hù)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(jié)實(shí)可靠。天然氣本身比空氣輕(LPG除外)，稍有泄漏，很快就會(huì)擴(kuò)散到大氣中。氣體燃料系統(tǒng)的各個(gè)部件，特別是密封部分，都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢查。因此，天然氣作為汽車燃料是比較安全的。
□缺點(diǎn)
□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(jī)汽缸中流體燃料所占容積忽略不計(jì))，在同樣的汽缸工作容積下，用天然氣作燃料時(shí)作的功少。而目前用的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)大多是由原汽油機(jī)改裝的，因而汽油汽車在改用天然氣后功率往往會(huì)下降10%～20%左右，這就是司機(jī)所說(shuō)的爬坡沒(méi)勁、加速響應(yīng)慢等現(xiàn)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(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，但改裝件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
□②由于目前的天然氣汽車是在原來(lái)的汽油車或柴油車的基礎(chǔ)上改裝的，原來(lái)汽油機(jī)或柴油機(jī)的燃料系統(tǒng)大多保留。 這樣，要在原汽車的增加天然氣燃料系統(tǒng)，特別是氣瓶使原來(lái)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(tài)燃料，不容易儲(chǔ)存和攜帶。
□雖然有以上的不足之處，但從總的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(lái)的汽油機(jī)相同。將高壓氣瓶中儲(chǔ)存的天然氣經(jīng)過(guò)減壓后送到混合器中，在此與空氣混合，進(jìn)入汽缸。仍然使用原汽油機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)中的火花塞點(diǎn)火。原汽油機(jī)的壓縮比不改變，原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)基本不變，只是另外加上天然氣的儲(chǔ)氣瓶、減壓閥及相應(yīng)的開關(guān)。改裝費(fèi)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?yàn)樵诟难b時(shí)為了使原發(fā)動(dòng)機(jī)仍可用汽油工作，故原發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比沒(méi)有改變，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要損失10%～20%。為了減少功率損失，可在改裝時(shí)把原來(lái)汽油機(jī)的壓縮比提高(最簡(jiǎn)單的辦法是將汽缸蓋刨去一部分)，并改變點(diǎn)火提前角以適應(yīng)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(shí)將會(huì)有產(chǎn)生爆震的危險(xiǎn)，甚至于不能工作。難以回到原來(lái)的汽油機(jī)工作方式。所以目前汽油車改裝時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)基本不變，按電點(diǎn)火方式改裝，即按汽油機(jī)的工作原理(奧托循環(huán))工作。把原來(lái)柴油機(jī)的燃料系統(tǒng)全部去掉，將壓縮比降低到天然氣所能承擔(dān)的數(shù)值(比汽油機(jī)高，一般為(8～10)∶1)除了要裝天然氣燃料系統(tǒng)的部件--儲(chǔ)氣瓶、減壓閥、混合器等之外，還要再加上電點(diǎn)火系統(tǒng)，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(jiǎn)單、技術(shù)比較成熟，但不能再用柴油工作，而且發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失較大，只有原來(lái)柴油機(jī)的65%～70%左右。
□第二種方法是原來(lái)柴油機(jī)的燃料系統(tǒng)不變，再加上和上面相同的天然氣燃料系統(tǒng)，一般壓縮比不用改變。發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸吸入空氣和天然氣的混合氣后，由原來(lái)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(diǎn)燃了天然氣和空氣的可燃混合氣進(jìn)工作，這就是雙燃料天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
□其基本工作原理為：?jiǎn)?dòng)時(shí)用全柴油，加負(fù)荷時(shí)空氣與燃?xì)饣旌掀鞯呢?fù)壓傳到膜片機(jī)構(gòu)上，通過(guò)泵桿將柴油高壓油泵齒條限上，此時(shí)司機(jī)再踏下油門踏板時(shí)就只增加天然氣燃料的流量。
□雙燃料的工作方式不僅不會(huì)損失功率，而且由天然氣的燃燒性能好，還可比原來(lái)的柴油機(jī)的功率略有增加。
□這是因?yàn)椴裼蜋C(jī)的壓縮比高，原來(lái)的過(guò)量空氣系數(shù)較大的緣故。這種改裝方式對(duì)原柴油機(jī)的變動(dòng)最少，而且在天然氣供應(yīng)不足時(shí)還可以轉(zhuǎn)為全柴油工作。但這種工作方式在中、低負(fù)荷時(shí)，經(jīng)濟(jì)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(shí)，不適用于城市公共汽車。最好是那些長(zhǎng)時(shí)間處于中、高負(fù)荷的汽車和長(zhǎng)途運(yùn)輸汽車使用這種改裝方式。
□現(xiàn)代技術(shù)先進(jìn)的汽車燃料系統(tǒng)大多是用電腦控制的電子燃料噴射系統(tǒng)。就是用電腦根據(jù)使用的工況自動(dòng)地改變電子噴身閥所噴出的汽油或柴油的時(shí)間、流量以及點(diǎn)火時(shí)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(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)然，天然氣燃料系統(tǒng)中的其它部件和儲(chǔ)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(guò)程中，人們擔(dān)心天然氣汽車，特別是CNG汽車的安全性。這是一種誤解。當(dāng)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(diǎn)以后，今開我們不論是在生產(chǎn)上還是在生活上，不是都在安全的應(yīng)用著大量的電氣設(shè)備嗎？
□首先，從燃料本身的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，天然氣的燃點(diǎn)一般在650℃以上，而汽油為427℃。天
然氣比汽油高出200℃以上，這說(shuō)明天然氣不象汽油那樣容易被點(diǎn)燃。其次天然氣在空氣中燃燒時(shí)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(fā)生著火爆炸。天然氣要比汽油好的多，因?yàn)樗e累到5%才到達(dá)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(kuò)散，不至于達(dá)到低燃燒界限。使用時(shí)還要在天然氣里放加臭劑以提高對(duì)天然氣泄漏的及早發(fā)現(xiàn)，從而采取預(yù)防措施。最重要的是，天然氣在空氣中的比例即使達(dá)到爆炸極限度,沒(méi)有火源也不會(huì)發(fā)生爆炸。 所以在存放天然氣的地方必須嚴(yán)禁煙火。
□其次，天然氣 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料系統(tǒng)所用元器件不多，主要是一些開關(guān)和減壓閥、混合器等，這些部件的關(guān)鍵是密封問(wèn)題。選材、加工、安裝、高度等都是在嚴(yán)格的質(zhì)量保證的條件下進(jìn)行的，不應(yīng)有安全問(wèn)題。在天然氣汽車加氣裝置中，有自動(dòng)定壓、定溫控制和斷流截止閥。汽車上的油氣轉(zhuǎn)換開關(guān)能使發(fā)動(dòng)機(jī)在停車后自動(dòng)關(guān)閉油、氣供應(yīng)。
□關(guān)于CNG儲(chǔ)氣瓶安全問(wèn)題。對(duì)于使用壓力為20Mpa的儲(chǔ)氣瓶，無(wú)論什么材料制造的，都要經(jīng)過(guò)下列嚴(yán)格的安全檢驗(yàn)。
一、靜水壓力爆破試驗(yàn)
□在抽樣的儲(chǔ)氣瓶中充水，在加壓速度不超過(guò)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(huán)試驗(yàn)
□在2.5～25Mpa之間進(jìn)行靜水壓力循環(huán)試驗(yàn)13000次;在2.3～35Mpa之間試驗(yàn)5000次,每次試驗(yàn)1min,以不出現(xiàn)裂紋或變形為合格.
□三、耐火試驗(yàn)
在CNG氣瓶?jī)?nèi)，充以25Mpa的天然氣，用火燒此氣瓶20min，以不發(fā)生爆炸為合格。
□四、墜落試驗(yàn)
將CNG空瓶升至3m或更高的空中，向水泥地上反復(fù)進(jìn)行墜落摔打，然后進(jìn)行10%～100%的工作壓力下水循環(huán)13000次，不出現(xiàn)裂紋為合格。
□五、槍擊試驗(yàn)
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(duì)瓶體進(jìn)行45度的射擊。氣瓶不應(yīng)出現(xiàn)裂紋。
□此外，氣瓶還裝有安全閥，其內(nèi)裝有100℃的易熔合金和26Mpa的爆破片。當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力、溫度超過(guò)上述數(shù)值時(shí)會(huì)自動(dòng)放氣。雖然壓縮開然汽車發(fā)展時(shí)間還不長(zhǎng)，但現(xiàn)在世界上也有約100多萬(wàn)輛CNG汽車，還沒(méi)有見(jiàn)到在運(yùn)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(zhì)
作為內(nèi)燃機(jī)燃料，主要是利用不同的燃料所發(fā)出的熱能在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的物理、化學(xué)的規(guī)定，由原油煉制而成，其物理、化學(xué)性質(zhì)有嚴(yán)格規(guī)定，因而比較穩(wěn)定。氣體燃料由于來(lái)自不同的油田和氣田，或來(lái)自各個(gè)煉油廠，其間無(wú)論其成分還是性質(zhì)都有較大的區(qū)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(gè)方面的性質(zhì)。
□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(dāng)大。我國(guó)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?yàn)長(zhǎng)NG是天然氣在低溫深冷(常壓下為-162℃)下液化生成的，可以說(shuō)是純甲烷，是車用燃料中最受歡迎的燃料。CNG中主要成分應(yīng)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(yīng)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(lái)源不同又有所區(qū)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(chǎn)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(fā)火性能差。由于是不飽和烴，容易氧化產(chǎn)生膠質(zhì)，使燃料系統(tǒng)的蒸發(fā)器、混合器的膜片膠結(jié)、腐蝕而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。此外，燃燒不完全，容易產(chǎn)生積炭，加速機(jī)件的磨損。因而煉油廠副產(chǎn)品的LPG不適宜做車用燃料。除非單獨(dú)加以處 理，使其烯烴含量在規(guī)定數(shù)值以內(nèi)。
□此外，在CNG和LPG中還含有一些雜質(zhì)，其含量應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前車用CNG的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在制訂中。LPG已有油、氣田液化石油氣和石油產(chǎn)品燃料中的液化石油氣(LPG)兩個(gè)國(guó)標(biāo)，但都未規(guī)定烯烴的含量，因此還應(yīng)制訂車用LPG的標(biāo)準(zhǔn)以便使用。
□二、熱值
□燃料的熱值是指單位燃料在量熱計(jì)中燃燒后測(cè)得的熱量數(shù)值。由于燃料燃燒產(chǎn)物中的H2O在冷凝的過(guò)程中會(huì)放出潛熱包括在量熱計(jì)所測(cè)的數(shù)值中，所以測(cè)出的數(shù)值稱為高熱值。這部分潛熱在發(fā)動(dòng)機(jī)中是無(wú)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(fā)出的有效熱量稱為低熱值。在計(jì)算天然氣燃料的發(fā)熱量時(shí)要按低熱值計(jì)算。按單位質(zhì)量氣態(tài)烴所測(cè)得的熱值相差不太多。C1的熱值稍多些，隨著碳數(shù)的增加熱值略有減少。由于氣體燃料用容積作單位便于計(jì)量，而碳數(shù)少的烴密度小，所以按單位體積計(jì)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(jì)算： HU=Σr iHui/100式中HU--天然氣的低熱值，KJ/Nm3; Hui_第i個(gè)可燃組分的低熱值，kJ/Nm3 ri_--I個(gè)可燃緩分的容積(或摩爾)百分?jǐn)?shù)，% 由于各個(gè)天然氣燃料的產(chǎn)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(jì)算出分析后的氣體燃料的低熱值。
□三、抗爆性
□汽油作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料有一個(gè)很重要的品質(zhì)，這就是它的抗爆性?，F(xiàn)在汽油的牌號(hào)就是抗爆性能指標(biāo)--辛烷值的數(shù)值天然氣在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，特別是在汽油機(jī)改裝的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)著，因此也會(huì)遇到與汽油類似的抗爆性能高低的問(wèn)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(jī)中電火花點(diǎn)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?jīng)燃燒的混合氣的壓縮和輻射傳熱使溫度、壓力升高，加速了其化學(xué)變化，即所謂的焰前反應(yīng)。離火焰 中心越遠(yuǎn)，未燃混合氣的焰前反應(yīng)越深。如果火焰面及時(shí)傳到，把它燃著，就是正常燃燒。如果在正?；鹧嫔形吹竭_(dá)之前，未燃混合氣的化學(xué)準(zhǔn)備過(guò)程已經(jīng)完成，就會(huì)產(chǎn)生自然，形成新火焰中心并以高達(dá)1500～2000m/s的速度進(jìn)行火焰?zhèn)鞑?。這種帶有爆炸性質(zhì)的燃燒進(jìn)行得非常迅速，使來(lái)不及膨脹的推進(jìn)，產(chǎn)生撞擊并發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲。與此同時(shí)，排氣冒黑煙，發(fā)動(dòng)機(jī)功率明顯下降，這種現(xiàn)象稱為爆震燃燒，簡(jiǎn)稱爆燃或爆震。
□影響爆震的因素很多，如結(jié)構(gòu)上的壓縮比、燃燒室形狀、運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等等。但發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)制造好，則使用的燃料本身的性質(zhì)，如自燃點(diǎn)的高低、氧化反應(yīng)的速度等對(duì)爆震的產(chǎn)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(hào)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(duì)于抗爆性能超過(guò)異辛烷的甲烷、乙烷就較難直接測(cè)得?，F(xiàn)在發(fā)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(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司于60年代，用類似體燃料抗爆性能的指標(biāo)，叫做甲烷值(Methane Number)。即以甲烷的抗爆能力為100來(lái)衡量其它氣體燃料的抗爆性，以便將各種氣體燃料按不販?zhǔn)褂脳l件用于發(fā)動(dòng)機(jī)工作。美國(guó)庫(kù)伯公司也提出了一個(gè)正丁烷值(NBN)作為衡量氣體燃料抗爆性 的參數(shù)。目前，世界上還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的衡量氣體燃料抗爆性的指標(biāo)和方法。
□但是，從這個(gè)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(yīng)的極度限壓縮比比較高，這就是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比可以比汽油機(jī)高的原因，而壓縮比高，則發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率高，也就省燃料。
按照天然氣和汽油的熱值計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1立方米天然氣相當(dāng)于1．1－1．3升汽油。
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