完整版国内使用天然气汽车的势在必行毕业设计.docx
《完整版国内使用天然气汽车的势在必行毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版国内使用天然气汽车的势在必行毕业设计.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
完整版国内使用天然气汽车的势在必行毕业设计
青岛理工大学
毕业论文
题目：
国内使用天然气汽车的势在必行
院别：
汽车与交通学院
专业班级：
09运升2班
学生姓名：
曹强
指导教师：
吴峰
2011年6月18日
摘要：
随着经济的迅猛发展，我国汽车保有量突飞猛涨，同时也带来了环境污染和能源短缺等问题。
世界各国广泛开展汽车替代燃料的研发工作，出现了电动汽车、天然气汽车、醇类燃料汽车、氢燃料汽车、太阳能汽车和混合动力汽车等，其中天然气汽车以其低排放、抑制温室效应和摆脱对石油的依赖这三大特性，正在世界范围内得到普及和推广，成为21世纪汽车工业发展的一个重要方向，在我国倡导可持续发展战略的今天节约型社会，绿色社会成为当今的主题所以我国汽车行业大力发展天然气汽车以节约能源降低环境污染势在必行。
关键词：
天然气汽车,工作原理，组成部分，使用及维修，加气站
ABSTRACT：
Withtherapideconomicdevelopment,China'ssoaringcarownershipsuddenflight,butalsobroughtenvironmentalpollutionandenergyshortages.Carryoutworldwideresearchanddevelopmentofalternativefuelvehicles,therehasbeenelectricvehicles,naturalgasvehicles,alcohol-fuelvehicles,hydrogenfuelvehicles,solarcarsandhybridvehicles,etc.Wherenaturalgasvehiclewithitslowemissions,thegreenhouseeffectandgetridofinhibitiondependsonthethreecharacteristicsofoil,ispopularwithintheworldandpromotionofthe21stcentury,animportantdirectionofdevelopmentofautomobileindustry.PromotesustainabledevelopmentinourcountrytodaysavingsocietyandgreensocietybecomethesubjectofsogreateffortstodevelopChina'sautomotiveindustrytoconserveenergyandnaturalgasvehiclesreduceenvironmentalpollutionisimperative.
KEYWORDS:
naturalgasvehicle,workingprinciple,components,applicationandmaintenance,cngfillingstations
前言5
第一章国内外天然气汽车的发展现状6
1.1国外天然气汽车的发展6
1.2国内天然气汽车的发展6
1.3展望我国天然气汽车的未来7
第二章天然气性能及经济性8
2.1天然气的理化性质8
2.2天然气的可用性分析8
2.3天然气汽车的劣势10
第三章天然气汽车的构成形势11
3.1油气混合动力汽车11
3.2单燃料天然气汽车11
第四章天然气汽车的系统原理11
4.1天然气汽车的结构简介11
4.2天然气汽车的工作原理13
4.3CNG汽车燃气系统组成13
4.4CNG汽车的主要技术性能13
4.5天然气汽车的改装14
第五章天然气汽车的使用及维修16
5.1天然气汽车的调试16
5.2天然气汽车的驾驶操作17
5.3天然气汽车的起动18
5.4天然气汽车的起步19
5.5天然气汽车的维护保养19
5.6天然气汽车维修注意事项21
第六章天然气加气站的建设与管理22
6.1当前CNG汽车加气系统存在的问题22
6.2发展CNG汽车加气系统的思路22
第七章结论25
致谢26
参考文献27
前言
随着社会的进步和文明程度的提高，汽车已经成为社会生活中必不可少的交通工具，但随着汽车保有量的增加，汽车尾气污染问题越来越引起人们的重视；同时石油危机和能源危机成为国际社会所共同面临的问题，人们不断寻找交通运输的替代燃料。
天然气汽车正是在这样的大背景下，成为各国汽车产业发展的新宠，从20世纪30年代开始，意大利和俄罗斯有计划地推广天然气汽车，直到1973石油危机的爆发和1980年代欧美国家对于城市空气质量的逐渐重视，天然气汽车才开始在全球范围内广泛使用。
天然气汽车相比燃油汽车具有资源丰富、燃烧清洁、技术成熟、安全可靠、经济实用等优点。
现在有相当一部分的出租车都是以天然气燃料为主,也有一小部分私家车使用的双燃料动力,但由于加满气只能行驶140km左右,且加气站严重不足,导致出租车一天营运常常要耗费1~2h以上的时间排队加气,且有将近10km的空跑距离,导致加气站附近为加气而排队、占道的严重问题。
天然气作为汽车动力,在价格、环保问题上与汽油相比占有很大优势；但天然气汽车充满气运行距离短,加气频率高,所以在填充燃料时,由于当前加气站的安全需要天然气加气站数量增长远远赶不上天然气汽车增长的需要,导致了在全国各地严重的加气排队现象的发生,从一定意义上阻碍了清洁能源汽车的推广和发展。
通过国内外天然气汽车的发展现状比较，体现出我国现在天然气汽车与国外的差距。
在今天能源决定国家发展的情况下，天然气已成为汽车燃油主要的替代品。
天然气在我国蕴藏丰富,天然气汽车是目前世界上公认的高节能、低污染、经济、安全的新型代用燃料汽车。
在国家日益重视环境保护,车辆安全性能和经济性能的背景下我国很多地区已经开始倡导使用天然气汽车。
通过介绍我国天然气的储量以及天然气理化性质阐明天然气在汽车上使用的优缺点，例如：
优点有天然气汽车颗粒物排放几乎为零，NOx、CO和HC的排放也显著降低，天然气的价格要比汽油便宜，天然气一旦泄漏，立即会向上扩散，不易积聚形成爆炸性气体，安全性较高，储量大等；缺点有发动机的功率下降，腐蚀及早期磨损等。
天然气汽车与燃油汽车的不同之处，了解天然气汽车的基本组成部分及工作原理。
第一章国内外天然气汽车的发展现状
1.1国外天然气汽车的发展
为保护环境减少污染，许多国家政府颁布了一系列法规及出台一些鼓励性政策，促进燃气汽车发展，如制定更严格的汽车尾气排放标准，在天然气供应、汽车购置税费，设备供给、加气站建设等方面给予资金、税收优惠政策。
近年来，国外天然气汽车技术发展较快，不仅在动力性、燃油经济性、排放性方面有显著提高，而且在排放性能方面已列入“绿色汽车”行列[1]。
据世界燃气汽车协会的统计，截止到2010年1月，全世界天然气汽车总量超过1000万辆，近几年天然气汽车的年均增长率超过30%；天然气加气站则超过了13000座。
阿根廷、巴基斯坦、巴西、印度、伊朗和意大利的天然气汽车保有量居世界前六位。
值得注意的是，近几年亚太地区的天然气汽车发展迅速，
2010年天然气汽车及加气站数量统计表1-1
天然气汽车拥有量排名
国家
天然气汽车拥
有量／辆
加气站数
量／座
1
巴基斯坦
3068
2
阿根廷
1851
3
伊朗
1021
4
巴西
1704
5
印度
935000
560
6
意大利
628624
730
7
中国
450000
870
1.2国内天然气汽车的发展
自20世纪80年代中期，我国引进了部分CNG加气站设备，在四川建立了我国第一个CNG加气站；1993年中国石油天然气总公司系统引进国外有关技术并于1996年将加气站装置和汽车改装部件引进技术国产化、技术标准规范化。
1999年全国清洁汽车行动协调领导小组成立，启动了北京、天津、上海、西安、深圳等12个试点城市地区的清洁能源推广应用工作，在CNG汽车的推广应用和加气站建设方面取得了前所未有的成效。
根据有关部门统计数字，天然气汽车自2002年以来发展迅速，截至2007年底，全国已有30个省市自治区的80多个城市推广天然气汽车。
其中16个重点推广城市（地区）共发展天然气汽车26.5万辆，比2006年增长近8万辆；建成天然气加气站700座，比2006年增加75座。
我国天然气汽车和加气站主要集中在气源地附近，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50%～60%）是CNG汽车快速发展的主要驱动力。
国内预计未来两年CNG汽车市场需求情况统计1-2。
未来2年内国内CNG燃料汽车市场需求情况统计表1-2
CNG燃料汽车分类
发展数量（台）
2011年
2012年
2013年
CNG客车
6000
12000
18000
CNG重卡
25000
30000
45000
1.3展望我国天然气汽车的未来
CNG汽车具有广阔的发展前景，主要表现在以下几方面：
1）汽车保有量的飞速增长、石油资源和环保的严峻形势，决定了发展天然气汽车成为解决能源问题和环境问题的重要途径。
2）新型清洁能源汽车已被列入《国家科技发展中长期规划》，国家将继续组织实施涉及各种清洁能源汽车的重大科技项目，重点支持包括天然气汽车在内的整车、零部件等关键技术，将进一步促进天然气汽车的发展。
3）我国有丰富的天然气资源，总资源储量为38万亿m3，探明储量为1.53万亿m3，仅为总资源储量的4.02%。
我国主要分布在四川、陕西及新疆等西部地区，近年来在近海也发现有大气田[2]。
我国天然气资源大规模开发及管道建设步伐加快使发展CNG成为可能。
根据我国天然气利用规划，近十年“西气东输”、“陕京二线”、“忠武线”等一大批输气管道及沿线城市燃气管道相继建成，我国大规模利用天然气的基础设施逐步完善，天然气加气站也将逐步形成网络。
4）发展CNG汽车具有稳定的气源保证，以天津为例，目前天津市已建立了完善的天然气输配系统，由陕北、大港、华北等油田向天津供气，每年可输送天然气达8亿立方米，管网长度6894km，其中，高压管线591km，为天津市大力发展CNG汽车大规模建设加气站提供了保证，预计到2015年可供商品量有望超过2400亿立方米将为发展天然气汽车提供充足的资源保障。
第二章天然气性能及经济性
2.1天然气的理化性质
天然气：
又称油田气、石油气、石油伴生气。
天然气广义指埋藏于地层中自然形成的气体的总称。
但通常所称的天然气只指贮存于地层较深部的一种富含碳氢化合物的可燃气体，而与石油共生的天然气常称为油田伴生气。
主要成分是甲烷，还含有少量乙烷、丁烷、戊烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢等。
无硫化氢时为无色无臭易燃易爆气体，密度多在0.6～0.8g/cm3，比空气轻，热值为8500大卡/米3，爆炸极限为5%―15%（天然气气体浓度）。
甲烷沸点-161.49℃，在0.1Mpa、-162℃的情况下可由气态天然气转换成液态天然气（LNG），气液比为625：
1。
CNG的辛烷值为115～130,适宜的压缩比为10～12,极限可达到15[3],这是CNG既适宜点燃式发动机又适宜压燃式发动机的重要原因;现代汽油机的εc为6.5～10.0,个别可达到11。
从热力循环理论上讲,提高发动机的压缩比可提高其动力性和热效率。
天然气燃烧后生成二氧化碳和水，而使烟气不污染大气，被视为洁净能源。
通常将含甲烷高于90%的称为干气，含甲烷低于90%的称为湿气。
天然气是埋藏在地下的古生物经过亿万年的高温和高压等作用而形成的可燃气，是一种无色无味无毒、热值高、燃烧稳定、洁净环保的优质能源。
它主要存在于油田和天然气田，也有少量出于煤层。
天然气由亿万年前的有机物质转化而来，主要成分是甲烷，此外根据不同的地质形成条件，尚含有不同数量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等低碳烷烃以及二氧化碳、氮气、氢气、硫化物等非烃类物质；有的气田中还含有氦气。
天然气是一种重要的能源，广泛用作城市煤气和工业燃料，也是重要的化工原料。
2.2天然气的可用性分析
以CNG作汽车燃料与汽油相比具有以下优点：
l）降低污染，改善大气环境。
机动车尾气是大气污染主要来源之一，其中主要有害成分是C0、、N0、NO2、S02、碳氢化合物、粉尘等。
天然气是一种清洁能源，具有热值高、效率高、污染小等特点，燃烧比较完全，不易积碳，CO、NOx和微粒的排放量均低于汽油，排气污染明显降低。
大量的试验和测试表明,CNG汽车与燃油汽车相比,CO2排放低25%,HC排放低80%,SO2排放低75%,SO排放低99.99%,Pb减少到0,PM排放减少41.67%,CO排放减少89.73%。
对改善城市环境有显著作用。
典型的汽油机与天然气机CH化合物排放情况比较见图2-l。
油机与天然气机CH化合物排放情况比较2-1
2）较高的安全性。
与汽油相比，压缩天然气是相对安全的燃料：
①天然气爆炸下限为5％，比汽油（爆炸下限为l％）高。
CNG的自燃温度为630℃～730℃[2],汽油的自燃温度为220℃～470℃，比汽油燃点高，相比不易点燃。
甲烷密度低，相对密度为0．55左右，一旦压缩天然气从储罐或管路中泄漏，泄漏的气体很快会在空气中散发，在自然环境中难以形成遇火爆燃的条件，泄漏点周围会立即形成低温区，使天然气燃烧困难。
因此CNG是一种相当安全的汽车燃料。
天然气与汽油的燃料特性比较见表2-1：
天然气与汽油的燃料特性比2-1
燃料
辛烷值
低热值／
（MJ·m-3）
混合气热值／
（kJ·m-3）
燃点／℃
天然气
120以上
36.22
3290
645
汽油
58～97
44.00
3670
427
②天然气汽车的钢瓶为高压容器，安装有防爆设施，减压器、阀门等设备，严密度标准高，供气系统安全可靠，不会因汽车碰撞或翻覆造成失火或爆炸，而汽油汽车的油箱是非压力容器，着火后容易爆炸。
其材质及制造、检验试验在各国均有严格的规程控制，在我国有《汽车用压缩天然气钢瓶标准））（GBl7258—1998）。
3）有利于缓解能源紧张的供需矛盾。
我国经济正处于高速发展阶段，汽车数量以100万辆／年以上的速度递增，对汽油资源需求大量增加，我国每年需要进口大量原油、成品油和液化石油气。
使用燃气汽车可优化汽车燃料供应结构，改变了汽车燃料只有汽油、柴油的格局，不仅缓解了汽油供应紧张的问题而且满足交通事业发展的需要。
4）延长发动机寿命。
天然气容易扩散，以气态进入发动机，在发动机中容易和空气均匀混合，燃烧充分不易于形成积碳；可以提高热循环效率，加快燃烧速度，充分利用燃烧热能；同时CNG辛烷值高，抗暴性能好，使用时不需要添加抗暴剂，不会稀释润滑油，因而使发动机气缸内的零件磨损大大减少，使发动机的寿命和润滑油的使用期限大幅度增长。
所有这些都会降低汽车的保养和运行费用，从而提高汽车使用的经济性。
5）较高的经济效益。
目前，国内汽油价格持续上升，价格体系已和世界接轨，使用CNG汽车将能节省近40％燃料费用。
2.3天然气汽车的劣势
1）汽车行驶距离缩短。
气体燃料的能量密度低，天然气汽车携带的燃料量较少，一次充满相同容积的燃料一般行驶距离较汽油车短。
2）发动机功率下降。
实验结果表明：
当由燃烧汽油变换为燃烧天然气时，发动机的扭矩、功率下降非常大；增大点火提前角可使发动机的动力性能得到改善，但发动机NOx，总碳氢THC,CO及CO2的排放污染明显减少[4]。
。
而目前用的天然气发动机大多是由原汽油机改装的，所以汽油汽车在改用天然气后功率往往会下降10%～20%左右[5]。
一般柴油汽车如果用"双燃料"方式改装燃用天然气，则不会出现这种现象，但改装件的结构较为复杂[6]。
3）增加车重及有效空间减少。
目前的天然气汽车是在原来的汽油车或柴油车的基础上改装的，原来汽油机或柴油机的燃料系统大多保留。
这样，要在原汽车的增加天然气燃料系统，特别是气瓶使原来的汽车的有效空间减少，本身的自重也增加了。
4）推广过程建设投资成本高。
将现有的汽车改用天然气作燃料时，需增加发动机燃料系统的部件，如储气瓶、减压阀、混合器等，需要一定的改车投资。
天然气是气态燃料，不容易储存和携带，因此需要加压或液化以便装瓶，还需要建造比汽油、柴油加油站投资都大的加气站，并形成一定的网络，一次性投资较大。
尽管天然气有缺点，但具有上述优良的环保性能及经济性能，所以在汽车发动机上作为代用燃料得到了世界各国的广泛应用[7-8]。
第三章天然气汽车的构成形势
目前推广应用的油气混合动力是汽车，简称CNG汽车，今后还将大力推广应用单燃料天然气汽车。
车用压缩天然气的压力一般在20MPa左右。
可将天然气，经过脱水、脱硫净化处理后，经多级加压制得。
其使用时的状态为气体。
3.1油气混合动力汽车
在CNG汽车市场发展的初期，加气站网络建设不完善，为快速启动市场，天然气汽车以改装车、双燃料车为主。
现在混合动力汽车主要是油气混合，在汽车启动时使用汽油，在发动机运转正常时手动切换到供气系统达到燃气状态，现在很多汽车的转换阀基本改成自动的。
所以使用起来更加的方便。
3.2单燃料天然气汽车
单燃料天然气汽车是以天然气为燃料的汽车。
通过更改发动机的结构改变发动机的压缩比，点火电压、点火正时等参数充分提高天然气的利用率。
单燃料天然气汽车适合经常在城市中行驶加气方便的公交及私家车。
单燃料天然气发动机在节省燃料、增强动力性、排放水平、单次充气行驶里程方面都有很大提升。
目前国内单燃料、原产天然气汽车已批量投放市场，购买成本将逐步降低，因此未来天然气汽车发展的趋势将是原产车、单燃料车。
目前我国很多公交车都是纯天然气公交，其生产厂家有亚星、大宇、恒通等厂家都在生产制造。
第四章天然气汽车的系统原理
4.1天然气汽车的结构简介
CNG汽车采用定型汽油车改装，在保留原车供油系统的情况下，增加一套“CNG型车用压缩天然气装置”。
改装部分由以下三个系统组成，见图4-1。
天然气汽车组成部分4-1
1）天然气系统。
主要由充气阀、高压截止阀、天然气钢瓶、高压管线、高压接头、压力表、压力传感器及气量显示器等组成。
2）天然气供给系统。
主要由天然气高压电磁阀、三级组合式减压阀、混合器等组成。
3）油气燃料转换系统。
主要由三位油气转换开关、点火时间转换器、汽油电磁阀等组成。
天然气钢瓶的瓶口处安装有易熔塞和爆破片两种保安装置，当气瓶温度超过100℃或压力超过26MPa时，保安装置会自动破裂卸压；减压阀上设有安全阀；气瓶及高压管线安装时，均有防震胶垫，卡固牢固。
因此，该系统在使用中是安全可靠。
CNG汽车以天然气作燃料时，天然气经三级减压后，通过混合器与空气混合进入气缸，压缩天然气由额定进气压力20MPa减为负压，其真空度为49~69kPa。
减压阀与混合器配合可满足发动机不同工况下混合气的浓度要求。
减压阀总成设有怠速电磁阀，用以供给发动机怠速用气；压缩天然气减压过程中要膨胀做功对外吸热，因此在减压阀上还设有利用发动机循环水的加温装置；为提高该车的操作性能，驾驶室设置有油气燃料转换开关，用来统一控制油气电磁阀及点火时间转换器；点火时间转换器由电路系统自动转换两种燃料的不同点火提前角；仪表板上气量显示器的5只红绿灯显示气瓶的储气量；燃料转换开关上还设有供发动机起动的供气按钮。
4.2天然气汽车的工作原理
天然气汽车的基本原理与汽油动力汽车的原理一样。
也就是说，燃料（本例中为天然气）在四冲程发动机的气缸中与空气混合，通过火花塞点火，推动活塞上下移动。
尽管天然气与汽油相比，可燃性和点火温度存在一些差别（参见下表），但天然气汽车采用的是与汽油动力汽车基本理念一致的运行方式。
特性
天然气
汽油
柴油
可燃性极限
（在空气中的容积百分比）
5-15
1.4-7.6
0.6-5.5
自动点火温度（℃）
450
300
230
最高燃烧温度（℃）
1884
1977
2054
尽管如此，还需要进行一些改进，以使天然气汽车更有效地工作。
改进主要针对燃料储罐、发动机和底盘进行。
4.3CNG汽车燃气系统组成
天然气系统分为天然气气路、汽油油路和控制电路三大部分。
充气站将压缩天然气，通过充气阀充入贮气瓶至20MPa。
当使用天然气作燃料时，手动截止阀打开，安装在驾驶室内的油气燃料转换电开关，扳到“气”的位置，此时天然气电磁阀打开，汽油电磁阀关闭，贮气瓶内的20MPa高压天然气通过高压管路进入减压调节器减压，再通过低压管路、动力阀进入混合器，并与经空气滤清器进入的空气混合，经化油器或进气管道进入发动机气缸燃烧。
减压调节器与混合器相匹配，根据发动机的各种不同工况产生不同的真空度，自动调节减压调节器的供气量，并使天然气与空气均匀混合，满足发动机不同工况的使用要求。
动力阀是一个调节天然气管道截面积的装置，可调节混合气的空燃比，使空燃比达到最佳状态。
油路中安装一个汽油电磁阀，其余部件均保留不变。
当使用汽油作燃料时，司机将油气燃料转换开关扳到“油”的位置，此时天然气电磁阀关闭，汽油电磁阀打开，汽油通过汽油电磁阀进入化油器、并吸入气缸燃烧。
燃料转换开关有三个位置，当拨到中位时，油、气电磁阀均关闭，该功能是专门用来由汽油转换到天然气时，烧完化油器室里残存汽油而设置的，以免发生油气混烧现象。
4.4CNG汽车的主要技术性能
使用天然气燃料，车辆主要技术性能如下：
1）发动机额定功率不低于原车的85%；
2）发动机最大扭矩不低于原车的90%；
3）汽车最高车速不低于原车的90%；
4）汽车加速性能不低于原车的85%；
5）直接档最低稳定车速不高于原车的5%；
6）天然气额定充气压力20Mpa；
7）1立方米天然气可代替汽油0.8kg以上；
8）一次充天然气行驶里程客车、货车不低于180km，轿车、微车不低于200km；
9）汽车污染物排放CO含量≤1.5%，HC含量≤1000PPM。
4.5天然气汽车的改装
为了确保CNG汽车的安全和改装质量，国家对CNG汽车的改装制定了严格的管理规定。
定型在用汽车改装成CNG汽车，必须在经过认证的指定改装厂进行改装。
4.5.1车辆改装手续办理方法
1）车辆改装前，应由车主向当地机动车辆管理部门提出申请，经车辆管理部门认可，填写车辆改装申请表，方可到指定的CNG汽车改装企业进行改装。
2）车辆改装完毕后，应持改车单位发给的车辆改装合格证，连同改装申请表一起到车辆管理部门办理机动车辆异动手续。
3）CNG汽车驾驶员应经市车管所培训，并取得合格证，在车辆管理部门注册后，方能驾驶天然气汽车。
4.5.2对被改装车辆的技术要求
车辆改装前，应进行车辆性能检查，主要检查发动机的起动性和动力性，要求发动机起动性能良
升级会员 