通過材料變更提高汽車用CNG管路密封性能的研究

張寬宇 王洪磊

【摘 要】我國城市大氣污染較為嚴重，國內油氣價差將長期維持，政府對天然氣產業發展給予政策支持，天然氣供應安全保障度高，產業技術創新體系基本建成，加上市場需求拉動，這六大動力因素將促使CNG汽車用戶群成為我國具有很大發展潛力的天然氣利用市場之一。但是目前壓縮天然氣（CNG）汽車在整車廠流水線生產存在很大的困難，其主要困難在于整車廠質量體系對車輛一次性下線合格率要求非常高，而CNG車型的高壓管路連接往往一次性合格率較低。文章主要介紹某車型嘗試流水線生產時遇到的問題，以及通過材料變更實現提升高壓管路連接密封性能的措施。

【關鍵詞】CNG系統；高壓管路設計；天然氣泄漏；風險

【中圖分類號】U473 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）10-0033-03

燃氣汽車使用的燃氣尤其是天然氣，是良好的車用燃料，也是全球汽車行業面臨的能源環保問題的重要解決方案。隨著全球能源短缺和大氣污染問題的日益嚴峻，大規模推廣燃氣汽車，對于我國的能源安全和能源多樣化及改善大氣環境具有重要意義。

雖然天然氣不屬于新能源，但是屬于清潔能源，而且天然氣的費用相比其他能源要低很多。以加裝80 L壓縮天然氣罐體為例，可以裝標準大氣壓下16 m3的天然氣。1 m3天然氣的熱值相當于1.17 L汽油的熱值，80 L壓縮天然氣相當于18.72 L汽油。汽車可行駛200 km以上路程，費用節省高達60%。

目前，在用的燃氣汽車主要包括如下2類。

第一類是機動車整車企業生產的燃氣汽車，這類車由整車廠設計和生產，通過工業和信息化部公告認證，可有效地保證氣瓶及整個燃氣系統的安全技術狀況。其中，第一類還包括流水線生產與廠內線下加裝2種。流水線方式不必多說，廠內線下改裝的方式類似改裝廠，即在成品汽油機車輛的基礎上，加裝燃氣系統。

第二類主要是將在用燃油機動車改裝成為燃油燃氣兩用燃料機動車，即“油改氣”車輛，主要是由一些汽車維修等單位對燃油車按照《燃氣汽車改裝技術要求》（GB/T18437.1.2—2009）等標準進行改裝。

整車企業比改裝廠更加重視汽車的研發和生產，特別是在整車動力性、發動機壽命等方面有嚴格的相關實驗；而改裝廠的改裝天然氣車型，往往有發動機壽命短、動力性不足等問題。

整車企業在生產方面有一致性質量體系，有專門的零件質量管理、裝配工藝、檢測工藝等程序，確保整車質量；而改裝車往往面對多種多樣的車型，存在零件質量參差不齊、改裝過程不規范、檢驗不完善等缺陷。

此外，在售后的配套設施方面，改裝廠也不如整車企業。因此，目前國家已逐步取消CNG改裝廠改裝資質的審批，只接受整車廠的改裝申請，以整車出廠天然氣車型為生產趨勢。但是，因為整車企業較高的研發成本和質量管理要求，導致整車企業燃氣汽車生產成本相比改裝廠的成本處于劣勢。

下面結合某微車CNG（壓縮天然氣）車型，談一下整車廠生產相比改裝廠的困難點。

1 CNG系統簡述

該系統主要由3個部分構成。

1.1 電器部分

電器部分主要由CNG ECU及汽油ECU、各傳感器及開關組成，主要作用為控制行車電腦、監測車輛狀況等。

1.2 高壓供氣部分

高壓供氣部分主要由氣瓶、高壓鋼管、充氣閥及壓力調節器組成，主要作用為存儲及供給高壓燃氣，并經由壓力調節器將高壓氣體轉化為低壓氣體。

1.3 低壓供氣部分

低壓供氣部分主要由燃氣膠管、燃氣過濾器、進氣接頭及燃氣噴嘴組成，主要作用為直接向發動機燃燒室供給低壓燃氣。

2 整車廠生產CNG車型的困難

CNG系統對整車廠流水線制造系統的要求與汽油動力車型相比有很大的不同。

2.1 電器部分

CNG電器部分與汽油系統的電器部分差別不大，重點在于相關零部件的質量及整車檢測。對于第一次做CNG車型的整車廠來說，難點在于如何把CNG系統的工作原理完整地轉化為質量體系的檢測工藝。

2.2 高壓與低壓供氣部分

高壓與低壓供氣部分難點在于管路的有效裝配，以及如何將儲氣、供氣系統的工作原理轉化為可實現的質量檢測工藝，特別是高壓管路在20 MPa的工作壓力下實施的氣體密封性檢測，在整車工廠對一次性合格率要求非常嚴苛的背景下，如何更有效地裝配，能使一次性氣密性檢測合格率達到要求，絕對是一個巨大的挑戰。

3 某微車CNG車型

3.1 高壓端的檢測方法

零部件裝配完畢后，確認氣瓶瓶閥處于關閉狀態，從充氣閥處充入20 MPa空氣并保壓，用泡沫水檢測高壓部分所有可能的泄漏點。按照國家標準的要求，用泡沫水檢漏，若1 min內沒有氣泡產生，即合格。

3.2 高壓管路結構及密封原理

3.2.1 優化管路接頭結構

圖1所示為高壓管路接頭的結構。

3.2.2 密封基本原理

圖2為密封基本原理圖，卡套螺栓（簡稱螺栓）與底座壓縮卡套，由于卡套的錐度小于底座（底座與螺栓角度相同）的錐度，卡套受如圖2所示方向的力（F1），使卡套一方面軸向收縮，一方面徑向嵌入鋼管（F2），達到密封目的。

3.3 CNG車型設計方面的整改優化

為提高下線車輛一次性合格率，主要在結構尺寸與材料搭配方面做相應的改進。

3.3.1 結構尺寸方面

該密封結構在高壓管路的連接中比較常見，屬于比較精密的配合。因為涉及安全，所以對相關零件的質量要求比較高。

為提高一次性合格率，在接頭結構方面做了以下改進，見表1。

3.3.2 材料搭配方面

由于不同材料具有不同的力學性能，所以不同材料的卡套，搭配不同材料的鋼管、卡套螺栓、底座，有不同的裝配扭力和不同的密封效果。

理論設計上，由于密封原理為卡套壓縮變形，抱緊鋼管密封，所以最佳的剛度順序為底座（卡套螺栓）剛度≥鋼管剛度>卡套剛度。由于卡套需要嵌入鋼管，所以在硬度方面，要求卡套的硬度大于鋼管硬度。在選用不同材料搭配的時候，還要考慮到不同材料的其他使用性能，如環保性能、耐腐蝕性、部件的加工成本等。

做為備選的各材料性能見表2。結合表2的材料性能及使用需求，下面列幾個比較典型的零件可選方案及其優缺點，見表3。

通過對比，密封效果最好的是方案1、2和6，但是方案1、2材料成本、工藝成本均較高，方案6成本低、密封性能優良。綜合理論分析、使用性能、成本控制及實驗結果，最終選擇方案6。

4 結論

本文分析了該CNG車型高壓部分多層次、多方面的改進與優化，一次性下線合格率達到80%以上，但是依然沒有達到汽油機車型的合格率。

在石油資源逐漸枯竭的今天，新能源汽車在市場上的增長速度越來越快。CNG車型做為新能源汽車中的一種，未來市場同樣會更加廣闊。在研發、質量管理、售后等成本沒有優勢的情況下，如何通過流水線生產的方式大幅降低生產成本，對整車廠來說，是重中之重。整車一次合格率達不到95%以上，對整車廠批量化生產有著非常巨大的阻礙。為了進一步推進CNG車型批量化生產，在此分享一下我們對于流水線生產CNG車型的經驗，以提供借鑒。

參 考 文 獻

[1]劉道信.中國天然氣市場研究[J].中國市場，2009（1）.

[2]馬艷艷.淺談CNG汽車發展趨勢[J].無錫職業技術學院學報，2010（8）.

[3]周怡沛.中國CNG汽車市場發展現狀、趨勢與策略[J].國際石油經濟，2009（10）.

[責任編輯：鐘聲賢]