某款微卡兩用燃料車型CNG供氣系統(tǒng)設計

閆 彬

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

1.1 天然氣汽車概述及分類

天然氣是一種優(yōu)質的能源，具有高效、低污染、低排放等優(yōu)點。相對于煤炭而言，粉塵、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等污染物質的排放量都明顯降低。天然氣廣泛應用于交通、冶金、電力、輕工等行業(yè)的內燃機、汽車、煉鋼、熱處理、印染、紡織等諸多方面，同時也大量供給居民作為生活燃料。天然氣汽車以天然氣為燃料，提供動力。天然氣的甲烷含量90%以上，是很好的汽車發(fā)動機燃料。天然氣汽車在世界和我國各省市得到了推廣應用。目前市場上的天然氣發(fā)動機主要有兩種，分別為 CNG（壓縮天然氣）發(fā)動機和LNG（液化天然氣）發(fā)動機。

1.2 天然氣汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

在汽車領域，天然氣發(fā)動機使用成本低，但目前普及不廣泛，僅占市場份額的3—4%，且主要以后期改裝較多，每年的改裝規(guī)模在百萬輛左右，原廠生產的兩用燃料車市場近幾年也在逐步擴大。隨著國家排放標準的不斷提高，低端輕卡產品的價格普遍提高，競爭力較低，發(fā)展天然氣汽車對于解決環(huán)境問題和能源問題都具有重要意義。我國天然氣資源儲備豐富，相對較為便宜的燃氣價格是驅動天然氣汽車產業(yè)發(fā)展的直接力，同時天然氣汽車的減排效益顯著，有利于汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

2 CNG供氣系統(tǒng)結構及工作原理

2.1 CNG供氣系統(tǒng)的結構

燃氣貯存系統(tǒng)：燃氣貯存系統(tǒng)主要用于天然氣的儲存，主要零部件包括氣瓶總成、氣瓶固定支架、氣瓶防護罩、氣瓶下護板、緩沖膠墊、高壓管路、充氣閥總成、充氣閥固定支架等。

燃氣供給系統(tǒng)：燃氣供給系統(tǒng)主要用于天然氣的降壓、過濾以及噴射，主要零部件包括減壓器及高壓電磁閥、壓力表、低壓燃氣濾清器、燃氣噴軌及相關附件、進出水管、低壓燃氣軟管、燃氣噴射管等。

燃氣控制系統(tǒng)：燃氣控制系統(tǒng)主要用于控制燃氣模塊工作過程，包括燃氣噴射量控制，燃氣溫度控制，壓力控制，泄漏報警，油氣切換等，主要零部件包括氣軌壓力溫度傳感器、整車ECU模塊（集成CNG控制系統(tǒng)）、燃氣泄漏報警傳感器、泄漏報警蜂鳴器、油氣轉換開關等。

2.2 CNG供氣系統(tǒng)工作原理

整體供氣系統(tǒng)的工作原理如圖1表示。其中，粗實線為高壓燃氣管路，細實線為低壓燃氣管路，雙點劃線為水管管路，單點劃線為真空管管路，細虛線為車架輪廓線，粗虛線為控制系統(tǒng)線束。

圖1 CNG供氣系統(tǒng)工作原理圖

3 CNG供氣系統(tǒng)設計過程

如圖2所示，氣瓶總成在尾梁后端，固定在尾梁上，保證氣瓶重心在車架中心線處，高壓管路沿車架右縱梁到達充氣閥，經過加氣閥之后到達減壓器位置。

圖2 供氣系統(tǒng)底盤部分裝置圖

充氣閥利用支架固定于駕駛室底板右側，副駕駛座椅下方。

減壓器及高壓電磁閥布置減壓器利用減壓器固定支架固定于駕駛室底板左側，主駕駛座椅下方。

燃氣濾清器固定于發(fā)動機上，借用發(fā)動機節(jié)溫器螺栓固定。

燃氣噴軌固定于發(fā)動機進氣歧管上，支架與氣軌之間使用彈性膠墊連接，避免震動造成氣軌與機體磕碰。

4 性能分析與計算

4.1 氣瓶支架強度CAE分析

氣瓶支架作為供氣系統(tǒng)中氣瓶的重要承載系統(tǒng)，其安全性能尤為重要，利用hyperwork軟件對氣瓶支架強度進行簡單分析。

4.1.1 相關參數(shù)收集

氣瓶部分相關參數(shù)如表1和表2所示。

表1 氣瓶支架承載質量

表2 氣瓶支架相關參數(shù)

4.1.2 仿真模型建立

利用hypermesh軟件對氣瓶支架及尾梁部位進行約束及網格劃分，如圖3所示。

圖3 仿真模型建立

圖4 垂直方向3.0G載荷示意圖

針對上述模型，進行CAE仿真分析，計算氣瓶裝滿后垂直方向3.0G載荷時，支架的強度及位移情況，加載后模型如圖4所示。

4.1.3 仿真結果分析

根據(jù)上述模型，進行CAE仿真分析后，得出氣瓶裝滿后3.0G垂直載荷情況下，氣瓶支架的應力分布如圖5所示。

圖5 氣瓶裝滿3.0G垂直載荷氣瓶各部分應力分布

由圖5可以看出，氣瓶裝滿3.0G垂直載荷工況下，支架上最大應力為 278.7Mpa，主要集中在支架的折彎處，由表4-2可知，氣瓶支架材料為510L鋼，屈服應力為大于355Mpa，由此可以算出3.0垂直載荷工況下，支架的安全系數(shù)K3.0G為：

應力滿足要求。

氣瓶裝滿3.0G垂直載荷工況下，氣瓶支架的位移如圖6所示。

圖6 3.0G垂直載荷氣瓶各部分位移分布

圖7 氣瓶裝配效果示意圖

由圖6可以看出，氣瓶裝滿3.0G垂直載荷工況下，支架最大位移為 6.40mm，最大部位在支架尾端，位移量較小，剛度滿足使用要求。考慮到實際裝配過程中，支架尾端利用扎帶固定，裝配效果如圖4-5所示。支架受力位移對系統(tǒng)的影響較小。

綜上所述，氣瓶支架在3.0G垂直載荷工況下，應力及剛度均滿足使用要求。支架強度滿足條件。

4.2 燃油燃氣動力性、經濟性對比分析

利用動力性經濟性計算軟件對該車汽油時的動力性及經濟性進行對比，結果如表3所示，可以看出天然氣燃料相比于汽油燃料，動力性略有下降。

由于氣瓶中的天然氣低于一定壓力時將無法使用，所以實際使用過程中氣瓶中約有10%的天然氣剩余，由此大概可以算出80L的氣瓶加滿氣的情況下實際可以使用的天然氣體積=16*0.9=14.4m3，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可以算出，燃氣狀態(tài)下，理論上滿載續(xù)航里程可以達到14.4/7.4*100=195km。

表3 動力性、經濟性計算結果

以2017年9月15日安徽地區(qū)92#汽油的平均價格為元6.24元/L，車用壓縮天然氣的價格約為 3.49元/m3。可以計算出該車的百公里汽油價格約為 50.54元，百公里天然氣價格約為25.83元，燃氣相比于燃油費用可以節(jié)約48%。

5 結論

本文通過對微卡匹配汽油天然氣兩用燃料發(fā)動機供氣系統(tǒng)的進行簡單介紹，并對供氣系統(tǒng)設計進行計算和說明，，運用UG軟件建立三維模型，匹配供氣系統(tǒng)的空間布置，并利用Hyperwork 軟件對氣瓶固定支架強度進行分析，驗證了氣瓶固定支架的可靠性。通過設計計算動力性經濟性過程中，可以發(fā)現(xiàn)天然氣燃料相比于汽油燃料在微卡中經濟性大為提高，且原廠生產的兩用燃料產品比市場上改裝的產品具有更好的可靠性及安全性，大大減少了使用過程中的安全隱患，對新能源商用車產品的推廣具有重要意義!

[1] 陳家瑞.汽車構造（上）.北京機械工業(yè)出版社.

[2] 張代勝.汽車理論.合肥工業(yè)大學出版社.

[3] 劉惟信.汽車設計.清華大學出版社.

[4] 國家標準.GB 7258-2012機動車運行安全技術條件.

[5] 國家標準.GB 17258－2011汽車用壓縮天然氣鋼瓶.

[6] 江淮汽車技術中心.QCT 245—2002 壓縮天然氣汽車專用裝置技術條件.