CNG車輛快速加氣系統的研究

郭宇，米會學，王菲，楊志科

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；

2.陜西德仕汽車部件（集團）有限責任公司，陜西 西安 710200）

前言

目前商用 CNG燃氣車輛為了提高續航里程大多采用多個氣瓶組合布置的形式作為燃氣供給，但隨之而來的加氣速度問題一直困擾著行業內各方參與人員，加氣速度隨著氣瓶的增多，燃氣供給系統瓶組的增加越來越慢。為此，我們有必要對整個燃氣供給系統進行優化，在不增加成本，不改變外圍條件的同時，使系統本身能縮短加氣時間。

1 CNG燃氣供給原理

CNG燃氣供給系統一般包括加氣口、單向閥、車用氣瓶、氣壓顯示器、截止閥、高壓管線、減壓調節器、過流閥和濾清器。供氣原理圖如圖1所示。

圖1 CNG燃氣供給原理圖

2 加氣方案設計

2.1 理論分析

根據氣體質量流量公式：

G：質量流量

M：流量系數

P0：入口壓力

Q（λ）：系數

T0：環境絕對溫度

F：氣體通過截面積

氣體通過截面積公式：F =πd2/4

通過以上公式分析，可以看出在環境溫度不變化的情況下，氣體流量與管路通徑、入口壓力和流量系數有關，由于入口壓力受國內加氣站參數的影響，一般都設計為額定工作壓力20 Mpa，因此，考慮從調整管路通徑和調整管路布置方案兩個方面入手來改善天然氣車型加氣速度。為了優化CNG供氣系統充氣時間，現給出以下六種方案，通過AMESim建立CFD模型計算分析選出加氣速度最快的方案，最后通過試驗對計算結果進行驗證和修正，確定快速加氣方案。實驗相關參數見表1和表2。

表1 車輛供給系統參數

注：管路分兩種，一種是統一用內徑為φ6mm的管子，另一種是統一用內徑為φ9mm的管子。

表2 國內某加氣機技術參數

2.2 設計方案一

氣瓶連接方式：8個氣瓶并聯。

充氣方式：充氣口1和充氣口2同時充氣，如圖2 所示。

圖2 方案一

2.3 設計方案二

氣瓶連接方式：8個氣瓶并聯。

充氣方式：充氣口1關閉，僅充氣口2充氣，如圖3所示。

2.4 設計方案三

氣瓶連接方式：每2個氣瓶串聯成一組，然后4組進行并聯。

充氣方式：充氣口1和充氣口2同時充氣，如圖4 所示。

圖3 方案二

圖4 方案三

2.5 設計方案四

氣瓶連接方式：每2個氣瓶串聯成一組，然后4組進行并聯。

充氣方式：充氣口1關閉，僅充氣口2充氣，如圖5所示。

圖5 方案四

2.6 設計方案五

氣瓶連接方式：8個氣瓶串聯。

充氣方式：充氣口1和充氣口2同時充氣，如圖6 所示。

圖6 方案五

2.7 設計方案六

氣瓶連接方式：8個氣瓶串聯。

充氣方式： 充氣口1關閉，僅充氣口2充氣，如圖7 所示。

圖7 方案六

3 計算分析

3.1 CFD模型描述

如圖8所示，采用AMESim軟件中Dynamic計算模型建模處理。

圖8

3.2 CFD模型計算結果

分別對6種布置方案采用兩種規格的管內徑進行加氣速度計算，結果分別見表3、表4。

表3

表4

通過對氣瓶充氣時間的分析，得到了不同方案下的氣瓶充氣時間，分析表明：

1）在同一方案下，9mm比6mm內徑管充氣用時少；

2）在同一方案下，雙充氣比單充氣用時少；

3）綜合比較三種方案六種形式，方案三充氣時間最短。

4 試驗數據

通過前期的計算分析得出充氣管內徑對加氣速度有直接的影響，內徑大加氣速度快，雙充氣口比單充氣口加氣速度快，實踐使用過程中也證實這一點；接下來通過試驗的方式對設計優化后的方案和原車型加氣方案對比。

圖9

通過圖11試驗數據統計和圖10加氣速度曲線對不同管路布置的對比分析，發現在燃氣供給系統其他參數不變的前提下，通過調整優化管路布置可以提高系統的加氣速度。

圖10 加氣速度曲線圖

圖11 試驗數據

5 試驗驗證結論

兩兩串聯后并聯的混連方式與純并聯加氣速度基本一致，最優方案管路布置采用混連。

參考文獻

[1] 李超CNG加氣站工藝系統與設備優化研究[D].重慶大學.2012.

[2] 殷承良,張建龍.新能源汽車整車設計:典型車型與結構[M].上海科學技術出版社.2013.