天然气车的维护与修理.docx
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天然气车的维护与修理
天然气车的维护与修理
压缩天然气汽车结构、原理
一、燃气汽车分类
按汽车使用燃料、形态和方法不同，燃气汽车可按下图所示分类：
天 液化天然气汽车（lngv） 单燃料燃气汽车
然 压缩天然气汽车（cngv）
燃 气 两用燃料燃气车
气 汽 吸附天然气汽车（angv）
汽 车 双燃料燃气车
车 液化石油气汽车（lpgv）
二、燃气汽车术语
cngv—压缩天然气汽车英语单词的缩写。
将天然气多级加压至20-25mpa后，以气态储存，以最高压力不超过20mpa充装储在车载高压气瓶中，以气态天然气作燃料的汽车。
简言之就是用压缩天然气作为燃料的汽车。
lngv—液化天然气汽车英语单词的缩写。
将天然气经-162℃的低温，深冷液化，储存在车载绝热气瓶中的天然气作为燃料的汽车。
液化天然气密度较气态天然气大得多，有一次充装车辆续行里程长、车载小的优点，但液化天然气对制气储存、充装有较高的特殊要求，改装成本高，汽车应用的比较少。
angv—吸附天然气汽车的英语单词的缩写。
利用以中压状态储存在吸附罐内活性碳中的天然气作为燃料的汽车。
lpgv——液化石油气汽车的英语单词缩写。
是以储存车载气瓶中的液化石油气作为燃料的汽车。
单燃料燃气汽车——仅使用cng或lpg中的一种作为发动机的燃料，不再使用其他燃油或代用燃料的汽车。
此类车辆的发动机在燃料供应系统、工作循环的参数、配气机构参数等方面，针对cng或lpg的物化特性进行了专门设计，因此，燃料的热效率高，经济性好。
两用燃料燃气汽车——具有两套燃料供应系统（其一为cng或lpg），燃气和燃油两种燃料之间可以进行切换的一类车辆。
不能同时使用两种燃料。
与单一燃料汽车相比，由于要兼顾两种燃料的物化特性。
发动机结构参数几乎不做改造，一般是在用车的改装，因此燃烧效率低。
双燃料燃气汽车——燃用cng或lpg与柴油混合燃料的汽车。
此类车辆用cng或lpg为主燃料，柴油起到引燃作用。
此类发动机结构参数几乎不做改动。
三、天然气物化特性
天然气简称ng，是多种烃类物质和少量的其它成分组成的混合气体。
天然气最主要成分是甲烃（ch4）。
天然气分为气田气和油田伴生气，随着产地的不同，甲烷成份所占体积在85%-97%之间变化，在物化性质上存在着一定差异。
1、密度
通常状态下，甲烷是一种非常轻的气态物质。
常温常压下，甲烷的密度只相当空气的55%（甲烷密度/空气密度=0.55）。
天然气密度约相当于空气的60%。
常温常压下，甲烷密度：
0.71kg/m3,天然气密度约为0.78kg/m3（随着各地天然气组成成分的不同，密度有所差别）。
由于天然气密度远远小于空气，当天然气从输管或储气容器中泄漏到空气中，天然气将向上移动，迅速扩散到空气中。
由于这一特点，天然气的安全性优于汽油等大多数燃料。
2、热值
热值是车用压缩天然气的主要质量指标。
（1）低热值（有效热值）
汽油：
44.4mj/kg
轻柴油：
42.5mj/kg
天然气：
50.05mj/kg
液化石油气：
46.4mj/kg
燃料的热值：
是指单位燃料在热量计中燃烧后所测得的热量。
由于燃料燃烧中的h2o（水）在冷凝过程中放出的潜热，包括在量热计所测的数值中，所以测出的数值称为高位热值（对应于从高位热值中减去这部分潜热后的有效热量，称为低热值）。
（2）混合气热值
天然气为50.05mj/kg，汽油为44.4mj/kg，就质量热值来讲，天然气的热值比汽油高12%左右。
但它们进入气缸后形成的混合气的热值，由于燃烧所需要的理论空气量不同，如每公斤汽油完全燃烧的理论空气量为14.7kg，而每公斤天然气完全燃烧的理论空气量为16.7kg。
但天然气进入气缸的空气量受结构的限制，每次进入气缸的空气量所许供给天然气的重量比汽油的重量要轻。
经计算，天然气混合气的热值27.6mj/kg，而汽油混合气的热值为28mj/kg，天然气比汽油的热值要低1.5%左右。
3、状态、沸点
在常温常压下，天然气是一种气态物质。
沸点为－162℃，当温度达到－162℃和低于此温度时，天然气将转变为液态。
由于沸点非常低，天然气是非常难于液化的，而且储存液态天然气也是非常困难的，因此，一般以气态储存、运输天然气。
4、颜色、味道和毒性
在原始状态时，天然气是没有颜色、味道和毒性的物质。
基于安全的原因，在生产过程中，在天然气中加入具有独特臭味的加臭剂。
当发生泄漏时，很容易发觉。
5、混合气点火界限
燃料和空气混合形成可燃混合气，混合气的浓度在一定范围内，才能够被点燃产生能量。
混合气过浓或过稀是难于被点燃的。
能被点燃的混合浓度范围的上、下限分别是燃料点火极限的上限和下限。
天然气具有很宽的点火界限，过量空气系数的变化范围为0.6-1.8，可在大范围内改变混合比。
采用稀薄燃烧技术，可进一步提高汽车的经济性和环保效益。
6、自燃温度
自燃温度是指在此温度，燃料和空气接触将会自燃并连续燃烧。
一种燃料自燃温度不是一个常数。
汽油的自燃温度220-471℃（一般取430℃）天然气自燃温度630℃-730℃（一般取650℃）。
7、抗爆性和辛烷值
燃料的抗爆性是指燃料在气缸内点燃烧时，避免产生爆燃的能力，即抗自燃能力，是燃料的一个重要指标。
燃料的抗爆性用辛烷值表示。
辛烷值越大，表示抗爆性越好。
各种燃料辛烷值如下：
汽油：
70-97
lpg：
111
天然气：
130
天然气适宜在较高的压缩比下点燃燃烧，具有较高的抗爆性能。
因此燃用天然气的单燃料发动机可采用较高的压缩比，可改进和提高燃气汽车的动力性、经济性。
8、起燃方式
天然气不宜于压燃，适宜于外火源点燃，同时由于辛烷值远远高于汽油，它又适宜于在较高的压缩比下点燃。
因为它可以在较高的压缩比下点燃做功。
因此天然气可以用电火花点燃，也可用在柴油/天然气双燃料汽车上，用柴油压燃方式引燃。
9、燃烧速度，天然气33.8cm/s，汽油39-47cm/s，比汽油慢。
10、燃烧温度，天然气2020℃，汽油1200℃，天然气高出800℃。
四、车用天然气技术要求
从地下开采出的天然气不能直接用作汽车燃料，原因是由于天然气含有烯烃、硫化氢、水等杂质。
这些杂质将严重影响车辆正常运行和cng的使用。
因此，国内、外对车用压缩天然气的质量均有相应标准和技术要求。
下表是gb18047-2000《车用压缩天然气》技术要求。
车用天然气的技术要求
项目
质量指标
高位发热量mj/m3
>31.4
硫化氢（h2s）含量mg/m3
≤15
总硫（以硫计）含量（mg/m3）
≤300
二氧化碳（co2）含量（v/v）
≤3.0
氧气o2（%）
≤0.5
水露点（℃）
在最高操作压力下，不应高于-13℃
水份含量（湿度mg/m3）
≤8
1、水份
如果车用压缩天然气含水量过高（对天然气的燃烧，尤其是作为车用燃料十分有害），将存在二个方面的危害：
（1）当环境温度≤0℃时，天然气中的水会出现结冰现象，细小冰块在管线、钢瓶表面沉积，降低了有效容积，阻碍天然气的流动。
严重时会产生冰堵，造成管道、气瓶嘴、充气嘴等的堵塞；
（2）加速天然气中酸性气体对金属设备如钢瓶、管路装置等的腐蚀。
在天然气中，总是含有少量的酸性气体如硫化氢、二氧化碳等，这些气在气体中会电离，电离质子的存在，会腐蚀金属设备，严重时还会造成金属开裂。
因此，天然气中水份的含量越少越好。
天然气中水份含量通常用水露点和湿度两种方法表示。
水露点是指天然气在一定压力下，天然气析出第一批露珠时的温度，露点温度越高说明天然气中含水分越高，水露点不充许超过标准。
否则，影响车辆的正常充气和使用，危及车辆安全。
2、硫化氢
天然气虽经脱硫处理，由于种种原因，天然气中或多或少总会有有硫化氢的存在。
当天然气中硫化氢的含量过高时，会严重腐蚀钢瓶。
天然气中总会有水分，当天然气中含硫量高时，使钢瓶出现氢腐蚀，导致钢瓶氢脆（易造成爆破）国家规定硫化氢含量不得超过15mg/m3并越低越好。
3、其它杂质
天然气内杂质应越少越好，防止压缩天然气汽车充气时进入杂质。
4、压缩天然气汽车充气压力规定，不大于20mpa。
五、压缩天然气生产过程
车用压缩天然气生产过程简述：
天然气经输气管道输送到气站，调压到天然气压缩机所需要的进气压力，脱硫后进入天然气分离器，对天然气进行清洁处理，压缩机加压至20mpa以上脱水处理后送气库储存。
六、天然气汽车功率，扭矩下降的原因
跟踪我国使用天然气汽车运用动态，大多数是在原汽油机基础上改装为两用燃料车。
为了兼顾天然气、汽油两种燃料特性，发动机的结构参数几乎没有大的变化。
由于以下几种主要原因，其功率、扭矩有所下降。
1、充气效率低
充气效率低是指实际进入气缸的空气与应该充满气缸的空气量的比值，充气效率是衡量气缸在进气末了时，填充程度的参数。
在燃用汽油时，汽油是以液态形式进入气缸，液态颗粒状的汽油在化油器候管占的空间较小，空气通过量相对较大。
汽油进入进气管后受热气化形成混合气，故充气效率高。
而天然气是以气态的形式进入气缸，占据了部分空间，空气通过量相对减少。
另外，混合器安装在化油器上面，增加了进气阻力，减少进气量，天然气比汽油充气效率大约低10%-13%，使发机动力性受到影响。
2、混合气热值低
天然气混合气热值比汽油混合气低1.5%左右。
3、热效益较低
由于cng火焰传播速度较汽油火焰传播速度慢（cng为33.8cm/s,汽油为39-47cm/s），其主燃期相对增长约18%，故热量传导损失增大，热效率相对降低。
七、提高发动机动力的措施
根据天然气的特性，改进发动机结构，可提高发动机的动力。
1、提高压缩比
理论及实践证明，提高气缸的压缩比是增加发动机动力的重要手段。
作为两用燃料汽车，按经验压缩比可提高到8；使用天然气单燃料，则压缩比可提高到10左右。
压缩比愈大，压缩终了的压力和温度高，点燃后燃烧速度也愈快，膨胀作功也愈充分，因而发动机热变功效率愈大，经济性提高。
必须注意的是，如果汽油机压缩比过大，将产生爆燃，出现“敲缸”现象，使机件负荷增加，甚至损坏机件。
一汽发动机厂针对重庆鼎辉燃气装置，开发了ca6102n系列发动机，随着压缩比的增大，发动机的燃烧特性有了较大的改善，见下页表：
发动机型号
压缩比
最大功率
功率变化率%
扭矩变化率%
最低燃耗率g/kw.n
ca6102
6.75
汽油
99kw
372n.m
（1200-1400r/min）
天然气
74kw
-25
-14
+30%
ca6102n-2
7.4
天然气
91kw
-8
-6
+20%
2、提高充气效率
主要手段为：
增大进气管载面积；改善进气管弯曲状；降低进气管内壁粗糙度；增大气门直径；增大气门升程；增加气门个数等降低进气阻力。
降低进气温度（进排气管分离），采用进气增压等增加进进气密度，这些方式只有造制厂家才能做到。
在用汽油车的改装，我们能做的是，改造混合器与化油器的接口（只保留化油器底座），缩短进气管通道，经常清洗混合器、空滤器，勤更换空滤器滤芯、勤检查，保证进气部件不松动、密封良好，减少进气阻力和损失。
充气效率随发动机转速变化的规律是：
当一定的配气定时下，高转速时，气流惯性增加，而进气迟闭角不变，使一部分本来可以利用气流惯性进入气缸的气体被关在气缸之外，加之转速上升进气流动损失大，充气效率下降；低速时气流惯性减小，又可能使一部分气体被推回进气管，充气效率也下降。
只有在中间转速充气效率可达到最高值。
这就是说明只有在中等转速下工作，能最好地利用惯性充气，车辆应尽可能中速行驶。
3、改善点火条件，提高点火能量
由于天然气火焰传播速度较慢，着火温度高，分子结构比汽油稳定，要破坏这种结构需要更大的点火能量，缩短燃烧持续期，提高热效率，降低燃耗。
4、选用较大功率的发动机
车辆设计一般都有一定的后备功率，两用燃料车使用天然气功率虽有下降，但仍能满足动力性的基本要求。
城市公交客车受到道路条件限制，原设计的最高车速很少使用，牺牲一点动力，换取好的经济效益，保证行车安全，这才是我们推广使用天然气的目的。
要恢复原车辆的动力性能可增大比功率，选用较大功率的发动机即可。
八、燃用天然气对原车的特殊要求和必备条件
1、防冰堵
一级减压阀减压比高达50：
1（从20mpa降至04-0.6mpa），流量最大可达40m3/h，cng在节流降压过程中，气体膨胀吸热厉害，如果不设置加温装置，减压阀将结霜，产生冰堵，从而降低其工作性能，损坏阀芯、阀座、皮膜等部件，减少使用寿命。
同时cng在生产过程中脱水强度不够时，cng含水量多也可能产生冰堵。
因此，减压器必须设有加热防冻装置。
其加热介质利用发动机循环水加热。
使用中应保证发动机冷却水充足，水温正常（80℃~90℃）。
2、混合器保持清洁，不得有机油和污物，进气畅通，否则影响充气量，降低膜片寿命。
3、发动机最大功率、扭矩不低于原标定的90%，气缸密封良好，各缸压力≥0.85mpa，压差不大于平均缸压的5%。
4、怠速时进气管真空度≥430mm汞柱或≤—0.0567mpa。
5、气门间隙为原车标准的上限，点火提前角较汽油提前5~10°。
6、空滤器经常保证进气畅通，每10天保养一次，一万公里更换滤芯。
7、定期清洗化油器或节气门，减少进气阻力，防止怠速不稳。
8、蓄电池空载电压至少保持11.5v以上，起动电压≥8.5v，否则影响正常启动和电磁阀开启，还会使高压火弱，点火能量不足，动力下降，发动机回火。
增置副搭铁，减少接触电阻，保证回路畅通。
9、发电机、发动机工作正常，发电机电压达14v，起动机有力。
10、点火线圈工作正常，进火电压≥11v。
11、中心、分缸高压线无损失漏电，电阻达到原车标准。
分缸线火花为蓝色火焰，长度达10mm。
12、使用高热值冷型火花塞，间隙正常，无烧蚀、无积炭，每月定期调校，更换损坏的火花塞。
13、分电器工作正常。
凸轮磨损较小、轴串量小、分度误差小于1°，分电器盖完好，分火头无损坏裂纹、积碳。
14、汽车滑行性能良好，传动系统无异响，制动良好不发咬，轮胎气压正常。
九、cng汽车燃气装置基本结构原理
1、cng燃供系统流程走向
气气气气气气 排
瓶瓶瓶瓶瓶瓶 气
阀
单 充 手保 过 主 电减 动 混 化
向 气 动护 滤 气 磁压 力 合 油
阀 阀 过阀 器 阀 阀器 阀 器 器
流
气压表 低压表
2．cng储气瓶
气瓶是天然气汽车的重要储气装置，也是改装天然气汽车总体布置时的难点之一，车用气瓶的成本占改装总成本的50%~70%。
气瓶分为四类：
第一类钢制气瓶
第二类钢或铝内衬，筒身缠绕复合材料气瓶
第三类钢或铝内衬，整体缠绕复合材料气瓶
第四类塑料内衬，整体缠绕复合材料气瓶
复合材料气瓶均采用树脂浸渍长纤维加固的方式制造的，重容比小，重量轻，但是价格高；钢制气瓶安全耐用，价格低，但重容比大，重量重。
由于钢制气瓶的价格和安全优势，故目前被普遍采用。
车用cng钢瓶必须符合gb17258-1998《汽车用压缩天燃气钢瓶》的要求。
目前我国指定生产厂家只有重庆益峰和北京天海两家。
产品出厂时，每件产品均要进行3-5倍额定压力的水压试验，气密试验，每批产品均要抽样进行相关试验。
主要项目有：
①静水压力爆破试验：
升压至56.5mpa，保持10s后加压到破坏，瓶体破坏后无碎片。
②常温加压循环试验：
加压，从小于2mpa到大于26mpa的条件下，加压循环的次数大于15000次，不泄漏的为合格。
③耐火试验：
充装压缩气体至20mpa，在钢瓶下侧燃烧火焰温度不低于650℃，时间不小于30min，试验中钢瓶通过压力泄放装置放空的为合格。
④枪击穿透试验：
充装压缩气体20±1mpa，用穿甲子弹进行穿透试验，穿透后无破裂现象。
3．瓶阀
（1） 作用
由进气口、出气口、阀芯、手轮和安全装置等部分组成，作用是通过手轮的启、闭控制气瓶与高压管线的通道。
（2） 工作原理
启闭手柄，使阀芯上下移动，关闭或开启气瓶与高压管线的通道。
另外当发生火灾时，气瓶压力大于0.6mpa或温度高于100℃时，易熔合金片穿透，高压气体排气卸压，防止气瓶爆裂。
4．单向阀
（1） 作用
一端接充气阀另一端接气瓶，充气时单向进气，不反溢气体。
当高压管路需要排气卸压时（不包括气瓶至单向阀和过流保护手动截止阀的高压管路），只需要关断过流保护手动截止阀。
打开排气阀，即可完成排气卸压的过程，不需要关闭全部瓶阀，操作方便。
（2） 工作原理
充气时，充气压力大于气瓶压力，压迫单向阀芯弹簧，迫使单向阀芯离开密封锥面，充气结束时，阀芯两端压力相等达到平衡。
此时，阀芯在弹簧张力的作用下，使阀芯与阀体两锥面形成密封面，使气瓶的高压气体不反溢。
5．充气阀
（1） 作用
由接口、单向阀、手动截止阀、输气接头及防尘罩组成。
通过加气枪接通加气站储存的cng高压充气气路，靠压差将压缩天然气充装到车用气瓶中，（充气时手动截止阀处于开启状态）。
充气结束时，单向阀芯能自动封闭充气口，不反溢气体。
（2） 工作原理
充气时，手动截止阀处于开启状态，充气压力大于气瓶压力，压迫单向阀芯的弹簧使阀芯离开密封面，即可充气。
充气结束时，阀芯两端压力相等达到平衡，阀芯在弹簧张力的作用下，使阀芯与阀体的两锥面形成密封面，高压气体不反溢。
6．过流保护手动截止阀（集成）
（1） 作用
一是，当cng流量超过额定流量的最大正常值时，过流保护阀能自动关断气路切断气源。
如发生高压管路断裂接头松脱等意外事故，过流保护能避免cng大量泄漏。
二是，作为手动截止阀用（同于主气阀）可切断气瓶的气源，司机收班停驶。
高压系统维修等均关断手动截止阀，cng汽车运行使用时，长期开启。
三是当过流保护阀芯起作用已关断气路，使汽车无法运行时，可关闭后开启手动截止阀，能重新恢复气路。
（2） 工作原理
当高压管路突然发生大量泄漏时，气瓶的高压气体压迫过流保护阀芯，克服弹簧张力，使阀芯密封面与阀体密封面紧密接触，自动关断气路，使气瓶内的cng不再大量泄漏。
恢复气路先关闭该阀的手动开关，通过手动阀芯顶开过流保护阀芯，使过流阀芯脱离密封面，再开启手动开关，使手柄开启角度成90°。
此时能使过流阀芯前后压力相等，弹簧的张力使过流阀芯回到正常供气状态，使气路通畅。
注意！
手动开关手柄开度小于90°时，手动阀芯可能会顶住过流保护阀芯，使过流保护作用失效。
7．排气阀（三通阀）
（1） 作用
在过流保护手动截止阀与过滤器之间设置排气阀是在实际应用中总结的成果。
使燃气装置更加优化，在正常使用时仅作为cng的通道用，它的作用：
一是，需要排气卸压时，不需要拆卸管路。
打开排气阀即可达到排气卸压的目的，避免反复拆卸高压管路接头，损坏管线接头，且操作快捷。
二是，出现冰堵或杂务堵塞断气故障，打开排气阀能在短时间内排除（而且司机可操作，无需报修）。
三是，经常排空卸压，可消除管路中的杂质，保持气路畅通，还能减少对各阀阀口、阀芯的冲刷破坏，而且能延长过滤器滤网的更换周期。
（2） 工作原理
排气阀一端接过流保护阀，另一端接过滤器。
另一端与大气相通。
汽车运行时，大气通道外被封堵。
排气阀作cng通道用，当需卸气排气时，打开手柄，阀芯上移。
高压气路与大气相通，在压差的作用下，高压气体很快被排泄在大气中。
卸压排气，必须关闭过流保护手动截止阀，或全部瓶阀。
（整体排气关瓶阀，局部排气关过流保护手动截止阀）。
8．过滤器
在气瓶至减压器之间设置过滤器，能滤除cng中的颗粒、杂质，避免气体中颗粒杂质对减压器、主
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