隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的迅猛發(fā)展, 汽車工業(yè)發(fā)展迅速, 汽車已成為生產(chǎn)和生活的必需品。傳統(tǒng)的汽車是以柴油、汽油等作為能源, 大氣污染嚴(yán)重。隨著科技的進步, 天然氣以其低的排放量逐漸成為一種新的汽車能源[1-4]。使用天然氣燃料可以降低大氣污染物的排放, 同時減少對石油的依賴。與傳統(tǒng)燃料汽車相比, 天然氣汽車費用成本較低, 其出現(xiàn)促進了汽車工業(yè)的發(fā)展[5-6]。

天然氣汽車的快速發(fā)展, 帶動了天然氣加氣站的發(fā)展。加氣站可分為“標(biāo)準(zhǔn)站”和“母子站”兩種類型, 天然氣形式分為壓縮天然氣 (CNG) 和液化天然氣 (LNG) 兩種[7-9]。本文著重介紹壓縮天然氣加氣機的原理、結(jié)構(gòu)、性能等。

CNG加氣機是加氣站必需的加氣計量裝置, 需要能夠在高壓、震動工況下穩(wěn)定可靠地工作, 這就需要滿足計量和控制的穩(wěn)定。計量是對加氣量檢測, 控制是實現(xiàn)對氣壓的控制, 以保證加氣機的加氣效率和使用安全性。CNG加氣機主要由加氣槍、電控系統(tǒng)、壓力傳感器、流量計、防爆控制、電磁閥等部件組成, 圖1為CNG加氣機結(jié)構(gòu)圖[10]。

天然氣通過天然氣管網(wǎng)進入加氣站, 在壓縮機的作用下變成壓縮天然氣, 一般是將壓強為20MPa、15MPa和10MPa的天然氣分別儲存在高、中和低三個儲氣瓶中[11]。儲氣瓶中的氣體通過不同的管線輸送到加氣機中, 在加氣機中先通過過濾系統(tǒng)過濾后, 再由電控系統(tǒng)自動控制低、中和高壓電磁閥的開關(guān)。天然氣通過質(zhì)量流量計進行計量, ***后將計量過的天然氣裝入天然氣汽車儲氣瓶中。整個過程的顯示、儲存都是電控系統(tǒng)通過處理壓力達到設(shè)定值質(zhì)量流量計的計量信號所得。其大致過程為:首先加氣機讀入預(yù)設(shè)加氣金額或加氣量, 接著壓力傳感器讀取天然氣汽車儲氣瓶中的氣壓值, 之后打開低壓電磁閥開始壓入氣體, 在汽車儲氣瓶中的壓力接近低壓儲氣瓶中的壓力, 無法繼續(xù)壓入氣體時系統(tǒng)自動切換打開氣壓更高的電磁閥, 直至加氣量達到預(yù)設(shè)加氣金額或加氣量, 若未設(shè)置則一直加滿為止。

壓縮天然氣加氣機的主要性能指標(biāo)有以下幾個方面[12]:

(1) 壓力范圍:壓力范圍主要指加氣機的設(shè)計工作壓力、額定工作壓力和***大工作壓力的上限。其中, 設(shè)計工作壓力應(yīng)大于等于27.5MPa, 額定工作壓力應(yīng)大于等于20MPa, ***大工作壓力不小于25MPa。

(2) 計量性能要求:加氣機需在誤差允許的范圍內(nèi)進行加氣, 其計量準(zhǔn)確性不低于1.0級, 即***大允許誤差為±1.0%。此外還要求顯示器顯示的金額與計算的付費金額之差的值, 不能超過加氣機的***小付費變量。

(3) 流量范圍:加氣機根據(jù)流量不同可分為小流量加氣機、中流量加氣機和大流量加氣機。小流量加氣機的***大流量應(yīng)不大于30kg/min, 大流量加氣機的***大流量應(yīng)大于70kg/min, 中流量加氣機的***大流量介于兩者之間。

(4) 氣密性和安全性:加氣機在20MPa壓力下, 保壓10min, 加氣機氣路系統(tǒng)及其附件不允許出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。在35MPa的額定靜態(tài)壓力下, 保持1min, 無變形和破裂現(xiàn)象。加氣機的安全防爆性能必須滿足整機安全防爆要求, 確保使用過程中無安全隱患。在汽車儲氣瓶中的壓力達到19~20MPa時, 加氣機能夠自動停止加氣。

加氣機的管理控制系統(tǒng)主要功能是加氣流程的控制、對計量數(shù)據(jù)的存儲和處理, 此外還需要滿足擴展功能。控制系統(tǒng)的功能主要實現(xiàn)以下幾個部分:

(1) 電磁閥的控制:對電磁閥進行控制是加氣機的核心, 加氣機控制系統(tǒng)不僅需要能夠精準(zhǔn)地控制電磁閥的開關(guān), 而且還需要能夠控制開關(guān)的順序。

(2) 壓力信號采集:控制系統(tǒng)能夠控制流量計的開關(guān), 通過A\D傳感器完成流量計量從壓力信號到電信號的轉(zhuǎn)換, 實現(xiàn)準(zhǔn)確記錄和處理, 獲得的流量計量信息。

(3) 輸入和輸出:加氣機需要顯示天然氣單價和金額, 通過不同的LCD模塊來實現(xiàn)輸入和輸出。

(4) 數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)擴展:控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)由于不同加氣站、不同加氣機、不同操作員所得到的復(fù)雜數(shù)據(jù)的存儲和管理, 并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的打印和查詢。充分考慮加氣機未來嵌入產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)需求, 保證提供適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口。

國外工業(yè)起步早, 經(jīng)濟發(fā)展較快, 環(huán)境問題也早早得到人們的重視, 例如美國、英國、荷蘭、德國、日本等。這些的政府采取了大量的資金和稅收等支持政策, 推廣CNG加氣機和加氣站建設(shè)。本世紀(jì)初, 美國在大力推廣天然氣燃料汽車的同時, 還制定了一系列強制性法規(guī)政策, 鼓勵使用CNG等清潔燃料車輛。這些措施不僅推廣了天然氣汽車, 也極大地促進了CNG加氣機和加氣站的發(fā)展。源于天然氣燃料汽車的發(fā)展, 歐洲CNG加氣機和加氣站發(fā)展較早, 發(fā)達的天然氣供應(yīng)網(wǎng), 使得意大利等歐洲相繼發(fā)展了天然氣汽車。

國內(nèi)天然氣汽車起步較晚, 2000年在淄博成功研發(fā)臺國產(chǎn)加氣機, 隨后進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。隨著更多的公司投入到加氣機行業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn), 政府制定了相應(yīng)的支持政策。目前國內(nèi)已建成數(shù)千座天然氣加氣站[13], 不僅利于環(huán)境保護, 實現(xiàn)能源的多元化利用, 同時對整個汽車工業(yè)的發(fā)展也有十分巨大的推動作用。雖然國內(nèi)CNG加氣機的發(fā)展已經(jīng)十分顯著, 推動了天然氣汽車的普及, 但是與國外先進的技術(shù)相比, 還存在著一定的差距。

傳統(tǒng)能源面臨著資源減少、尾氣排放、環(huán)境污染等諸多問題, 嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境, 尋找替代傳統(tǒng)能源的清潔能源是發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。在此背景下, 研究和開發(fā)更加便利、更加高效、更加安全實用的CNG加氣機, 并向市場進行投放和推廣, 可以促進天然氣汽車的發(fā)展, 同時有利于緩解和改善資源短缺、大氣污染等現(xiàn)實問題。CNG加氣機具有極大的推廣意義, 是現(xiàn)階段推廣環(huán)保動力能源的重要趨勢。

通過近百年的發(fā)展, CNG加氣機的市場應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛, 促進了天然氣汽車的發(fā)展, 為社會帶來了巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。CNG加氣機的研發(fā)和生產(chǎn)也已經(jīng)趨于成熟, 其使用更加安全可靠。未來CNG加氣機將向著多樣化、智能化、系統(tǒng)更加穩(wěn)定、功能更加健全的方向發(fā)展。