某款微卡两用燃料车型CNG供气系统设计

闫 彬

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

1.1 天然气汽车概述及分类

天然气是一种优质的能源，具有高效、低污染、低排放等优点。相对于煤炭而言，粉尘、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等污染物质的排放量都明显降低。天然气广泛应用于交通、冶金、电力、轻工等行业的内燃机、汽车、炼钢、热处理、印染、纺织等诸多方面，同时也大量供给居民作为生活燃料。天然气汽车以天然气为燃料，提供动力。天然气的甲烷含量90%以上，是很好的汽车发动机燃料。天然气汽车在世界和我国各省市得到了推广应用。目前市场上的天然气发动机主要有两种，分别为 CNG（压缩天然气）发动机和LNG（液化天然气）发动机。

1.2 天然气汽车的现状及发展前景

在汽车领域，天然气发动机使用成本低，但目前普及不广泛，仅占市场份额的3—4%，且主要以后期改装较多，每年的改装规模在百万辆左右，原厂生产的两用燃料车市场近几年也在逐步扩大。随着国家排放标准的不断提高，低端轻卡产品的价格普遍提高，竞争力较低，发展天然气汽车对于解决环境问题和能源问题都具有重要意义。我国天然气资源储备丰富，相对较为便宜的燃气价格是驱动天然气汽车产业发展的直接力，同时天然气汽车的减排效益显著，有利于汽车行业的可持续发展。

2 CNG供气系统结构及工作原理

2.1 CNG供气系统的结构

燃气贮存系统：燃气贮存系统主要用于天然气的储存，主要零部件包括气瓶总成、气瓶固定支架、气瓶防护罩、气瓶下护板、缓冲胶垫、高压管路、充气阀总成、充气阀固定支架等。

燃气供给系统：燃气供给系统主要用于天然气的降压、过滤以及喷射，主要零部件包括减压器及高压电磁阀、压力表、低压燃气滤清器、燃气喷轨及相关附件、进出水管、低压燃气软管、燃气喷射管等。

燃气控制系统：燃气控制系统主要用于控制燃气模块工作过程，包括燃气喷射量控制，燃气温度控制，压力控制，泄漏报警，油气切换等，主要零部件包括气轨压力温度传感器、整车ECU模块（集成CNG控制系统）、燃气泄漏报警传感器、泄漏报警蜂鸣器、油气转换开关等。

2.2 CNG供气系统工作原理

整体供气系统的工作原理如图1表示。其中，粗实线为高压燃气管路，细实线为低压燃气管路，双点划线为水管管路，单点划线为真空管管路，细虚线为车架轮廓线，粗虚线为控制系统线束。

图1 CNG供气系统工作原理图

3 CNG供气系统设计过程

如图2所示，气瓶总成在尾梁后端，固定在尾梁上，保证气瓶重心在车架中心线处，高压管路沿车架右纵梁到达充气阀，经过加气阀之后到达减压器位置。

图2 供气系统底盘部分装置图

充气阀利用支架固定于驾驶室底板右侧，副驾驶座椅下方。

减压器及高压电磁阀布置减压器利用减压器固定支架固定于驾驶室底板左侧，主驾驶座椅下方。

燃气滤清器固定于发动机上，借用发动机节温器螺栓固定。

燃气喷轨固定于发动机进气歧管上，支架与气轨之间使用弹性胶垫连接，避免震动造成气轨与机体磕碰。

4 性能分析与计算

4.1 气瓶支架强度CAE分析

气瓶支架作为供气系统中气瓶的重要承载系统，其安全性能尤为重要，利用hyperwork软件对气瓶支架强度进行简单分析。

4.1.1 相关参数收集

气瓶部分相关参数如表1和表2所示。

表1 气瓶支架承载质量

表2 气瓶支架相关参数

4.1.2 仿真模型建立

利用hypermesh软件对气瓶支架及尾梁部位进行约束及网格划分，如图3所示。

图3 仿真模型建立

图4 垂直方向3.0G载荷示意图

针对上述模型，进行CAE仿真分析，计算气瓶装满后垂直方向3.0G载荷时，支架的强度及位移情况，加载后模型如图4所示。

4.1.3 仿真结果分析

根据上述模型，进行CAE仿真分析后，得出气瓶装满后3.0G垂直载荷情况下，气瓶支架的应力分布如图5所示。

图5 气瓶装满3.0G垂直载荷气瓶各部分应力分布

由图5可以看出，气瓶装满3.0G垂直载荷工况下，支架上最大应力为 278.7Mpa，主要集中在支架的折弯处，由表4-2可知，气瓶支架材料为510L钢，屈服应力为大于355Mpa，由此可以算出3.0垂直载荷工况下，支架的安全系数K3.0G为：

应力满足要求。

气瓶装满3.0G垂直载荷工况下，气瓶支架的位移如图6所示。

图6 3.0G垂直载荷气瓶各部分位移分布

图7 气瓶装配效果示意图

由图6可以看出，气瓶装满3.0G垂直载荷工况下，支架最大位移为 6.40mm，最大部位在支架尾端，位移量较小，刚度满足使用要求。考虑到实际装配过程中，支架尾端利用扎带固定，装配效果如图4-5所示。支架受力位移对系统的影响较小。

综上所述，气瓶支架在3.0G垂直载荷工况下，应力及刚度均满足使用要求。支架强度满足条件。

4.2 燃油燃气动力性、经济性对比分析

利用动力性经济性计算软件对该车汽油时的动力性及经济性进行对比，结果如表3所示，可以看出天然气燃料相比于汽油燃料，动力性略有下降。

由于气瓶中的天然气低于一定压力时将无法使用，所以实际使用过程中气瓶中约有10%的天然气剩余，由此大概可以算出80L的气瓶加满气的情况下实际可以使用的天然气体积=16*0.9=14.4m3，根据表中数据，可以算出，燃气状态下，理论上满载续航里程可以达到14.4/7.4*100=195km。

表3 动力性、经济性计算结果

以2017年9月15日安徽地区92#汽油的平均价格为元6.24元/L，车用压缩天然气的价格约为 3.49元/m3。可以计算出该车的百公里汽油价格约为 50.54元，百公里天然气价格约为25.83元，燃气相比于燃油费用可以节约48%。

5 结论

本文通过对微卡匹配汽油天然气两用燃料发动机供气系统的进行简单介绍，并对供气系统设计进行计算和说明，，运用UG软件建立三维模型，匹配供气系统的空间布置，并利用Hyperwork 软件对气瓶固定支架强度进行分析，验证了气瓶固定支架的可靠性。通过设计计算动力性经济性过程中，可以发现天然气燃料相比于汽油燃料在微卡中经济性大为提高，且原厂生产的两用燃料产品比市场上改装的产品具有更好的可靠性及安全性，大大减少了使用过程中的安全隐患，对新能源商用车产品的推广具有重要意义!

[1] 陈家瑞.汽车构造（上）.北京机械工业出版社.

[2] 张代胜.汽车理论.合肥工业大学出版社.

[3] 刘惟信.汽车设计.清华大学出版社.

[4] 国家标准.GB 7258-2012机动车运行安全技术条件.

[5] 国家标准.GB 17258－2011汽车用压缩天然气钢瓶.

[6] 江淮汽车技术中心.QCT 245—2002 压缩天然气汽车专用装置技术条件.