CNG车辆快速加气系统的研究

郭宇，米会学，王菲，杨志科

（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；

2.陕西德仕汽车部件（集团）有限责任公司，陕西 西安 710200）

前言

目前商用 CNG燃气车辆为了提高续航里程大多采用多个气瓶组合布置的形式作为燃气供给，但随之而来的加气速度问题一直困扰着行业内各方参与人员，加气速度随着气瓶的增多，燃气供给系统瓶组的增加越来越慢。为此，我们有必要对整个燃气供给系统进行优化，在不增加成本，不改变外围条件的同时，使系统本身能缩短加气时间。

1 CNG燃气供给原理

CNG燃气供给系统一般包括加气口、单向阀、车用气瓶、气压显示器、截止阀、高压管线、减压调节器、过流阀和滤清器。供气原理图如图1所示。

图1 CNG燃气供给原理图

2 加气方案设计

2.1 理论分析

根据气体质量流量公式：

G：质量流量

M：流量系数

P0：入口压力

Q（λ）：系数

T0：环境绝对温度

F：气体通过截面积

气体通过截面积公式：F =πd2/4

通过以上公式分析，可以看出在环境温度不变化的情况下，气体流量与管路通径、入口压力和流量系数有关，由于入口压力受国内加气站参数的影响，一般都设计为额定工作压力20 Mpa，因此，考虑从调整管路通径和调整管路布置方案两个方面入手来改善天然气车型加气速度。为了优化CNG供气系统充气时间，现给出以下六种方案，通过AMESim建立CFD模型计算分析选出加气速度最快的方案，最后通过试验对计算结果进行验证和修正，确定快速加气方案。实验相关参数见表1和表2。

表1 车辆供给系统参数

注：管路分两种，一种是统一用内径为φ6mm的管子，另一种是统一用内径为φ9mm的管子。

表2 国内某加气机技术参数

2.2 设计方案一

气瓶连接方式：8个气瓶并联。

充气方式：充气口1和充气口2同时充气，如图2 所示。

图2 方案一

2.3 设计方案二

气瓶连接方式：8个气瓶并联。

充气方式：充气口1关闭，仅充气口2充气，如图3所示。

2.4 设计方案三

气瓶连接方式：每2个气瓶串联成一组，然后4组进行并联。

充气方式：充气口1和充气口2同时充气，如图4 所示。

图3 方案二

图4 方案三

2.5 设计方案四

气瓶连接方式：每2个气瓶串联成一组，然后4组进行并联。

充气方式：充气口1关闭，仅充气口2充气，如图5所示。

图5 方案四

2.6 设计方案五

气瓶连接方式：8个气瓶串联。

充气方式：充气口1和充气口2同时充气，如图6 所示。

图6 方案五

2.7 设计方案六

气瓶连接方式：8个气瓶串联。

充气方式： 充气口1关闭，仅充气口2充气，如图7 所示。

图7 方案六

3 计算分析

3.1 CFD模型描述

如图8所示，采用AMESim软件中Dynamic计算模型建模处理。

图8

3.2 CFD模型计算结果

分别对6种布置方案采用两种规格的管内径进行加气速度计算，结果分别见表3、表4。

表3

表4

通过对气瓶充气时间的分析，得到了不同方案下的气瓶充气时间，分析表明：

1）在同一方案下，9mm比6mm内径管充气用时少；

2）在同一方案下，双充气比单充气用时少；

3）综合比较三种方案六种形式，方案三充气时间最短。

4 试验数据

通过前期的计算分析得出充气管内径对加气速度有直接的影响，内径大加气速度快，双充气口比单充气口加气速度快，实践使用过程中也证实这一点；接下来通过试验的方式对设计优化后的方案和原车型加气方案对比。

图9

通过图11试验数据统计和图10加气速度曲线对不同管路布置的对比分析，发现在燃气供给系统其他参数不变的前提下，通过调整优化管路布置可以提高系统的加气速度。

图10 加气速度曲线图

图11 试验数据

5 试验验证结论

两两串联后并联的混连方式与纯并联加气速度基本一致，最优方案管路布置采用混连。

参考文献

[1] 李超CNG加气站工艺系统与设备优化研究[D].重庆大学.2012.

[2] 殷承良,张建龙.新能源汽车整车设计:典型车型与结构[M].上海科学技术出版社.2013.