隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shí)減少對(duì)石油的依賴。與傳統(tǒng)燃料汽車相比, 天然氣汽車費(fèi)用成本較低, 其出現(xiàn)促進(jìn)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(dòng)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(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、性能等。

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

天然氣通過(guò)天然氣管網(wǎng)進(jìn)入加氣站, 在壓縮機(jī)的作用下變成壓縮天然氣, 一般是將壓強(qiáng)為20MPa、15MPa和10MPa的天然氣分別儲(chǔ)存在高、中和低三個(gè)儲(chǔ)氣瓶中[11]。儲(chǔ)氣瓶中的氣體通過(guò)不同的管線輸送到加氣機(jī)中, 在加氣機(jī)中先通過(guò)過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾后, 再由電控系統(tǒng)自動(dòng)控制低、中和高壓電磁閥的開(kāi)關(guān)。天然氣通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量, ***后將計(jì)量過(guò)的天然氣裝入天然氣汽車儲(chǔ)氣瓶中。整個(gè)過(guò)程的顯示、儲(chǔ)存都是電控系統(tǒng)通過(guò)處理壓力達(dá)到設(shè)定值質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量信號(hào)所得。其大致過(guò)程為:首先加氣機(jī)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(chǔ)氣瓶中的氣壓值, 之后打開(kāi)低壓電磁閥開(kāi)始?jí)喝霘怏w, 在汽車儲(chǔ)氣瓶中的壓力接近低壓儲(chǔ)氣瓶中的壓力, 無(wú)法繼續(xù)壓入氣體時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切換打開(kāi)氣壓更高的電磁閥, 直至加氣量達(dá)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(jī)的主要性能指標(biāo)有以下幾個(gè)方面[12]:

(1) 壓力范圍:壓力范圍主要指加氣機(jī)的設(shè)計(jì)工作壓力、額定工作壓力和***大工作壓力的上限。其中, 設(shè)計(jì)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(jì)量性能要求:加氣機(jī)需在誤差允許的范圍內(nèi)進(jìn)行加氣, 其計(jì)量準(zhǔn)確性不低于1.0級(jí), 即***大允許誤差為±1.0%。此外還要求顯示器顯示的金額與計(jì)算的付費(fèi)金額之差的值, 不能超過(guò)加氣機(jī)的***小付費(fèi)變量。

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

(4) 氣密性和安全性:加氣機(jī)在20MPa壓力下, 保壓10min, 加氣機(jī)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(wú)變形和破裂現(xiàn)象。加氣機(jī)的安全防爆性能必須滿足整機(jī)安全防爆要求, 確保使用過(guò)程中無(wú)安全隱患。在汽車儲(chǔ)氣瓶中的壓力達(dá)到19~20MPa時(shí), 加氣機(jī)能夠自動(dòng)停止加氣。

加氣機(jī)的管理控制系統(tǒng)主要功能是加氣流程的控制、對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理, 此外還需要滿足擴(kuò)展功能。控制系統(tǒng)的功能主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)部分:

(1) 電磁閥的控制:對(duì)電磁閥進(jìn)行控制是加氣機(jī)的核心, 加氣機(jī)控制系統(tǒng)不僅需要能夠精準(zhǔn)地控制電磁閥的開(kāi)關(guān), 而且還需要能夠控制開(kāi)關(guān)的順序。

(2) 壓力信號(hào)采集:控制系統(tǒng)能夠控制流量計(jì)的開(kāi)關(guān), 通過(guò)A\D傳感器完成流量計(jì)量從壓力信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換, 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確記錄和處理, 獲得的流量計(jì)量信息。

(3) 輸入和輸出:加氣機(jī)需要顯示天然氣單價(jià)和金額, 通過(guò)不同的LCD模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入和輸出。

(4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展:控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)由于不同加氣站、不同加氣機(jī)、不同操作員所得到的復(fù)雜數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理, 并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的打印和查詢。充分考慮加氣機(jī)未來(lái)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(guó)外工業(yè)起步早, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快, 環(huán)境問(wèn)題也早早得到人們的重視, 例如美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、德國(guó)、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(jī)和加氣站建設(shè)。本世紀(jì)初, 美國(guó)在大力推廣天然氣燃料汽車的同時(shí), 還制定了一系列強(qiáng)制性法規(guī)政策, 鼓勵(lì)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(jìn)了CNG加氣機(jī)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(jī)和加氣站發(fā)展較早, 發(fā)達(dá)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(guó)內(nèi)天然氣汽車起步較晚, 2000年在淄博成功研發(fā)臺(tái)國(guó)產(chǎn)加氣機(jī), 隨后進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。隨著更多的公司投入到加氣機(jī)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(guó)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(hù), 實(shí)現(xiàn)能源的多元化利用, 同時(shí)對(duì)整個(gè)汽車工業(yè)的發(fā)展也有十分巨大的推動(dòng)作用。雖然國(guó)內(nèi)CNG加氣機(jī)的發(fā)展已經(jīng)十分顯著, 推動(dòng)了天然氣汽車的普及, 但是與國(guó)外先進(jìn)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(wèn)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(kāi)發(fā)更加便利、更加高效、更加安全實(shí)用的CNG加氣機(jī), 并向市場(chǎng)進(jìn)行投放和推廣, 可以促進(jìn)天然氣汽車的發(fā)展, 同時(shí)有利于緩解和改善資源短缺、大氣污染等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。CNG加氣機(jī)具有極大的推廣意義, 是現(xiàn)階段推廣環(huán)保動(dòng)力能源的重要趨勢(shì)。

通過(guò)近百年的發(fā)展, CNG加氣機(jī)的市場(chǎng)應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛, 促進(jìn)了天然氣汽車的發(fā)展, 為社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。CNG加氣機(jī)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(lái)CNG加氣機(jī)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。