通過材料變更提高汽車用CNG管路密封性能的研究

張寬宇 王洪磊

【摘 要】我國城市大氣污染較為嚴(yán)重，國內(nèi)油氣價差將長期維持，政府對天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展給予政策支持，天然氣供應(yīng)安全保障度高，產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系基本建成，加上市場需求拉動，這六大動力因素將促使CNG汽車用戶群成為我國具有很大發(fā)展?jié)摿Φ奶烊粴饫檬袌鲋?。但是目前壓縮天然氣（CNG）汽車在整車廠流水線生產(chǎn)存在很大的困難，其主要困難在于整車廠質(zhì)量體系對車輛一次性下線合格率要求非常高，而CNG車型的高壓管路連接往往一次性合格率較低。文章主要介紹某車型嘗試流水線生產(chǎn)時遇到的問題，以及通過材料變更實(shí)現(xiàn)提升高壓管路連接密封性能的措施。

【關(guān)鍵詞】CNG系統(tǒng)；高壓管路設(shè)計(jì)；天然氣泄漏；風(fēng)險(xiǎn)

【中圖分類號】U473 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）10-0033-03

燃?xì)馄囀褂玫娜細(xì)庥绕涫翘烊粴?，是良好的車用燃料，也是全球汽車行業(yè)面臨的能源環(huán)保問題的重要解決方案。隨著全球能源短缺和大氣污染問題的日益嚴(yán)峻，大規(guī)模推廣燃?xì)馄?，對于我國的能源安全和能源多樣化及改善大氣環(huán)境具有重要意義。

雖然天然氣不屬于新能源，但是屬于清潔能源，而且天然氣的費(fèi)用相比其他能源要低很多。以加裝80 L壓縮天然氣罐體為例，可以裝標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下16 m3的天然氣。1 m3天然氣的熱值相當(dāng)于1.17 L汽油的熱值，80 L壓縮天然氣相當(dāng)于18.72 L汽油。汽車可行駛200 km以上路程，費(fèi)用節(jié)省高達(dá)60%。

目前，在用的燃?xì)馄囍饕ㄈ缦?類。

第一類是機(jī)動車整車企業(yè)生產(chǎn)的燃?xì)馄?，這類車由整車廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，通過工業(yè)和信息化部公告認(rèn)證，可有效地保證氣瓶及整個燃?xì)庀到y(tǒng)的安全技術(shù)狀況。其中，第一類還包括流水線生產(chǎn)與廠內(nèi)線下加裝2種。流水線方式不必多說，廠內(nèi)線下改裝的方式類似改裝廠，即在成品汽油機(jī)車輛的基礎(chǔ)上，加裝燃?xì)庀到y(tǒng)。

第二類主要是將在用燃油機(jī)動車改裝成為燃油燃?xì)鈨捎萌剂蠙C(jī)動車，即“油改氣”車輛，主要是由一些汽車維修等單位對燃油車按照《燃?xì)馄嚫难b技術(shù)要求》（GB/T18437.1.2—2009）等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改裝。

整車企業(yè)比改裝廠更加重視汽車的研發(fā)和生產(chǎn)，特別是在整車動力性、發(fā)動機(jī)壽命等方面有嚴(yán)格的相關(guān)實(shí)驗(yàn)；而改裝廠的改裝天然氣車型，往往有發(fā)動機(jī)壽命短、動力性不足等問題。

整車企業(yè)在生產(chǎn)方面有一致性質(zhì)量體系，有專門的零件質(zhì)量管理、裝配工藝、檢測工藝等程序，確保整車質(zhì)量；而改裝車往往面對多種多樣的車型，存在零件質(zhì)量參差不齊、改裝過程不規(guī)范、檢驗(yàn)不完善等缺陷。

此外，在售后的配套設(shè)施方面，改裝廠也不如整車企業(yè)。因此，目前國家已逐步取消CNG改裝廠改裝資質(zhì)的審批，只接受整車廠的改裝申請，以整車出廠天然氣車型為生產(chǎn)趨勢。但是，因?yàn)檎嚻髽I(yè)較高的研發(fā)成本和質(zhì)量管理要求，導(dǎo)致整車企業(yè)燃?xì)馄嚿a(chǎn)成本相比改裝廠的成本處于劣勢。

下面結(jié)合某微車CNG（壓縮天然氣）車型，談一下整車廠生產(chǎn)相比改裝廠的困難點(diǎn)。

1 CNG系統(tǒng)簡述

該系統(tǒng)主要由3個部分構(gòu)成。

1.1 電器部分

電器部分主要由CNG ECU及汽油ECU、各傳感器及開關(guān)組成，主要作用為控制行車電腦、監(jiān)測車輛狀況等。

1.2 高壓供氣部分

高壓供氣部分主要由氣瓶、高壓鋼管、充氣閥及壓力調(diào)節(jié)器組成，主要作用為存儲及供給高壓燃?xì)?，并?jīng)由壓力調(diào)節(jié)器將高壓氣體轉(zhuǎn)化為低壓氣體。

1.3 低壓供氣部分

低壓供氣部分主要由燃?xì)饽z管、燃?xì)膺^濾器、進(jìn)氣接頭及燃?xì)鈬娮旖M成，主要作用為直接向發(fā)動機(jī)燃燒室供給低壓燃?xì)狻?/p>

2 整車廠生產(chǎn)CNG車型的困難

CNG系統(tǒng)對整車廠流水線制造系統(tǒng)的要求與汽油動力車型相比有很大的不同。

2.1 電器部分

CNG電器部分與汽油系統(tǒng)的電器部分差別不大，重點(diǎn)在于相關(guān)零部件的質(zhì)量及整車檢測。對于第一次做CNG車型的整車廠來說，難點(diǎn)在于如何把CNG系統(tǒng)的工作原理完整地轉(zhuǎn)化為質(zhì)量體系的檢測工藝。

2.2 高壓與低壓供氣部分

高壓與低壓供氣部分難點(diǎn)在于管路的有效裝配，以及如何將儲氣、供氣系統(tǒng)的工作原理轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量檢測工藝，特別是高壓管路在20 MPa的工作壓力下實(shí)施的氣體密封性檢測，在整車工廠對一次性合格率要求非常嚴(yán)苛的背景下，如何更有效地裝配，能使一次性氣密性檢測合格率達(dá)到要求，絕對是一個巨大的挑戰(zhàn)。

3 某微車CNG車型

3.1 高壓端的檢測方法

零部件裝配完畢后，確認(rèn)氣瓶瓶閥處于關(guān)閉狀態(tài)，從充氣閥處充入20 MPa空氣并保壓，用泡沫水檢測高壓部分所有可能的泄漏點(diǎn)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，用泡沫水檢漏，若1 min內(nèi)沒有氣泡產(chǎn)生，即合格。

3.2 高壓管路結(jié)構(gòu)及密封原理

3.2.1 優(yōu)化管路接頭結(jié)構(gòu)

圖1所示為高壓管路接頭的結(jié)構(gòu)。

3.2.2 密封基本原理

圖2為密封基本原理圖，卡套螺栓（簡稱螺栓）與底座壓縮卡套，由于卡套的錐度小于底座（底座與螺栓角度相同）的錐度，卡套受如圖2所示方向的力（F1），使卡套一方面軸向收縮，一方面徑向嵌入鋼管（F2），達(dá)到密封目的。

3.3 CNG車型設(shè)計(jì)方面的整改優(yōu)化

為提高下線車輛一次性合格率，主要在結(jié)構(gòu)尺寸與材料搭配方面做相應(yīng)的改進(jìn)。

3.3.1 結(jié)構(gòu)尺寸方面

該密封結(jié)構(gòu)在高壓管路的連接中比較常見，屬于比較精密的配合。因?yàn)樯婕鞍踩?，所以對相關(guān)零件的質(zhì)量要求比較高。

為提高一次性合格率，在接頭結(jié)構(gòu)方面做了以下改進(jìn)，見表1。

3.3.2 材料搭配方面

由于不同材料具有不同的力學(xué)性能，所以不同材料的卡套，搭配不同材料的鋼管、卡套螺栓、底座，有不同的裝配扭力和不同的密封效果。

理論設(shè)計(jì)上，由于密封原理為卡套壓縮變形，抱緊鋼管密封，所以最佳的剛度順序?yàn)榈鬃ㄌ茁菟ǎ﹦偠取蒌摴軇偠?卡套剛度。由于卡套需要嵌入鋼管，所以在硬度方面，要求卡套的硬度大于鋼管硬度。在選用不同材料搭配的時候，還要考慮到不同材料的其他使用性能，如環(huán)保性能、耐腐蝕性、部件的加工成本等。

做為備選的各材料性能見表2。結(jié)合表2的材料性能及使用需求，下面列幾個比較典型的零件可選方案及其優(yōu)缺點(diǎn)，見表3。

通過對比，密封效果最好的是方案1、2和6，但是方案1、2材料成本、工藝成本均較高，方案6成本低、密封性能優(yōu)良。綜合理論分析、使用性能、成本控制及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終選擇方案6。

4 結(jié)論

本文分析了該CNG車型高壓部分多層次、多方面的改進(jìn)與優(yōu)化，一次性下線合格率達(dá)到80%以上，但是依然沒有達(dá)到汽油機(jī)車型的合格率。

在石油資源逐漸枯竭的今天，新能源汽車在市場上的增長速度越來越快。CNG車型做為新能源汽車中的一種，未來市場同樣會更加廣闊。在研發(fā)、質(zhì)量管理、售后等成本沒有優(yōu)勢的情況下，如何通過流水線生產(chǎn)的方式大幅降低生產(chǎn)成本，對整車廠來說，是重中之重。整車一次合格率達(dá)不到95%以上，對整車廠批量化生產(chǎn)有著非常巨大的阻礙。為了進(jìn)一步推進(jìn)CNG車型批量化生產(chǎn)，在此分享一下我們對于流水線生產(chǎn)CNG車型的經(jīng)驗(yàn)，以提供借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉道信.中國天然氣市場研究[J].中國市場，2009（1）.

[2]馬艷艷.淺談CNG汽車發(fā)展趨勢[J].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（8）.

[3]周怡沛.中國CNG汽車市場發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢與策略[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2009（10）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]