CNG車輛快速加氣系統(tǒng)的研究

郭宇，米會學(xué)，王菲，楊志科

（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；

2.陜西德仕汽車部件（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

前言

目前商用 CNG燃?xì)廛囕v為了提高續(xù)航里程大多采用多個(gè)氣瓶組合布置的形式作為燃?xì)夤┙o，但隨之而來的加氣速度問題一直困擾著行業(yè)內(nèi)各方參與人員，加氣速度隨著氣瓶的增多，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)瓶組的增加越來越慢。為此，我們有必要對整個(gè)燃?xì)夤┙o系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在不增加成本，不改變外圍條件的同時(shí)，使系統(tǒng)本身能縮短加氣時(shí)間。

1 CNG燃?xì)夤┙o原理

CNG燃?xì)夤┙o系統(tǒng)一般包括加氣口、單向閥、車用氣瓶、氣壓顯示器、截止閥、高壓管線、減壓調(diào)節(jié)器、過流閥和濾清器。供氣原理圖如圖1所示。

圖1 CNG燃?xì)夤┙o原理圖

2 加氣方案設(shè)計(jì)

2.1 理論分析

根據(jù)氣體質(zhì)量流量公式：

G：質(zhì)量流量

M：流量系數(shù)

P0：入口壓力

Q（λ）：系數(shù)

T0：環(huán)境絕對溫度

F：氣體通過截面積

氣體通過截面積公式：F =πd2/4

通過以上公式分析，可以看出在環(huán)境溫度不變化的情況下，氣體流量與管路通徑、入口壓力和流量系數(shù)有關(guān)，由于入口壓力受國內(nèi)加氣站參數(shù)的影響，一般都設(shè)計(jì)為額定工作壓力20 Mpa，因此，考慮從調(diào)整管路通徑和調(diào)整管路布置方案兩個(gè)方面入手來改善天然氣車型加氣速度。為了優(yōu)化CNG供氣系統(tǒng)充氣時(shí)間，現(xiàn)給出以下六種方案，通過AMESim建立CFD模型計(jì)算分析選出加氣速度最快的方案，最后通過試驗(yàn)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，確定快速加氣方案。實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)見表1和表2。

表1 車輛供給系統(tǒng)參數(shù)

注：管路分兩種，一種是統(tǒng)一用內(nèi)徑為φ6mm的管子，另一種是統(tǒng)一用內(nèi)徑為φ9mm的管子。

表2 國內(nèi)某加氣機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)方案一

氣瓶連接方式：8個(gè)氣瓶并聯(lián)。

充氣方式：充氣口1和充氣口2同時(shí)充氣，如圖2 所示。

圖2 方案一

2.3 設(shè)計(jì)方案二

氣瓶連接方式：8個(gè)氣瓶并聯(lián)。

充氣方式：充氣口1關(guān)閉，僅充氣口2充氣，如圖3所示。

2.4 設(shè)計(jì)方案三

氣瓶連接方式：每2個(gè)氣瓶串聯(lián)成一組，然后4組進(jìn)行并聯(lián)。

充氣方式：充氣口1和充氣口2同時(shí)充氣，如圖4 所示。

圖3 方案二

圖4 方案三

2.5 設(shè)計(jì)方案四

氣瓶連接方式：每2個(gè)氣瓶串聯(lián)成一組，然后4組進(jìn)行并聯(lián)。

充氣方式：充氣口1關(guān)閉，僅充氣口2充氣，如圖5所示。

圖5 方案四

2.6 設(shè)計(jì)方案五

氣瓶連接方式：8個(gè)氣瓶串聯(lián)。

充氣方式：充氣口1和充氣口2同時(shí)充氣，如圖6 所示。

圖6 方案五

2.7 設(shè)計(jì)方案六

氣瓶連接方式：8個(gè)氣瓶串聯(lián)。

充氣方式： 充氣口1關(guān)閉，僅充氣口2充氣，如圖7 所示。

圖7 方案六

3 計(jì)算分析

3.1 CFD模型描述

如圖8所示，采用AMESim軟件中Dynamic計(jì)算模型建模處理。

圖8

3.2 CFD模型計(jì)算結(jié)果

分別對6種布置方案采用兩種規(guī)格的管內(nèi)徑進(jìn)行加氣速度計(jì)算，結(jié)果分別見表3、表4。

表3

表4

通過對氣瓶充氣時(shí)間的分析，得到了不同方案下的氣瓶充氣時(shí)間，分析表明：

1）在同一方案下，9mm比6mm內(nèi)徑管充氣用時(shí)少；

2）在同一方案下，雙充氣比單充氣用時(shí)少；

3）綜合比較三種方案六種形式，方案三充氣時(shí)間最短。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過前期的計(jì)算分析得出充氣管內(nèi)徑對加氣速度有直接的影響，內(nèi)徑大加氣速度快，雙充氣口比單充氣口加氣速度快，實(shí)踐使用過程中也證實(shí)這一點(diǎn)；接下來通過試驗(yàn)的方式對設(shè)計(jì)優(yōu)化后的方案和原車型加氣方案對比。

圖9

通過圖11試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖10加氣速度曲線對不同管路布置的對比分析，發(fā)現(xiàn)在燃?xì)夤┙o系統(tǒng)其他參數(shù)不變的前提下，通過調(diào)整優(yōu)化管路布置可以提高系統(tǒng)的加氣速度。

圖10 加氣速度曲線圖

圖11 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論

兩兩串聯(lián)后并聯(lián)的混連方式與純并聯(lián)加氣速度基本一致，最優(yōu)方案管路布置采用混連。

參考文獻(xiàn)

[1] 李超CNG加氣站工藝系統(tǒng)與設(shè)備優(yōu)化研究[D].重慶大學(xué).2012.

[2] 殷承良,張建龍.新能源汽車整車設(shè)計(jì):典型車型與結(jié)構(gòu)[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2013.