一、概述
??????? 隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，全世界的汽車產(chǎn)量和汽車保有量都在不斷增加；目前全世界的汽車產(chǎn)量已超過5000萬輛，汽車保有量已達7億輛，汽車運行消耗石油量占全世界石油產(chǎn)量的一半以上；依據(jù)國外1994年的研究報告及世界上石油的蘊藏資源和消耗量的預(yù)測，全世界的石油資源僅能夠供人類使用約50年；即到21世紀中葉，汽車以石油作燃料的時代將會結(jié)束。
??????? 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的汽車產(chǎn)量和保有量也在迅速增加；1995年我國汽車保有量為1100萬輛，1998年達到1300萬輛，到2000年我國汽車保有量將達2000萬輛；屆時我國的石油消耗量的1/4-1/3需國外進口；到2010年，當我國的汽車保有量達到4400-5000萬輛時，我國的石油資源短缺會更加嚴重。我國現(xiàn)已探明的石油資源僅能夠開采30年，因此石油資源的短缺會制約我國汽車工業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展。
??????? 可以看出：尋找替代能源，開發(fā)和發(fā)展替代石油的氣體燃料汽車對全世界尤其是對我國都是關(guān)系到社會經(jīng)濟，尤其是支柱產(chǎn)業(yè)-汽車工業(yè)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。
??????? 我國的天然氣資源十分豐富，四川、重慶、新疆、陜北、大港及近海油囚都有豐富的天然氣資源。僅以重慶為例，2000年規(guī)劃和累計探明儲量為4787億m2，現(xiàn)年開采能力為50億m2，豐富的天然氣資源為研制推廣天然氣汽車提供了極好的前提條件。
??????? 汽車保有量增多的另一嚴重問題是排放帶來的大氣環(huán)境污染。以石油為燃料的汽車排放的污染物達140多種，占大氣環(huán)境污染的60%一70%；燃油汽車排出的一氧化碳可使人缺氧中毒，乃至窒息死亡；碳氫化合物對人體有麻醉作用，同時與氮氧化物發(fā)生化學反應(yīng)，導致化學煙霧污染；氮氧化物對人體呼吸系統(tǒng)具有強烈的刺激作用，侵害肺部，使生命陷入危險狀態(tài)；同時汽車排出的碳氫化合物、一氧化碳還危及人類生存的地球上空的臭氧層；燃油汽車的排放污染已成為世界上的主要公害之一；是造成酸雨，光化學反應(yīng)，臭氧層破壞，溫室效應(yīng)以及使人類致癌、心血管、神經(jīng)性等疾病的嚴重污染源。
??????? 1998年世界衛(wèi)生組織公布的全世界污染最嚴重的10個城市中，中國的北京、蘭州、重慶等都在其中，并且蘭州處污染之冠。其中北京市的汽車排放對大氣污染物CO、HC、NOx的分擔率分別為80．3%、79．1%、54．8%，重慶市汽車排放對大氣的污染物CO、HC、Nox的分擔率為79．5%、34%、44%，廣州、天津、南京等城市的大氣污染情況也基本相同。全國640座大中城市大氣質(zhì)量符合國家一級標準的不到1%，所以發(fā)展低污染的燃氣汽車，是保護生態(tài)環(huán)境，改善我國城市大氣質(zhì)量和人們生活條件的迫切需要。也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然。
??????? 天然氣、液化氣等氣體燃料，不僅資源豐富，價格僅為汽柴油的50%一60%；更主要是天然氣是一種清潔燃料，其排放污染物比汽油、柴油等石油燃料低得多；與燃油車相比，其排放污染物中CO2可降低24．0%，CO可降低90%一97%，NOx可降低30%一40%，HC可降低70%一80%，SO可降低70%一80%，SO2可降低99．9%，微粒排放可減少40%；無Pb及鉛化物的微粒污染。
??????? 此外，采用天然氣作燃料的汽車，還可以減少發(fā)動機積碳和磨損，延長發(fā)動機使用壽命，減少發(fā)動機的機油消耗，降低發(fā)動機的維修費用；天然氣的密度是空氣的0．58-0．62，一旦發(fā)生泄漏，在空氣中擴散較快；天然氣的燃點和爆炸極限比燃油高，點火能量亦高于汽油，這些因素使燃氣汽車比燃油汽車更加安全。
??????? 人類對能源的選擇主要取決于成本、儲量和環(huán)境保護三個方面；天然氣儲量豐富，燃氣汽車具有安全、經(jīng)濟、減少污染等一系列優(yōu)點；所以發(fā)展燃氣汽車是提高我國公路運輸效率，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，促進形成一系列新的產(chǎn)業(yè)的一項綜合工業(yè)；這正是世界各國競相發(fā)展天然氣汽車(NGV)的原因所在。
??????? 二、燃氣汽車的國內(nèi)外發(fā)展簡況
??????? 目前，世界各國都十分重視壓縮天然氣(CNG)作為汽車新能源的研究、開發(fā)和應(yīng)用。美國UPS(聯(lián)合物資運輸服務(wù)公司)于1987年開始研制CNG作代用燃料的汽車，初步實驗結(jié)果表明：天然氣作為汽車燃料是一種燃燒干凈、價格便宜而又使用安全的氣體。同時UPS公司認為，CNG用作汽車燃料可產(chǎn)生重大經(jīng)濟效益，目前該公司已改裝CNG汽車將近1萬輛。美國現(xiàn)已有500多個加氣站，有近500萬輛汽車使用CNG作燃料，1994年在美國的運輸系統(tǒng)中，CNG的消耗量占總能源的消耗量的0．2%，但預(yù)期到2000年其CNG的使用量將比現(xiàn)在增加71倍；1994年，其CNG氣瓶的市場銷售額為：鋼質(zhì)氣瓶為5千萬美元，復(fù)合材料氣瓶為7千萬美元；1997年復(fù)合材料氣瓶銷售額已上升到2億美元。美國為了鼓勵天然氣汽車的發(fā)展，從1990年開始各州相繼制定了一系列政策法規(guī)，并出臺一些優(yōu)惠政策，促進燃氣汽車的發(fā)展，目前美國已有加氣站近600座，正在運行的CNG汽車超過15萬輛。
??????? 為解決城市環(huán)境污染和石油替代能源問題，日本正大力發(fā)展天然氣汽車；從60年代初，日本豐田等公司就開始研究燃氣汽車。90年代初，其技術(shù)日漸成熟，迄今己生產(chǎn)CNG和LPG汽車近萬輛。近5年來，以日本燃氣協(xié)會為中心全力推進天然氣汽車的研究和開發(fā)；1992年日本通產(chǎn)省資源能源廳又制定了作為環(huán)境對策的普通天然氣汽車的基礎(chǔ)建設(shè)計劃(生態(tài)站2000計劃)，計劃到2000年，建立加氣站2000個，普及天然氣汽車2萬輛。
??????? 俄羅斯是研究和應(yīng)用天然氣汽車的較早的國家之一，不論是供氣裝置的研究成果，還是鋼內(nèi)襯環(huán)向復(fù)合材料增強的氣瓶開發(fā)，都有獨到之處。基礎(chǔ)部件的研究成果和豐富的天然氣資源極大地促進了俄羅斯燃氣汽車的發(fā)展，目前在俄羅斯有800多個加氣站，運行的燃氣汽車己近40萬輛
??????? 石油資源十分貧缺而天然氣十分豐富的意大利，從本世紀30年代就開始研究發(fā)展燃氣汽車；目前不僅形成了生產(chǎn)出口燃氣供給系統(tǒng)的著名的Lavato公司；同時有280個加氣站，25萬多輛燃氣汽車在運行。和意大利情況類似即貧油富氣的新西蘭、阿限廷等國的燃氣汽車發(fā)展也較快，目前新西蘭已建成380多個加氣站，15萬輛燃氣汽車在運行；阿根廷已建成260個加氣站，1．5萬輛燃氣汽車在運行；加拿大已建成180個加氣站，3萬多輛燃氣汽車在運行。
??????? 中國同樣是貧油富氣，因此我國政府十分重視燃氣汽車的發(fā)展，國家科技部已召開過兩次清潔燃料汽車研討會和展覽會；1999年4月又召開了清潔燃料汽車行動會，會上進一步強調(diào)：無論是從改善空氣質(zhì)量的需要，還是從能源的合理利用上，大力推廣燃氣汽車都具有十分重要的意義。并強調(diào)苔先在占城市汽車保有量約10%，卻占城市汽車總運行里程40%一50%的公共汽車和出租汽車行業(yè)，大力推廣燃氣汽車，以期取得一定的環(huán)保效果。并進一步開發(fā)新標準的燃氣汽車產(chǎn)品，充實公交和出租汽車行業(yè)，充分發(fā)揮其環(huán)保效益。目前已確定全國12個燃氣汽車的試點城市，現(xiàn)已有近100個加氣站，6000多輛燃氣汽車在運行。到2000年，燃氣汽車會有長足的進步和發(fā)展。
??????? 發(fā)展燃氣汽車的重要和關(guān)鍵零部件之一是加氣站的高壓氣瓶和燃氣汽車用的壓縮天然氣(CNG)氣瓶，氣瓶的性能和質(zhì)量高低不僅會影響到燃氣汽車的發(fā)展，而且直接影響到燃氣汽車的使用安全，必須做到萬無一失。
??????? 三、壓縮天然氣汽車（CNGV）氣瓶的研究和發(fā)展概況
??????? 國外對CNGV鋼瓶的研制工作起步較早；無縫鋼質(zhì)氣瓶的生產(chǎn)始于1897年美國的CPI公司；這種元縫鋼質(zhì)氣瓶不僅用于CNG汽車的加氣站和載貨車上，作為氣體燃料容器，鋼質(zhì)容器的制造工藝和性能也日漸完善，規(guī)格尺寸也較齊備。容積從10L到400L的各種規(guī)格的氣瓶都在生產(chǎn)，以適合于各種用途的需要，大規(guī)格的氣瓶多用于站用瓶，使用壓力為25MPa，超大規(guī)格氣瓶多用于流動加氣站上的安裝氣瓶。最近幾年來，對鋼質(zhì)無縫氣瓶的研究主要集中在熱處理工藝上，包括加熱方法、加熱爐、淬火入液方式和淬火介質(zhì)的選擇，以及為增加氣瓶工作的可靠性而采用的附加強化方法等。德國、日本、意大利等均有類似的鋼瓶生產(chǎn)公司；這類鋼質(zhì)瓶，當其工作壓力為20MPa，水容積為50L時，其瓶子的重量為58-62kg。鋼質(zhì)氣瓶具有價格便宜、工作可靠、疲勞壽命高、密封性好等特點，目前仍得到了廣泛應(yīng)用；而重量大、耐蝕性不足是鋼質(zhì)瓶的缺點；這一不足影響了鋼質(zhì)氣瓶在橋主和輕型客車上的應(yīng)用。
??????? 為了提高氣瓶的容重比，減輕同樣容積下氣瓶的重量，國內(nèi)外進行了不同內(nèi)襯的復(fù)合材料氣瓶的研究。這類氣瓶綜合了復(fù)合材料的高比強度、可設(shè)計性以及內(nèi)襯的良好氣密性、優(yōu)良的耐蝕性等諸多優(yōu)點，使其達到高承壓能力、高疲勞壽命、質(zhì)輕、耐腐等優(yōu)良性能的完美結(jié)合，這也使得對復(fù)合材料CNG氣瓶的研制開發(fā)成為國內(nèi)外的一大熱點。
??????? 在同樣容積和壓力下，依其內(nèi)襯的種類和外層復(fù)合材料的選材不同，復(fù)合材料CNG氣瓶比鋼質(zhì)氣瓶的重量可減輕1/3-2/3；二者相比較，顯然復(fù)合材料CNG氣瓶在汽車運行節(jié)能上更具有優(yōu)勢；同時復(fù)合材料在受到撞擊或高速沖擊發(fā)生破壞時，不會產(chǎn)生具有危險性的碎片，從而降低或避免了對人員和車輛的損害。近年來，隨著復(fù)合材料正材料成本的降低，成型工藝的不斷改進，使得復(fù)合材料CNG氣瓶在國內(nèi)外倍受青睞，尤其在轎車和輕型車上的應(yīng)用極具競爭力。
??????? 在復(fù)合材料CNG氣瓶的研制和開發(fā)方面，美國的SCI公司、I*incoln公司和HydrosPin公司走在世界的前列，他們已開發(fā)出10余種不同規(guī)格的復(fù)合材料氣瓶。Lincoln公司的全塑復(fù)合材料氣瓶(內(nèi)襯采用高密度聚乙烯)是世界一流的；在這類氣瓶上Linclon公司采用了名為TUFFSHELL系統(tǒng)的專利技術(shù)，這一系統(tǒng)能吸收氣瓶拱部(或稱弧形肩部位)的震動與沖擊，該系統(tǒng)是采用了能抗損傷的玻纖和可吸收沖擊能的聚氨酯塑料組合制成，使氣瓶有可能適用于各種更惡劣的使用條件。但是由于性能和價格等方面的原因，國外金屬內(nèi)襯復(fù)合材料CNGV氣瓶的生產(chǎn)和銷售量遠大于全塑復(fù)合材料CNGV氣汽。
??????? 中國汽車工業(yè)總公司重慶汽車研究所對CNGV鋼瓶的熱處理工藝、力學性能、斷裂韌性、內(nèi)外表面的強化方法及其它影響鋼質(zhì)氣瓶的因素進行了系統(tǒng)研究，取得了一些有意義的、有應(yīng)用價值的成果。同時對鋼質(zhì)內(nèi)襯環(huán)向復(fù)合材料增強的氣瓶進行了系統(tǒng)的研究，對氣瓶設(shè)計、結(jié)構(gòu)和受力情況進行了有限元分析；對氣瓶進行優(yōu)化設(shè)計，對氣瓶的制造工藝進行了全面分析，提出了優(yōu)化制造工藝；對鋼內(nèi)襯和復(fù)合材料層在疲勞試驗中的模量匹配問題進行了深入研究，綜合考慮了表面的壓應(yīng)力、疲勞應(yīng)力、鋼和玻纖的彈性模量及其在疲勞中的應(yīng)變量和變形匹配，提出和完善復(fù)合材料層的張力纏繞工藝。
??????? 國家建材局北京玻璃鋼研究設(shè)計院曾開展了無焊縫鋁合金內(nèi)襯復(fù)合材料CNG氣瓶的研制工作。對鋁合金內(nèi)襯的選材、成型方法及復(fù)合材料的選材、性能及成型工藝等做了大量的試驗工作，取得了初步的進展，并獲得了勞動部職業(yè)安全衛(wèi)生與鍋爐壓力容器監(jiān)察局頒發(fā)的壓力容器試制許可證。鋁合金內(nèi)襯復(fù)合材料CNG氣瓶采用旋壓力工藝成形的鋁合金內(nèi)襯，外部纏繞復(fù)合材料增強層；鋁合金內(nèi)襯采用變壁厚設(shè)計、結(jié)構(gòu)更加合理；并可有效減少應(yīng)力腐蝕和氫損傷，提高氣瓶的疲勞壽命。鋁內(nèi)襯與外層輕質(zhì)高強的復(fù)合材料層相結(jié)合的輕質(zhì)氣瓶和同種規(guī)格的鋼瓶相比重量減少40%一50%，生產(chǎn)這類氣瓶的技術(shù)關(guān)鍵包括：鋁合金內(nèi)襯的成形工藝、熱處理工藝及強化工藝方法與參量；鋁合金內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，張力纏繞工藝及其與內(nèi)襯的變形匹配等。