一、概述
??????? 隨著世界經(jīng)濟(jì)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(dá)7億輛，汽車運(yùn)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(yùn)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(jì)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(jì)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(dá)到1300萬輛，到2000年我國汽車保有量將達(dá)2000萬輛；屆時我國的石油消耗量的1/4-1/3需國外進(jìn)口；到2010年，當(dāng)我國的汽車保有量達(dá)到4400-5000萬輛時，我國的石油資源短缺會更加嚴(yán)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(jì)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(jì)，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(yán)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(dá)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?xì)浠衔飳θ梭w有麻醉作用，同時與氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致化學(xué)煙霧污染；氮氧化物對人體呼吸系統(tǒng)具有強(qiáng)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?xì)浠衔?、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(xué)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(yán)重污染源。
??????? 1998年世界衛(wèi)生組織公布的全世界污染最嚴(yán)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(dān)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(dān)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(biāo)準(zhǔn)的不到1%，所以發(fā)展低污染的燃?xì)馄?，是保護(hù)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(jī)積碳和磨損，延長發(fā)動機(jī)使用壽命，減少發(fā)動機(jī)的機(jī)油消耗，降低發(fā)動機(jī)的維修費(fèi)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(kuò)散較快；天然氣的燃點(diǎn)和爆炸極限比燃油高，點(diǎn)火能量亦高于汽油，這些因素使燃?xì)馄嚤热加推嚫影踩?br /> ??????? 人類對能源的選擇主要取決于成本、儲量和環(huán)境保護(hù)三個方面；天然氣儲量豐富，燃?xì)馄嚲哂邪踩?、?jīng)濟(jì)、減少污染等一系列優(yōu)點(diǎn)；所以發(fā)展燃?xì)馄囀翘岣呶覈愤\(yùn)輸效率，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)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?xì)馄嚨膰鴥?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(yùn)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(rèn)為，CNG用作汽車燃料可產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(jìn)燃?xì)馄嚨陌l(fā)展，目前美國已有加氣站近600座，正在運(yùn)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?xì)馄嚒?0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?xì)鈪f(xié)會為中心全力推進(jìn)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(qiáng)的氣瓶開發(fā)，都有獨(dú)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(jìn)了俄羅斯燃?xì)馄嚨陌l(fā)展，目前在俄羅斯有800多個加氣站，運(yùn)行的燃?xì)馄嚰航?0萬輛
??????? 石油資源十分貧缺而天然氣十分豐富的意大利，從本世紀(jì)30年代就開始研究發(fā)展燃?xì)馄嚕荒壳安粌H形成了生產(chǎn)出口燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的著名的Lavato公司；同時有280個加氣站，25萬多輛燃?xì)馄囋谶\(yùn)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?xì)馄嚢l(fā)展也較快，目前新西蘭已建成380多個加氣站，15萬輛燃?xì)馄囋谶\(yùn)行；阿根廷已建成260個加氣站，1．5萬輛燃?xì)馄囋谶\(yùn)行；加拿大已建成180個加氣站，3萬多輛燃?xì)馄囋谶\(yùn)行。
??????? 中國同樣是貧油富氣，因此我國政府十分重視燃?xì)馄嚨陌l(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(jìn)一步強(qiáng)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?xì)馄嚩季哂惺种匾囊饬x。并強(qiáng)調(diào)苔先在占城市汽車保有量約10%，卻占城市汽車總運(yùn)行里程40%一50%的公共汽車和出租汽車行業(yè)，大力推廣燃?xì)馄嚕云谌〉靡欢ǖ沫h(huán)保效果。并進(jìn)一步開發(fā)新標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)馄嚠a(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?xì)馄嚨脑圏c(diǎn)城市，現(xiàn)已有近100個加氣站，6000多輛燃?xì)馄囋谶\(yùn)行。到2000年，燃?xì)馄嚂虚L足的進(jìn)步和發(fā)展。
??????? 發(fā)展燃?xì)馄嚨闹匾完P(guān)鍵零部件之一是加氣站的高壓氣瓶和燃?xì)馄囉玫膲嚎s天然氣(CNG)氣瓶，氣瓶的性能和質(zhì)量高低不僅會影響到燃?xì)馄嚨陌l(fā)展，而且直接影響到燃?xì)馄嚨氖褂冒踩?，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(qiáng)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(dāng)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(diǎn)，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(diǎn)；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(jìn)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(qiáng)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(diǎn)，使其達(dá)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(diǎn)。
??????? 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(yùn)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(jìn)，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(yuǎn)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(xué)性能、斷裂韌性、內(nèi)外表面的強(qiáng)化方法及其它影響鋼質(zhì)氣瓶的因素進(jìn)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(qiáng)的氣瓶進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，對氣瓶設(shè)計、結(jié)構(gòu)和受力情況進(jìn)行了有限元分析；對氣瓶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對氣瓶的制造工藝進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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。