LNG汽車燃氣供給系統開發應用

魏莉薇

（東風汽車有限公司 東風商用車技術中心 武漢 430056）

隨著我國汽車產業的大力發展，汽車保有量在快速增加，而且已成為人們生產生活中不可或缺的重要工具。但也面臨著燃油短缺和環境保護問題。汽車在其行駛過程中消耗大量非可再生化石燃料，所排放的尾氣造成的環境污染日益嚴重，節約能源和環境保護的雙重壓力迫使清潔環保汽車的發展越來越受到重視。為汽車尋找清潔而且豐富的替代燃料，提高發動機的經濟性和排放性，已成為設計研究人員迫切需要解決的問題。在各種代用燃料中，天然氣由于儲量豐富、排放低、安全可靠、經濟適用等優勢，正在市場中顯露出巨大的發展潛力，LNG汽車成為各大汽車廠商競相開發的替代燃料汽車之一。

1 LNG的優勢

LNG （Liquefied Natural Gas）即液化天然氣簡稱，將天然氣（NG）經過除液、除酸、干燥、分餾和低溫冷凝處理，使天然氣在超低溫（-162℃）常壓狀態下液化。被液化后體積是氣態的1/625，密度約為0.425 kg/L，便于長距離運輸和大量儲存。LNG的優勢主要為以下幾點。

1.1 儲量豐富

我國天然氣資源量豐富，天然氣田分布范圍較大，而且可以勘探開發的占大多數。天然氣產量規模大大增加，2011年我國天然氣產量快速攀升，首次突破千億立方米，預計中國的天然氣年產量將在五年左右時間內達到1 500～2 000億立方米。

1.2 排放低

LNG成為汽車燃料，不僅是因為天然氣的開采量在日益增多，而且還因為LNG發動機的排放性能比柴油機及汽油機好的多。與相同壓縮比的柴油機相比，天然氣汽車尾氣排放中的NOx和HC減少87%，CO減少70%，CO2減少20%，微粒的排放量減少99%，幾乎為零，基本不含硫化物，而且無鉛、苯等致癌物質排出。天然氣燃燒后不產生廢渣和廢水，與煤炭、石油等能源相比具有燃燒潔凈、熱值高、使用安全等優勢。

1.3 安全可靠

天然氣是一種無毒無味透明的混合氣體，其安全可靠是由其特性決定的。首先，LNG的著火溫度即燃點隨組分的變化而變化，純甲烷天然氣的著火溫度為 650℃，大大高于汽油（220～260℃）和柴油（200～220℃），因而不易點燃。其次，一旦發生泄漏，LNG密度比空氣小，氣化后的密度只有空氣的50%左右，因而稍有泄露即揮發擴散，而LNG的爆炸極限為5%～15%，比汽油1%～5%，柴油0.5%～4.1%更高，很難形成遇火燃燒爆炸的濃度，所以，LNG車比汽油和柴油車使用更安全。

1.4 經濟適用

天然氣的辛烷值（130）比汽油（80～95）和柴油（20～30）高，抗爆震能力突出，發動機產生的噪音也相對較低，燃用天然氣時不用抗爆添加劑，大大降低了發動機氣缸內零件磨損率，因而提高了發動機的使用壽命和減少了潤滑油的消耗量，同時可減小機油的更換頻次，使天然氣車輛的維護成本降低。從價格上來看，天然氣的燃料價格比汽油和柴油低1/3。長期使用可顯著減少在燃料上的支出，從而減少運營成本。

2 LNG汽車燃氣供給系統

LNG汽車燃氣供給系統主要由LNG貯氣瓶、汽化器及緩沖罐總成、穩壓閥、過濾器及管路系統組成，燃氣供給系統構成見圖1。

燃氣供給系統工作原理是：貯氣瓶內的壓力將LNG輸送到汽化器，在汽化器中液體經過吸熱膨脹后變為飽和氣體，由緩沖罐進行緩沖穩壓，經過壓力調節裝置后飽和氣體以恒定的壓力與同時進入混合器的增壓中冷后的空氣混合，配制出發動機不同工況所需空燃比的混合氣進入氣缸內燃燒。

如何使貯氣瓶里的液態天然氣變成氣態天然氣，并向發動機提供穩定壓力和溫度的燃氣，使得既不致使發動機功率下降，也不影響發動機的耗氣量和工作的可靠性，其中貯氣瓶和汽化器應是主要研究對象，是燃氣系統設計開發及匹配的關鍵總成部件，因此，LNG汽車燃氣供給系統的開發應用關鍵在于貯氣瓶和汽化器總成的設計及匹配。

3 LNG貯氣瓶的設計及匹配

3.1 LNG貯氣瓶結構原理

LNG貯氣瓶是由外殼和內膽構成的雙層結構的超低溫絕熱壓力容器，它的一端設置有控制調節裝置、安全裝置、出液裝置（見圖2）。內膽用來儲存液態的液化天然氣，外殼和內膽之間的空間抽成高真空，形成良好的絕熱空間，以保證LNG在超低溫的環境下得以儲存和使用。其中內膽設有主、副兩級安全閥，超壓時起到保護作用。在超壓情況下首先主安全閥打開，當主安全閥失靈或發生故障時，副安全閥工作，其設定壓力要高于主安全閥，確保氣瓶使用安全。

貯氣瓶按LNG液體輸出可分為常規LNG貯氣瓶和增壓LNG貯氣瓶兩類。常規LNG貯氣瓶的LNG液體以氣瓶內液態平衡壓力 （通常在0.5 MPa左右）從出液閥輸出經管路進入水浴汽化器，并基本保持此壓力持續輸出LNG液體。

帶增壓貯氣瓶就是在氣瓶上增加一組蒸發回路，瓶內LNG液體進入蒸發回路，經空溫式汽化器吸熱汽化形成高壓氣體再回到LNG瓶內，提高瓶內壓力（工作壓力1.59 MPa）。瓶內壓力的調節是通過自增壓調節閥V9的開度來控制的（見圖2）。

3.2 貯氣瓶的選型

貯氣瓶加注的初始液化天然氣一般是在常壓狀態下，常規貯氣瓶不能滿足采用高壓噴射進氣方式發動機的工作壓力，因此，在設計及匹配貯氣瓶時采用了帶有自增壓系統的貯氣瓶，當壓力增加到發動機額定的工作壓力范圍后，再開始對發動機進行供氣。LNG的溫度不同，其飽和蒸氣壓力也不同，自增壓系統即利用了此原理，也就是在氣瓶的外面增加空溫式汽化器，來給氣瓶內的LNG氣相進行加熱，從而達到增壓的目的。發動機在運行時消耗部分LNG會導致貯氣瓶內壓力降低，同樣需要靠自增壓系統調節貯氣瓶內壓力。

在供氣過程中必須對貯氣瓶進行穩壓。自增壓及排液汽化供氣過程是一個非常復雜的過程，它包括了增壓氣體與氣瓶內氣體的混合過程以及氣瓶內氣液界面上的傳熱傳質過程。貯氣瓶在向發動機供氣時，貯氣瓶內的液體會不斷地排出，相應液相空間不斷減小，氣相空間不斷增大，貯氣瓶內的壓力又會逐漸下降，為此在供氣過程中必須對貯氣瓶進行穩壓，以確保供氣壓力在規定的工作壓力范圍內。

3.3 貯氣瓶設計匹配計算

LNG汽車貯氣瓶容積的設計匹配是根據具體開發車型的氣耗、續駛里程、殘液量來確定的，按1可計算出貯氣瓶有效容積。

式中：ge為汽車百公里氣耗；L為汽車續駛里程；η為氣瓶殘液。

為了使瓶內壓力能通過自增壓系統進行調節，同時在供氣過程中進行穩壓，貯氣瓶除了有自增壓裝置外，還需要設定其節約閥、穩壓閥、自增壓調節閥的適當壓力值來控制調節對發動機所提供的進氣量。通過計算在額定功率下，增壓階段的耗液量（見式2、式 3），氣化穩定過程中的吸熱量（見式 4），傳熱系數（見式5）等，可推算出節約閥、穩壓閥和自增壓調節閥設定壓力。

式中：P為氣相壓力，V為氣相容積，Z為氣體壓縮因子，T為氣體溫度，m為氣體質量，R為氣體常數

式中：V0為增壓前的氣相容積，Va與ma為相對應的液體體積，m0為增壓前的液體體積，ma為單位時間內被氣化的液體量，τ為增壓時間。

式中：Q為單位時間的吸熱量，hg為在P、T狀態下氣體的焓，hL為在 P、T0狀態下過冷液體的焓，ma、mb為單位時間內自增壓系統進出口的質量流量。

式中：K為總傳熱系數，αf為低溫流體與管壁的對流換熱系數，λ為導熱系數，α為空氣與翅片管的自然對流換熱系數，β為翅化系數，η為翅化效率。

4 汽化器的設計及匹配

4.1 汽化器結構原理

目前普遍使用的一種車用汽化器是水浴式管殼汽化器（見圖3），汽化器的工作原理是：LNG以純液態形式或氣液混合形式從氣瓶中被放出，流入汽化器一端的螺旋管，經過螺旋管加熱后從另一端流出。來自發動機冷卻系的高溫冷卻液則流經螺旋管與外殼之間的空間，即汽化器的殼程，與管程內的LNG實現熱量交換使LNG氣化，然后回到冷卻循環中繼續參與發動機的冷卻工作。冷卻液的流向應與液化天然氣的流向一致，汽化器一般水平安裝，天然氣進出口處于水平方向，冷卻液進出口應在上方 （見圖3），避免形成氣阻。

發動機外的供氣系統與發動機之間的匹配問題，將直接影響發動機的性能及使用的可靠性。發動機對燃料供氣壓力和供氣溫度有一定的要求，且能穩定地供氣。這就需要瓶內的充液壓力、匹配的汽化器氣化速度和汽化溫度均要與發動機的工作要求相匹配，否則將直接影響發動機的耗氣量和工作的可靠性。

液化天然氣在氣瓶中以低溫液態形式儲存，但供給發動機時必須是氣體狀態，因此，在LNG的燃料系統中汽化器是一個關鍵部件，它的主要作用就是將低溫的液體燃料加溫氣化后供給發動機。

4.2 汽化器設計匹配計算

在設計匹配汽化器時，采用了目前普遍使用的車用水浴式管殼汽化器，這樣，可利用溫度高達75℃～90℃發動機冷卻水直接氣化LNG，既能充分利用廢熱氣化了LNG，又能減輕冷卻系統中散熱器的負擔。

由于螺旋管內LNG從液態變為氣態，屬于氣液兩相流范疇，因此要精確計算其傳熱過程非常困難（見圖 4）。

如圖4所示，將傳熱過程分為四個階段，即過冷沸騰、飽和核沸騰、強制對流傳熱和欠液區來計算吸熱量，其總和即為天然氣需要吸收的熱量，也即冷卻水所需要放出的熱量（見式6），然后算出汽化器換熱系數（見式7）、傳熱面積（見式8），就可算出汽化器內螺旋管的長度 （見式9）和冷卻水的循環流量（見式 10）。

式中：m為天然氣最大流量，即發動機最大耗氣量；Cp為定壓比熱，飽和壓力下的定壓比熱算術平均值；ΔT為溫差，飽和壓力下的沸點差。

式中：K為總放熱系數；h1為管外冷卻液放熱系數；r1為螺旋管外污垢系數；η為翅化系數，螺旋管無翅片，η=1；r2為管外表面管壁熱阻；h2為天然氣換熱系數；r3為螺旋管內污垢系數。

式中：C為螺旋管周長；B為保險系數1.2～1.3。

式中：Q為天然氣實際吸熱量；Cp為冷卻液定壓比熱，特征溫度為平均溫度；ΔT為冷卻液進出口的溫差；m為冷卻液質量流量。

5 結論

根據上述方法計算不同工況下汽化器的換熱量，得出以下結論：首先，當發動機在不同工況下運轉時，單位時間內汽化器的LNG流量會隨著發動機所需要的天然氣量的變化而變化，因此在汽車行駛過程中需要注意冷卻液的流量變化，尤其是在發動機的天然氣消耗量最大時，此時汽化器也達到最大工作負荷狀態。其次，冷啟動時，發動機剛剛開始運轉，冷卻循環系統的冷卻液溫度與環境溫度相同，汽化器內冷卻液溫度需要一段時間上升與發動機正常工作時相同，因此，LNG汽車在冷啟動時，應適當保持發動機怠速或低速運轉狀態來提高冷卻系統內冷卻液的溫度，確保LNG汽化充分。最后，為保證LNG發動機的燃料控制精度和瞬態響應特性，LNG燃料供給系統必須在發動機全工況范圍內，提供足夠的供氣量和瞬態響應特性。也就是說，來自貯氣瓶的液相LNG流經燃料供給系統時，必須吸收足夠的熱量，滿足相變汽化潛熱要求，確保發動機性能達標。因此，在設計及匹配汽化器時應正確設計汽化器的氣化能力，提供足夠的換熱面積。

對開發的LNG汽車經轉轂試驗驗證滿足發動機各項性能指標要求，用戶使用后反映馬力足，經濟性好，得到市場用戶的認可。

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