幾種車載LNG氣瓶后端支撐結構性能對比與選用討論

段武，王平西，夏園園，劉蓓蓓

（西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043）

前言

汽車用液化天然氣氣瓶是天然氣車燃料系統的核心部件，隨著近幾年我國天然氣汽車的發展，車載 LNG氣瓶也在不斷更新換代，近年來大于 500L的大容積氣瓶在市場上的推廣，也將車載氣瓶技術推向了一個新的階段，對車載瓶性能、零部件的研究更加深入和細化。本文介紹了車載液化天然氣（LNG）氣瓶結構概況，對比分析了車載 LNG氣瓶幾種支撐結構對氣瓶絕熱性能和強度可靠性的影響。

1 車載LNG氣瓶結構

車載LNG氣瓶是一種可以替代汽車油箱來盛裝、貯存、供給燃料（液化天然氣），并能自動提供連續穩定的燃料氣體的裝置。氣瓶主要由外殼和內膽組成雙層（真空）結構，氣瓶外殼與內膽之間靠前、后端支撐連接起來，前端通過頸管將內、外封頭焊接連接起來，氣瓶后端通過內后封頭上的支撐軸與外后封頭的支撐板間隙配合形成支撐，內膽可軸向移動，消除內膽冷熱伸縮產生的熱應力。

2 幾種車載LNG氣瓶后端支撐結構的介紹

目前車載LNG氣瓶后端支撐結構主要有“十字”型，“C”型，圓盤型。

2.1 “十字”型支撐

采用兩塊 2～5mm的不銹鋼板折彎后，焊接而成，每塊板中間部位一般采用月牙形弧度缺口，減小導熱面積，薄板端頭根據封頭切線角度，進行折彎，增大支撐結構與封頭焊縫長度，提高支撐強度，見圖1。

2.2 “C” 型支撐

采用2～5mm的不銹鋼板折彎成“C”型槽鋼形狀，增加支撐結構的慣性矩，提高支撐剛度，為保證支撐強度，“C”型槽鋼端面切成斜面，角度與封頭貼合處切線角度一致，見圖2。

2.3 圓盤型支撐

采用 2～4mm的不銹鋼板切割成圓形，在圓盤周圍開等直徑的孔，減少導熱面積，支撐圓板與外后封頭連續焊接，支撐圓盤與外后封頭形成一個剛性整體結構，見圖3。

圖1 “十字”型支撐

圖2 “C” 型支撐

圖3 圓盤型支撐

3 幾種后端支撐結構導熱性能和剛度對比

車載LNG氣瓶總導熱量主要包括多層絕熱體之間導熱、夾層接管導熱與支承導熱這三部分。氣瓶的支撐部分是氣瓶的主要導熱途徑，特別后端支撐導熱量占氣瓶總導熱量30%以上。

3.1 導熱性能

3.1.1 “十字”型和“C” 型后端支撐結構導熱量計算如下：

式中：

t1—環境溫度℃；

t2—介質溫度℃；

R—縱向熱阻k/w；

熱阻計算公式：

其中：

L—支撐導熱長度m；

λ—不銹鋼支撐板常溫下的導熱系數W/(m*K)；

A—支撐的橫截面積；

支撐的橫截面積

其中：

t—支撐板厚度m；

d—支撐板最窄處的寬度m。

3.1.2 圓盤型后端支撐結構導熱量計算如下：

其中：

t1—環境溫度℃；

t2—介質溫度℃；

R—熱阻k/w；

其中：

r1—支撐盤內徑m；

r2—支撐盤外徑m；

l—支撐盤厚度m；

λ—不銹鋼支撐板常溫下的導熱系數W/(m*K)。

3.2 氣瓶支撐強度分析

為驗證氣瓶在使用工況下，氣瓶支撐結構的受力情況，利用分析軟件給氣瓶五個方向分別施加 5g(g=9.81N/kg)沖擊載荷，模擬車輛實際運行中的五種工況，分析幾種支撐結構的受力情況。

圖4 “十字”型支撐應力分布

圖5 “C”型支撐應力分布

五種工況包括：

1）車輛運行顛簸即豎直方向沖擊；

2）車輛轉彎即氣瓶軸向沖擊；

3）車輛緊急制動即水平方向沖擊；

4）車輛運行顛簸+車輛轉彎工況；

5）車輛運行顛簸+車輛制動工況。

3.3 以CDPW800-1000-1.59車載LNG氣瓶為例，三種支撐結構導熱量及強度分析計算對比如下表：

表1

經以上計算分析可以看出，圓盤形支撐結構剛性最強，“C”型支撐的導熱量最少。結合車載LNG氣瓶安全型式試驗的振動試驗，跌落試驗驗證，總結車載LNF氣瓶支撐結構選用原則：

1）一般公稱容積300L以下時，為滿足靜態蒸發率要求，控制導熱量，支撐結構宜選用“C”型支撐；

2）公稱容積在300L～500L時，導熱與強度都需要兼顧，多采用“十字”型支撐；

3）公稱容積大于500L時，支撐強度的要求較高，一般采用圓盤形整體支撐。

4 結語

后端支撐結構直接決定了車載 LNG氣瓶導熱量大小和安全可靠性，是影響氣瓶靜態蒸發率主要因素，在車載LNG氣瓶結構設計時，需要兼顧導熱量和支撐強度，不能追求單一指標，應在氣瓶絕熱性能和支撐強度之間找到一個合適的平衡點。

[1] 戴猷元,余立新.化工原理[M].清華大學出版社,2010.