LNG在内燃机中的应用分析

张 明

(河北建筑设计研究院有限责任公司，河北石家庄 050011)

LNG在内燃机中的应用分析

张 明

(河北建筑设计研究院有限责任公司，河北石家庄 050011)

随着中国能源结构的调整和低温制冷和绝热技术的快速发展，LNG(液化天然气)的使用越来越广泛，作为内燃机新能源是LNG应用的一个重要方面。作为清洁能源，LNG拥有占用体积小、能量储存密度大、燃烧性能好、热值高等诸多优点。从LNG的资源情况、物性特征、燃烧特征和安全性等方面介绍了LNG作为内燃机新能源的优势，从技术角度分析了LNG内燃机的特点、技术问题及展望，分析了应用LNG内燃机对环境和节能方面的贡献。

LNG内燃机；资源优势；技术特点；技术展望；节能；环保

煤炭、石油、天然气是支撑人类发展的三大能源。煤炭一直占据中国能源结构的主导地位，而被称为“最佳能源形势”的石油也因为人们活动范围的增大而使用广泛，仅汽车就消耗了85%以上的石油资源。汽车产业的不断升温和石油能源的过度消耗已经成为不可调和的矛盾。对比煤炭和石油，中国国内的天然气应用水平一直较低，仅占到能源消费总量的4%，远低于世界平均值24.2%[1]。天然气资源相对于其他资源具有储藏量丰富、污染低、热效率高等优点，可广泛应用于城市民用及商用、一般工业、发电燃料、化工燃料等领域，而天然气内燃机的广泛使用能有效缓解石油能源的压力。

以天然气为主要能源动力的内燃机研究已经成为世界内燃机研究的一个重点，并取得了一定的成果。天然气内燃机大体可分为常压天然气(NG)发动机、压缩天然气(CNG)发动机、液化天然气(LNG)发动机、吸附天然气(ANG)发动机和加氢压缩天然气(HCNG)发动机[2]。目前具有很大应用前景的是CNG发动机和LNG发动机。CNG发动机虽然技术更加成熟，但还是因气瓶质量过大、储气能力有限、高压存在安全隐患等问题制约其广泛推广。大力发展LNG发动机会成为天然气内燃机发展的一个新方向。本研究主要从LNG能源优势、LNG内燃机技术特点和LNG内燃机降低能源消耗和减少环境污染等方面，对LNG在内燃机中的应用发展进行分析和展望。

1 LNG作为内燃机新能源的优势

虽然LNG作为内燃机新燃料也存在着一些技术问题，但是其发展优势还是比较明显的。近年来，以LNG为燃料的汽车已经成为继CNG汽车、ANG汽车后的第3代天然气汽车。LNG作为内燃机新能源，主要是由其资源特点、物性特征、燃烧特性以及安全性能决定的。

1.1LNG资源特点

天然气资源储量十分丰富，1999年统计数据显示[3]，全球可开采天然气储量约为145万亿m3，相当于1 366亿t当量石油，其储量与可开采石油量接近。与石油相比，天然气的使用还处于一个开始阶段。中国天然气资源比较丰富。据统计，中国的天然气储量约为47万亿m3，可开采100年以上，而现实技术可采集量仅为总量的20%。随着勘探开采技术的提高，天然气的应用前景会进一步被挖掘。

目前，作为老气区的四川盆地，产气量占中国的1/3，此外还有塔里木盆地气区、柴达木盆地气区、鄂尔多斯盆地气区、海上气田东海平湖气区和琼东南盆地气区，这6个气区供应了中国80%以上的用气量。中国东部沿海地区还建立了大量的LNG接收站进口国外的LNG资源。据统计，2010年世界范围内的LNG交易量为2.12亿t，其中的947万t进入中国，比例达到4.4%。中国石油资源与天然气资源相比十分短缺，因此大力开发天然气内燃机不仅对中国实现能源多元化结构具有重要意义，还能为中国的能源安全提供保障[4]。

1.2LNG物性特征

LNG是天然气的液态形式，主要成分是甲烷，是天然气经过脱烃、脱硫、脱水、清除二氧化碳后又经过多级压缩制冷液化得到的。因此，LNG具有无色、无味、无毒、无腐蚀的特点，基本物性见表1[5]。

表1 燃料物性特征

1.2.1 LNG和汽油在内燃机中应用的物性对比

对比分析不同燃料的物性可以看出，汽油因密度高于LNG而更容易储存，LNG需要将天然气的温度降至-162 ℃，这个过程要求的技术含量高、能源消耗大。此外，虽然LNG的热值高于汽油，但是混合气的热值要低于汽油，因此，和汽油内燃机相比，天然气内燃机的动力性能会有所下降。

但是天然气作为内燃机能源也有其优势。首先，天然气的辛烷值明显高于汽油，因此天然气应用于内燃机时的抗爆性能更好，一般的天然气发动机根本不需要添加任何的抗爆剂；其次，由于抗爆性的提高，天然气发动机可以使用更高的压缩比来提升发动机的效率，这在一定程度上弥补了天然气内燃机的动力损失。

1.2.2 LNG和CNG在内燃机中应用的物性对比

LNG和CNG是天然气的不同状态，其应用在内燃机中的优点基本相同。但是在储存形式上，LNG采用低温微正压储存，而CNG采用高压储存，因此CNG的储瓶必须使用质量更大的高压储瓶，储瓶的质量甚至是罐内天然气质量的10倍，而LNG的储液瓶仅需双层的绝热瓶即可。所以，使用过程中的CNG比LNG储存质量少，有效载重大，高压充装时间长。

LNG的能量储存密度比CNG高出3倍多，达到24.90 MJ/L，可以说，即使储量相同，LNG的燃料产生的续航能力也是CNG的3倍以上。此外，随着绝热技术的完善，LNG在储存方法上已经不存在明显的瓶颈，因此LNG已经逐渐成为新一代天然气发动机的主要燃料形式。

1.3LNG燃烧特性

不同于汽油，天然气进入发动机时是气态形式，可以与空气更加均匀混合且燃烧更完全，所以CO和HC等不完全燃烧产物的排放量大幅度降低。LNG在液化过程中经过了纯化处理，脱去了大多数杂质，因此气缸与燃烧室内不会发生积炭、腐蚀等现象，LNG内燃机不需要经常注入机油和更换火花塞却能运行地更加平稳，发动机的寿命也更长。

1.4LNG安全性能

由表1可见，LNG的爆炸下限为5%，远高于汽油的1%和柴油的0.5%，LNG的着火点和点火能也都高于汽油和柴油。此外，由于LNG是低温-162 ℃的液体，一旦发生泄漏，LNG气化吸收热量使空气温度很难达到着火点，发生火灾甚至爆炸的可能性很低。LNG主要成分是甲烷，其密度小于空气密度，发生泄漏后会逐渐挥发扩散，不会像汽油泄漏后聚集在一起，保障了安全[6]。

CNG采用高压储存，储存压力一般大于20 MPa，远高于LNG的微正压储存(0.1～1.1 MPa)，因此LNG应用时的防撞击和防爆炸能力都明显优于CNG。此外，LNG处理过程中经过脱杂质的处理，消除了气瓶材料的氢脆问题，进一步提高了气瓶的可靠性。

2 LNG作为内燃机新能源的技术分析

美国在LNG车用研究方面一直处于世界领先地位，拥有诸如MVE公司、Snyder公司、Chart公司等一系列先进技术的LNG车用储瓶公司。同时，各大汽车公司如Cummins，Ford等都具有生产LNG发动机的技术。中国的LNG内燃机应用比较晚，2002年和2003年才出现了改装和研制的LNG内燃机[7]。但是随着中国能源战略的改变和能源结构的调整，LNG内燃机的发展非常迅速。LNG作为内燃机的新能源，和汽油机、柴油机的主要区别是燃料特性、储存和供给方式不同，电控系统也略有差异，但内燃机的主要工作原理和功能组成基本相同。因此，分析LNG内燃机供给系统，对汽油机改造为LNG单燃料内燃机、柴油机改造为柴油-LNG双燃料内燃机技术更具现实意义。

2.1LNG供给系统

LNG储存温度约为-162 ℃，作为燃料不能常规储存和直接应用。LNG供给系统主要由LNG低温绝热储瓶、连接管路、汽化器、减压装置、控制阀门以及控制系统组成，其具体结构如图1所示。

1—储瓶；2—副安全阀；3—主安全阀；4—手动放气阀；5—调节阀；6—入液喷淋管；7—气体排出管；8—截止阀；9—止回阀；10—液体排出管；11—切断阀；12—液位信号接口；13—液位变送器；14—燃料指示表；15—汽化器；16—储瓶压力表图1 LNG气瓶供给系统Fig.1 LNG gas cylinder supply system

其工作流程如下：LNG低温绝热储瓶中的液态天然气在自身压力的作用下流出，经过管道和控制阀门流入汽化器中被加热气化，气化后的天然气供汽车发动机使用。

2.1.1 低温绝热储瓶

LNG低温绝热储瓶是燃料系统的核心部件，绝热储瓶技术的发展使得LNG作为内燃机燃料成为可能。LNG绝热储瓶一般采用耐低温的高强度奥氏不锈钢作为主体材料，高真空多层绝热结构，夹层达到0.001 Pa左右的真空度，在合理的缠绕工艺下实现“超级绝热”的目的[8]。目前，作为汽车用发动机的LNG低温绝热储瓶可以达到日蒸发率小于2%，满足不使用条件下7天(轿车用瓶3天)安全阀不跳起的要求。储瓶上设置主、副安全阀，可以在紧急状况下泄压以保证瓶体的安全。目前，LNG发动机主要还是应用于城市公交、出租车、大型货车上，主要是由于这些车辆使用频率比较高、行驶里程比较远，不易出现停滞时间过长时LNG蒸发量超过安全阀设定而泄压的情况。若想LNG内燃机更广泛地应用于家用轿车，需要研究加装缓冲罐或进一步提升绝热工艺，使LNG储瓶在长时间不使用时仍能保证安全。

2.1.2 汽化器

LNG是低温液体，必须经过汽化器气化后才能供给发动机使用。目前的汽化器热源一般是来自发动机的冷却液，少有特殊情况下也可以采用空温型汽化器。小型车汽化器基本要求为汽化量达到20 Nm3/h，而大型车需达到50 Nm3/h，汽化器出口温度要达到发动机正常工作要求。

2.1.3 液位显示

目前的液位显示计种类比较多。低温LNG储瓶内液位显示计主要采用低温电容液位计，这种液位计由探头和仪表电路组成，通过分析电容介电常数的变化监测液位信息，它不与液面接触，减少了漏热的可能，达到最大限度的保温效果。

2.2LNG单燃料内燃机

LNG作为单一燃料的内燃机，可以看作是由汽油机改造的。如图2所示，LNG内燃机和汽油机的主要区别体现在加装LNG供给系统、改装冷却系统、加装混气系统、调整电控系统4个方面。

图2 LNG单燃料内燃机流程Fig.2 LNG single fuel internal combustion engine processes

汽油机改造LNG内燃机的LNG供给系统如2.1所述，冷却系统的改造主要是将冷却液系统和汽化器结合，通过控制手段使汽化器出口气体达到发动机的用气要求。此外，还可通过部分系统改造达到利用LNG冷能的目的，如汽车用内燃机可以使用LNG冷能作为空调冷源。改装原车的配气系统主要指加装混合器，使空气、燃气充分混合后进入缸内，实现更充分燃烧。电控系统根据系统改变进行调整。

2.3LNG-柴油双燃料内燃机

柴油内燃机和汽油内燃机工作原理最大的不同在于点火方式：汽油内燃机采用直接点火方式，而柴油内燃机采用的是压燃点火方式。LNG-柴油双燃料内燃机是指在保留柴油机所有结构和燃烧工作方式不变的前提下，增加一套LNG供气系统和柴油-天然气双燃料电控喷射系统，既可以使用柴油单独驱动，也可以采用柴油-天然气混合驱动[9]，其结构原理如图3所示。

图3 双燃料系统结构图Fig.3 Dual fuel system structure

双燃料内燃机在启动和怠速情况下采用柴油，在运行中通过ecu(电子控制单元)控制天然气的喷射，喷射出的天然气和空气混合导入发动机进气口，同时导入的少量柴油压燃后作为天然气的点火源。双燃料发动机大大降低了柴油的消耗量，并且具有更好的环保效益和经济效益，现在可应用于LNG运输船和长途运输的货车等。

2.4LNG内燃机技术展望

LNG内燃机还存在着一些技术问题，解决这些技术问题能使LNG内燃机得到更广泛的应用。

2.4.1 汽油机或柴油机改造而产生的问题

现有的LNG内燃机多数由汽油机或柴油机直接改造，但是天然气的燃烧特性是着火温度高，火焰发展期长。

针对LNG内燃机动力缺失问题可以通过改变压缩比、改进燃烧室结构、增大点火能及点火提前角等技术手段解决。尾气温度过高问题可以通过增大散热器、增大曲轴与水泵皮带轮的传动比等方法解决。因此，需要针对LNG重新设计和制造内燃机，并专门配置相应的控制系统。

2.4.2 LNG储存问题

LNG采用的是低温绝热储存，但现代工艺不可能做到完全绝热，漏热使LNG在不使用的情况下最多保存7天就会因为漏热气化而超压泄放，泄放天然气不仅会造成资源浪费，也会在遇到明火时产生安全隐患。此外，LNG是一种多组分混合物，长时间静置会出现分层和“翻滚”现象，很有可能造成瞬间大量气化而产生超压危害。

目前，防止LNG分层和翻滚主要靠改善充装工艺、增强参数监控、避免不同气源LNG等方式。未来的设计中应该考虑增加循环系统，统一气源标准等方式。针对LNG保存问题，除了可以进一步发展绝热工艺，还可以考虑增设缓冲罐等方式进一步延长LNG的储存时间。

2.4.3 泄漏伤害问题

LNG在低温-162 ℃储存，过大的温差可能会使管路因热胀冷缩而破坏导致泄漏，LNG泄漏后可能产生比较严重的冷冻伤害或窒息伤害。除了在管线上加装限流阀防止LNG大量泄漏外，还应该在工艺和材料上进一步改善，减少甚至杜绝LNG因管路热胀冷缩而发生泄漏。此外，应普及LNG知识，避免不必要的伤害。

2.4.4 统一标准编制问题

标准的缺乏不仅体现在没有统一的LNG内燃机制造标准，同时还缺乏统一的气源标准，以及统一的加气站标准等，应尽快编制统一标准以适合LNG能源的快速发展步伐。

3 LNG内燃机的环保和节能分析

近年来，环境问题成为社会发展的焦点问题，节能减排和可持续发展成为中国能源发展的重要战略。相对于传统的石油、煤炭以及CNG等资源，液化天然气能源对环境更加友好且节能。

3.1常规能源的尾气排放

表2列出了常规能源的尾气排放情况。

表2 城市正常行驶和交通拥挤条件下各种燃料污染物的排放对比

Tab.2 Contrast of pollutants of various fuels in cities under normal driving conditions and traffic congestion g·km-1

由表2数据可知，压缩天然气(CNG)的CO，NOx的排放都要明显低于汽油和柴油，但是固体颗粒的排放要高于汽油，HC的排放量高于汽油和柴油。在拥堵情况下，CNG尾气排放中的固体颗粒量和汽油、柴油基本相同，这主要是因为CNG在制造时并没有经过更严格的净化处理。LNG制造时比CNG多出许多工艺过程，燃烧后的排放物主要为CO2和H2O。实验证明，与汽油相比，LNG作为内燃机燃料CO排放量较少97%，HC排放量减少70%～80%，NOx排放量减少30%～40%，固体微粒排放量较少，基本不排放含铅、硫化物及苯等有害物质，对环境的改善和保护效果非常明显[10-11]。

3.2LNG内燃机应用节能分析

天然气应用于内燃机时，先与空气在混合室混合，因此燃烧更充分，效率更高。天然气可以使用更高的压缩比，动力性和经济性也更高。

传统汽油机的汽车空调一般采取氟里昂蒸罐气压缩制冷，汽车发动机连轴驱动压缩机耗费了大量动力，而氟里昂一旦泄漏会对大气层造成严重的破坏。在LNG内燃机系统中，只要将LNG冷能部分回收应用于汽车空调，就无需配备单独的空调系统，既节约了汽车制造成本，又解决了空调制冷剂泄漏的潜在危害，实现了汽车空调真正意义的“绿色化”。

LNG除了可以给普通的汽车提供夏季的空调冷量外，还可以将冷量应用于冷藏车中，省去了车载制冷设备，有效减少了噪声污染、制冷剂污染等。可见，LNG内燃机冷藏车的应用前景十分广阔。

在LNG运输船中，大量的BOG(闪蒸气)需BOG压缩机再压缩后重新导入储瓶，浪费了很多能量，如果采用双燃料内燃机，在有效利用BOG的同时还可减少燃料的消耗。

4 结 论

对LNG作为内燃机燃料的优势和其他传统燃料进行了对比，对LNG成为内燃机主要燃料的技术进行了分析和展望，对LNG内燃机应用于汽车等领域后的节能效果和环保效果进行了讨论，得出以下结论。

1)天然气资源具有分布广阔、资源丰富的特点。LNG无论从物性、燃烧特性，还是安全性上都具有发展成为内燃机燃料的优势，发展前景十分广阔。

2)无论是由汽油机改造成为LNG单一燃料的内燃机，还是由柴油机改造成为LNG-柴油双燃料内燃机，技术发展相对都比较成熟，目前改造的内燃机已经可以应用于城市公交、出租车、长途运输货车、LNG运输船舶等。随着低温绝热技术的进一步完善，在LNG不能长时间静止储存、缺乏统一标准等问题得以解决后，LNG内燃机有望应用于更广阔的领域。

3)LNG内燃机排气污染更小，噪声污染更少，此外，LNG冷能可以应用于汽车空调、冷藏车，具有环保和节能的双重意义。

4)LNG资源利用作为中国能源结构调整的重要组成部分，必然随着LNG内燃机技术的进一步成熟和完善而得到更快速的发展。

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Application of LNG in internal combustion engine

ZHANG Ming

(Hebei Institute of Architectural Design & Research Company Limited， Shijiazhuang Hebei 050011， China )

With the energy structure adjustment and the rapid development of low temperature refrigeration and insulation technology in China, LNG (liquefied natural gas) is more and more widely used. LNG is a new energy of internal combustion engine and is very important aspect of LNG applications. As a clean energy, LNG has many advantages like occupied small, energy storage density, combustion performance, high calorific value etc. This paper presents several advantages of LNG from resources viewpoint, like physical characteristics, combustion characteristics and safety aspects etc. Then, it introduces the characteristics and technology problems of the LNG engine. Finally, it analyzes the energy saving contribution when using LNG in internal combustion engin.

LNG engine; resources; technical characteristics; technology foresight; energy conservation; environmental

1008-1534(2013)06-0493-06

TK433

A

10.7535/hbgykj.2013yx0620

2013-06-07;

2013-08-31

责任编辑：张士莹

张 明(1985-)，女，河北衡水人，助理工程师，主要从事内燃机燃料方面的研究。

E-mail：442686116@qq.com