车用LNG燃料供给系统发展探讨

廉蓉，王华栋，蒋娴文（.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 7000；.陕西国德电气制造有限公司，陕西 西安 70075）



车用LNG燃料供给系统发展探讨

廉蓉1，王华栋1，蒋娴文2
（1.陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200；2.陕西国德电气制造有限公司，陕西 西安 710075）

为了实现 LNG作为石油的替代能源应用于车辆燃料供给系统，饱和压力供给系统在欧美地区起源并趋于成熟。引入我国时因国情的不同又发展为适应国内需求的自增压供给系统。随着技术的进步，未来五到十年，低温压力泵供给系统技术将成为新的主流技术。本文介绍了车用LNG燃料供给系统的发展历程及三种LNG供给系统的特征、原理及优劣，并对短期未来LNG供给系统的发展予以展望。

LNG；供给系统；现状；发展

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.002

CLC NO.: U473Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-04-03

1、LNG作为车用燃料的特点和优势

1.1LNG（液化天然气）的特点

液化天然气（LNG）是指以甲烷为主要成分的天然气原料经过预处理，脱除其中的杂质后，再经过常压低温液化工艺在-162℃下所形成的低温液体混合物。

1.2LNG作为汽车燃料的优势

（1）能量密度大，汽车续行里程长。同样水容积的车用LNG气瓶装载的天然气是CNG储气瓶的2.7倍。目前大型LNG货车一次加气可连续行驶1000～1500km，非常适合长途运输车辆的使用。国内 500升 LNG气瓶加气一次可连续行驶约400km左右。

（2）运输方便。由于是液态，LNG便于经济可靠地远距离运输（约600km范围内），建设LNG汽车加气站不受天然气管网的制约。在陆地上，通常用 20～50m³（相当于 12000～30000Nm³天然气）的汽车槽车运输LNG，类似于运输柴油那样将LNG运送到LNG汽车加气站，也可根据需要用火车、船舶运送槽罐车。在海上，通常用大至12～13万m³的LNG轮船进行长途运输。

（3）组分纯，排放性能好，有利于减少污染，保护环境。LNG由于脱除了硫和水分，其组成比CNG更纯净，因而LNG汽车的排放性能要优于CNG汽车。与燃油车相比，LNG汽车的有害排放降低约85%左右，被称为真正的环保汽车。

（4）安全性能好。LNG气化后的燃点为650℃，比汽柴油、LPG的燃点高，着火点也高于汽柴油、LPG，所以比汽柴油、LPG更难点燃，LNG的爆炸极限为5%～15%，且气化后密度很低，只有空气的55%左右，因而即使出现泄漏即挥发扩散，不易聚集。而LPG的爆炸极限为2.4%～9.5%，燃点为466℃，且气化后密度小于空气，泄漏后不易挥发，汽油爆炸极限为1.0%～7.6%，燃点为427℃，柴油爆炸极限为0.5%～4.1%，燃点为260℃。由此可见，LNG汽车比LPG、汽油、柴油汽车更安全。

2、车用LNG燃料供给系统的起源

早期的车用 LNG供给系统是随着低温技术的普及，低温液体从最早的高端技术应用逐步向工业生产和民用生活领域内渗透而来的。

低温液体适用领域的拓展也带动了低温容器的设计及制造向着多元化方向改进。固定式的低温容器趋于规模化，移动式的低温储运容器趋于集约化。早期的LNG低温绝热气瓶正是基于工业气体用杜瓦瓶结构，结合大型低温储运设备技术，发展而成的替代汽车油箱在车辆上进行盛装、贮存、供给液化天然气的小型低温储运设备。

车载LNG气瓶于20世纪80年代在美国、加拿大、德国和法国等国开始研究，至20世纪90年代初技术已趋成熟，并开始小规模推广。

早期的LNG车用瓶以气瓶内气液饱和为压力源，使用时打开出液截止阀，瓶内的饱和液体在饱和压力作用下流出，经过过流保护阀进入汽化器气化后在缓冲罐中进行存储。

（1）饱和压力系统优势

1）系统结构简单、成本低廉、技术含量低；

2）饱和压力系统按照气液压力饱和动态原理，能够提供与饱和压力一致压力的气体，一般可以达到0.2～0.5MPa（取决于加液站提供的饱和液体的压力），能够满足采用理论空燃比、非增压、步进电机控制或者是以电控膜片比例混合器为核心的相对粗放控制系统的天然气发动机对供给系统的需求；

（2）饱和压力系统的适应性问题

1）国内市场供应不同压力的LNG影响供气系统的性能：国内供应的LNG因为成本和设备原因，以饱和压力为主，造成供应的LNG温度、压力指标上参差不齐。以温度为例，一般从-143～-127℃不等，与之对应的是气液饱和压力从0.4～0.8MPa不等。车辆运营需要选择性加液（高压可以调低压，反之不能），限制了车辆的运行区域；

2）饱和压力系统不能满足较大功率天然气发动机对燃气更大流量的需求（平均≮40kg/h，瞬时≮70kg/h），限制了天然气在重型商用车上的应用。

3、车用LNG燃料供给系统的现状

在以工业用焊接绝热气瓶为核心的气体供给原理基础上，根据此前、当时及未来一段时间内车用天然气发动机控制系统对燃气供给系统以压力为主要指标的需求，富瑞特装公司在 2007年前后自行开发研制的具有自增压功能的供给系统基本满足了当时及此后10年内天然气发动机对LNG燃料供给系统的技术指标要求。

自增压系统的结构上是在LNG气瓶阀箱端内封头靠近最下端位置开孔并用不锈钢钢管经真空层从外封头靠近下端位置引出，并保证内胆与外壳封头部位的焊接密封。使用时，打开增压截止阀，瓶内液体在瓶内气相部分压力及液体重力的作用下流出，经自增压管路时与外界空气完成热交换，液体气化升压并进入瓶内气相部分，提升瓶内压力至需求压力，该压力作用在液体上使得液体以同等压力从阀箱部分的出液口流出经过出液截止阀、过流保护阀进入汽化器气化后在缓冲罐中进行存储。

3.1自增压系统优势

1）自增压系统结构简单、成本低廉、技术含量较低。

2）自增压系统可以按照过量储备的思路进行系统设计，满足现有点燃式发动机（目前广泛应用）对燃气供给系统对基本需求：0.8～1.0MPa燃气压力（基本可以保证）、燃气供给流量（基本可以保证）、燃气进气温度（勉强可以保证）。

3.2自增压LNG供气系统方案存在问题

3.2.1性能问题

1）国内市场供应不同压力的LNG影响供气系统的性能：国内供应的LNG因为成本和设备原因，以饱和压力为主，造成供应的LNG温度、压力指标上参差不齐。以温度为例，一般从-143～-127℃不等，与之对应的是气液饱和压力从0.4～0.8MPa不等。

2）自增压系统受环境温度变化影响偏大：环境温度会影响自增压系统工作的效率。

3）自增压系统供气不稳定：容易受LNG压力、环境温度、人员操作规范影响。

4）加液后升压过程耗时过长：当加液站加液压力过低时，带自增压设备的LNG气瓶在充液后需要等待15～30分钟升压（受环境温度影响）。

3.2.2操作问题

1）自增压设备操作不便：自增压设备需要人工手动操作；

2）自增压系统的控制无法实现自动化，对发动机需求的性能指标依赖于驾驶员的整体素质、（供气系统）操作经验及操作规范。

3.2.3安全问题

1）自增压设备存在安全隐患：气瓶增加自增压设备后成为整个供气系统最薄弱的环节，并影响气瓶的绝热等其他性能；

2）自增压被动安全性不足：系统中的安全元件如过流切断器、电磁阀的设定为单独独立控制，未进行系统的安全性考虑。

4、车用LNG燃料供给系统的发展方向

基于自增压供给系统性能存在的问题和系统对操作人员（主要是驾驶员）技能、经验的深层次要求，自增压系统不能满足未来整车对车用LNG供给系统的要求。2013年由陕汽与西港联合提出的低温压力泵LNG供给系统，表现出非常明显的技术和市场优势。

低温压力泵系统的结构上是在LNG气瓶阀箱端插入一个低温压力泵，并保证内胆与外壳封头在安装泵部位的真空绝热，并在系统中设置可以与发动机进行通讯的 TCU。系统设计的原则是可以实现LNG供给的自动化（消除自增压系统对驾驶员操作技能和经验的要求）和智能化（实现LNG供给按发动机需求）。

4.1低温压力泵系统的优势

1）控制操作自动化：根据驾驶员习惯、发动机运行状态自动控制低温泵的运行和供气量；

2）燃气供给智能化：向发动机提供持续稳定的天然气；加液后，车辆无需等待罐中压力提升即可行驶；与安装自增压LNG气瓶的车辆相比，节省安装空间；

3）供给系统安全化：可以延长LNG气瓶时间、降低排空、减少安全隐患和燃料浪费；

4）经济性提高：主要是供给系统与发动机ECU通讯实现燃料自动按需供给，消除人为操作误差、环境变化等引起的燃料浪费，预计降低气耗约5%；

5）技术密集：低温压力泵系统集中了真空绝热结构、工艺、低温泵元件的精加工、低温密封等硬件要求和TCU数据台架及整车试验标定等软件要求。

4.2低温压力泵系统的问题

主要是成本较高。系统平均增加成本1万元/瓶，对市场推广有一定阻力。

5、结论

到目前为止，燃气供给系统已经经历两代技术发展，其中第二代技术自增压供给系统为 LNG车辆推广功不可没；但车用LNG燃气供给系统自动化和智能化的技术升级要求是历史发展的必然，技术进步要求和中国市场的特殊性使得第三代技术低温压力泵系统脱颖而出，必将成为市场主流产品并持续五到十年。

[1]魏莉薇.LNG汽车燃气供给系统开发应用[J].汽车科技.2012(6)：27-30.

[2]柯贤志.浅析LNG在商用车上的应用[J].汽车实用技术.2014 .(3): 14-17.

Research on development of vehicular LNG-fuel supply system

Lian Rong1,Wang Huadong1,Jiang Xianwen2
(1.Shaanxi Heavy-Duty Truck Co.,Ltd.,Shaanxi Xi'an 710200; 2.Shaanxi Guode Electric Co.,Ltd.,Shaanxi Xi'an 710075)

In order to realize the application of LNG as an alternative energy source to the vehicle fuel supply system，the saturation pressure-supply system in Europe and the United States originated and matured.Because of the different national conditions，the self-supercharging supply system met the domestic demand.With the progress of technology，in the next five to ten years，the low temperature-pressure pump supply system will become the new mainstream technology.This paper introduces the development process of LNG-fuel supply system,and also the characteristic，principles， advantages and disadvantages of three types of LNG supply system，and then prospects the development of LNG supply system in the future.Keywords: LNG; supply system; development actuality; prospect

U473

A

1671-7988（2016）08-04-03

廉蓉（1983-），女，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司，主要从事天然气整车产品、天然气燃料供给系统等开发工作。