几种车载LNG气瓶后端支撑结构性能对比与选用讨论

段武，王平西，夏园园，刘蓓蓓

（西安德森新能源装备有限公司，陕西 西安 710043）

前言

汽车用液化天然气气瓶是天然气车燃料系统的核心部件，随着近几年我国天然气汽车的发展，车载 LNG气瓶也在不断更新换代，近年来大于 500L的大容积气瓶在市场上的推广，也将车载气瓶技术推向了一个新的阶段，对车载瓶性能、零部件的研究更加深入和细化。本文介绍了车载液化天然气（LNG）气瓶结构概况，对比分析了车载 LNG气瓶几种支撑结构对气瓶绝热性能和强度可靠性的影响。

1 车载LNG气瓶结构

车载LNG气瓶是一种可以替代汽车油箱来盛装、贮存、供给燃料（液化天然气），并能自动提供连续稳定的燃料气体的装置。气瓶主要由外壳和内胆组成双层（真空）结构，气瓶外壳与内胆之间靠前、后端支撑连接起来，前端通过颈管将内、外封头焊接连接起来，气瓶后端通过内后封头上的支撑轴与外后封头的支撑板间隙配合形成支撑，内胆可轴向移动，消除内胆冷热伸缩产生的热应力。

2 几种车载LNG气瓶后端支撑结构的介绍

目前车载LNG气瓶后端支撑结构主要有“十字”型，“C”型，圆盘型。

2.1 “十字”型支撑

采用两块 2～5mm的不锈钢板折弯后，焊接而成，每块板中间部位一般采用月牙形弧度缺口，减小导热面积，薄板端头根据封头切线角度，进行折弯，增大支撑结构与封头焊缝长度，提高支撑强度，见图1。

2.2 “C” 型支撑

采用2～5mm的不锈钢板折弯成“C”型槽钢形状，增加支撑结构的惯性矩，提高支撑刚度，为保证支撑强度，“C”型槽钢端面切成斜面，角度与封头贴合处切线角度一致，见图2。

2.3 圆盘型支撑

采用 2～4mm的不锈钢板切割成圆形，在圆盘周围开等直径的孔，减少导热面积，支撑圆板与外后封头连续焊接，支撑圆盘与外后封头形成一个刚性整体结构，见图3。

图1 “十字”型支撑

图2 “C” 型支撑

图3 圆盘型支撑

3 几种后端支撑结构导热性能和刚度对比

车载LNG气瓶总导热量主要包括多层绝热体之间导热、夹层接管导热与支承导热这三部分。气瓶的支撑部分是气瓶的主要导热途径，特别后端支撑导热量占气瓶总导热量30%以上。

3.1 导热性能

3.1.1 “十字”型和“C” 型后端支撑结构导热量计算如下：

式中：

t1—环境温度℃；

t2—介质温度℃；

R—纵向热阻k/w；

热阻计算公式：

其中：

L—支撑导热长度m；

λ—不锈钢支撑板常温下的导热系数W/(m*K)；

A—支撑的横截面积；

支撑的横截面积

其中：

t—支撑板厚度m；

d—支撑板最窄处的宽度m。

3.1.2 圆盘型后端支撑结构导热量计算如下：

其中：

t1—环境温度℃；

t2—介质温度℃；

R—热阻k/w；

其中：

r1—支撑盘内径m；

r2—支撑盘外径m；

l—支撑盘厚度m；

λ—不锈钢支撑板常温下的导热系数W/(m*K)。

3.2 气瓶支撑强度分析

为验证气瓶在使用工况下，气瓶支撑结构的受力情况，利用分析软件给气瓶五个方向分别施加 5g(g=9.81N/kg)冲击载荷，模拟车辆实际运行中的五种工况，分析几种支撑结构的受力情况。

图4 “十字”型支撑应力分布

图5 “C”型支撑应力分布

五种工况包括：

1）车辆运行颠簸即竖直方向冲击；

2）车辆转弯即气瓶轴向冲击；

3）车辆紧急制动即水平方向冲击；

4）车辆运行颠簸+车辆转弯工况；

5）车辆运行颠簸+车辆制动工况。

3.3 以CDPW800-1000-1.59车载LNG气瓶为例，三种支撑结构导热量及强度分析计算对比如下表：

表1

经以上计算分析可以看出，圆盘形支撑结构刚性最强，“C”型支撑的导热量最少。结合车载LNG气瓶安全型式试验的振动试验，跌落试验验证，总结车载LNF气瓶支撑结构选用原则：

1）一般公称容积300L以下时，为满足静态蒸发率要求，控制导热量，支撑结构宜选用“C”型支撑；

2）公称容积在300L～500L时，导热与强度都需要兼顾，多采用“十字”型支撑；

3）公称容积大于500L时，支撑强度的要求较高，一般采用圆盘形整体支撑。

4 结语

后端支撑结构直接决定了车载 LNG气瓶导热量大小和安全可靠性，是影响气瓶静态蒸发率主要因素，在车载LNG气瓶结构设计时，需要兼顾导热量和支撑强度，不能追求单一指标，应在气瓶绝热性能和支撑强度之间找到一个合适的平衡点。

[1] 戴猷元,余立新.化工原理[M].清华大学出版社,2010.