重型牵引车LNG发动机供气系统设计

陈诚, 周晋雯

(1.湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北十堰 442002；2.东风华神汽车有限公司技术中心，湖北十堰 442002)

0 引言

国家实施“清洁汽车行动”，推行新型洁净能源汽车，以减少燃料油中的有害物质对环境的污染。作为车用燃料，天然气经济性好、排放性能优越。液化天然气(LNG)储能密度大，车辆续驶里程长，车用瓶布置简单，加气站投入少，运营成本低。现在国内重型液化天然气车的研发还处于起步阶段，开发重型LNG汽车，一方面响应了国家节能减排的号召，同时也能产生一定的经济效益。

1 液化天然气概述

液化天然气的主要成分是-162 ℃的液态甲烷，是天然气经净化、压缩、冷却至其沸点温度后获得，其中甲烷的含量为82.5%，氮的含量为1.3%，充分燃烧后主要生成二氧化碳和水，远比柴油燃烧后的排放物要清洁。正常行驶条件下的LNG车辆与柴油车排放对比试验结果如表1所示。

表1排放结果对比g·km-1

排放物种类LNG柴油CO0.713.02NOx0.140.28HC0.612.03

LNG是一种高效的绿色汽车燃料，无色、无味、无毒且无腐蚀性，生产工艺流程短，便于安全运输。LNG燃点为650 ℃，比汽油427 ℃高出200 ℃以上；其爆炸浓度范围为5%～10%，而汽油是1%～7%；气化后比空气要轻，如果发生泄漏会立即飞散，很难形成遇火燃烧爆炸的浓度，无论LNG还是它的蒸汽都不会在一个不封闭的环境下爆炸。因此，LNG在汽车上使用比汽油更加安全。

2 重型牵引车参数

某车型总质量为25 000 kg，整备质量8 805 kg，挂车质量40 000 kg，最高车速95 km/h，轴数3，轴距(3 850+1 350)mm，外形尺寸(长/宽/高)为7 515 mm×2 490 mm×3 700 mm，发动机功率276 kW，轮胎规格11.00R20。重型LNG牵引车的设计与柴油车一样，必须符合GB 1589-2004、GB 7258-2004等汽车强制性标准；液化天然气汽车专用装置需符合GB/T 20734-2006《液化天然气汽车专用装置安装要求》和GB/T 17676-1999《天然气汽车和液化石油气汽车 标志》等标准。

3 LNG发动机供气系统设计

重型牵引车LNG发动机供气系统的设计，关键问题是如何将-162 ℃的液态天然气转化为稳定的气态天然气，供给发动机燃烧。

3.1 LNG发动机进气压力要求

LNG发动机控制系统要求进入电控调压器的天然气压力一般为0.65～1.38 MPa。如果低于0.65 MPa，发动机可能会出现动力不足的情况，而高于1.38 MPa，则发动机的电控调压器(EPR)有可能会损坏。液化天然气的饱和压力与温度有一定的对应关系，温度越高，压力越高，而浓度越小。液化天然气灌装到车用LNG加气站内的液体压力大约为0.1 MPa。要使液化天然气的饱和压力维持在0.65～1.38 MPa之间，则必须调高液化天然气的温度。

3.2 车用LNG气瓶设计

车用LNG气瓶作为一种低温绝热压力容器，是车辆储存和供应LNG燃料的压力容器总成。如图1所示，车用LNG气瓶设计成双层真空结构，气瓶分为外筒体和内筒体。内筒体用于储存低温的LNG。在内筒体外壁上缠有多层高绝热性能的铝箔和玻璃纤维纸，具有超强的隔热性能。将内筒体与外筒体之间的夹套空间进行了高真空技术处理，共同形成良好的绝热系统。夹套空间设置有低温吸附和常温吸附装置，不论在低温使用或常温闲置时，夹套空间的真空度都能始终保持相对稳定。内胆上的充液管设计成单管多孔嘴喷淋结构，可以减少充装阻力；充装时内胆中的部分气相被液化，以保持压力相对稳定。

图1 车用LNG气瓶结构简图

外壳和支撑系统的设计能够承受运输车辆在行驶时所产生的相关外力。内胆中的防过量充装装置采用由传感器、信号转换器和显示仪表组成的电容式液位计，显示的数据随着LNG液面高度的变化而变化。气瓶所有管路和阀件都设置在气瓶同一端，用护环或保护罩进行防护。

进液管路由加液口、进液单向阀以及连接的管道组成，加注完成后进液单向阀会自动关闭，以避免LNG倒流；出液管路由出液单向阀、出液阀、过流阀以及连接管路组成。汽车进行燃气供给时，液化天然气通过出液单向阀然后流经出液阀和过流阀进入气化系统。在气瓶至发动机之间的管路发生破裂时，流速将异常增大，当管路流量大于设定值时，过流阀将自动关闭，抑制燃料外泄；经济回路由经济阀、出液止回阀、出液阀、过流阀以及连接管路组成，如在供气过程中瓶内压力高于设定值时，经济阀开启，气瓶顶部气相空间的饱和蒸汽进入供气管路，此时出液单向阀基本处于关闭状态。随着气体的不断使用，瓶内压力逐渐降低至经济阀的设定值后，经济阀关闭，回到液体供应状态。安全系统主要由主安全阀、辅助安全阀、气瓶压力表、液位计、手动放空口、回气口以及连接管路组成。主安全阀在超压情况下开启，自动释放气体，设定压力一般为1.59 MPa；辅助安全阀设定压力一般为2.4 MPa，当主安全阀失效时，辅助安全阀工作，确保气瓶使用安全。外筒体的保护是通过一个环形的抽空塞来实现的，如果内胆发生泄漏导致夹套空间压力超高，抽空塞将自动打开泄压。

车用LNG气瓶正常运行情况下压力不高于1.59 MPa，汽化器出口压力不低于气瓶压力0.05 MPa；公称容积500 L，有效容积450 L，充装系数0.9；气压试验压力3.18 MPa；设计温度-196 ℃、工作温度-162 ℃；主体材料为0Cr18Ni9，在汽车行驶时应能承受4g加速度冲击。气瓶外置稳压阀，工作温度为-196～120 ℃，调压范围0.3～1.2 MPa，公称通径DN20 mm,流量能满足发动机最大用气要求。

3.3 供气系统设计

3.3.1 站内调压LNG供气系统原理

LNG加气站事先把站内储气罐内的LNG压力调整到0.65 MPa左右，然后灌装到车用LNG气瓶内，直接供气给发动机燃烧，其工作原理如图2所示。

此时的LNG带饱和压，从气瓶出来后就进入了汽化器。如图3所示，汽化器有4个接口，上面并排的为发动机进出水口，与发动机的冷却液水口连接，一个进水口，一个出水口，形成一个冷却小循环。汽化器内的螺旋管浸泡在冷却液内，当LNG从汽化器一个端面的管口进入螺旋管后，将会吸收发动机冷却系统热水的热量，变成汽化的天然气，从另一端的出气口流出，进入到稳压阀。

如图3所示供气系统中的稳压阀，为膜片弹簧式结构，依靠调整弹簧的松紧度来设定出口压力，一般设定为1.0 MPa。气态NG从稳压阀出来后，进入稳压罐。该稳压罐的作用类似于汽车气制动系统的储气罐，避免汽车在上长坡的过程中出现燃气供应不足的现象。从稳压罐出来的气态NG经低压滤清器过滤后再进入发动机燃烧，防止颗粒状的杂质如焊渣等进入发动机缸体，导致发动机拉缸。带饱和压的发动机供气系统，其主要特点是从加气站内出来的LNG本身带饱和压，可以直接供给发动机燃烧。

图3 汽化器结构简图

3.3.2 自增压LNG发动机供气系统设计

车用气瓶带自增压的供气系统，主要特点是加气站内出来的LNG没有调到饱和压，一般在0.1～0.2 MPa之间。此时其压力过低，如果直接给发动机供气，发动机不能正常工作。因此，如图4所示，必须在车用气瓶上增加一套外置的LNG自增压装置。

图4 车用气瓶带自增压的LNG发动机供气系统简图

该发动机供气系统与带饱和压的发动机供气系统的最大区别就在于在气瓶上外置增加了一套自增压模块。该自增压模块的工作原理是将气瓶内常压下的LNG流出，经过截止阀后进入一个热交换器，LNG在热交换器内吸收大气的热量后温度将会升高，最终使LNG饱和压力增大；当压力增大到0.65～1.3 MPa之间时，截止阀关闭，自增压完成。当气瓶内的LNG压力达到发动机正常工作的压力后，其他操作和原理与带饱和压的发动机供气系统相同。

带饱和压的发动机供气系统操作比较简单，但该发动机供气系统要求车用加气站的压力必须调到0.65 MPa以上。一般LNG加气站设计排放压力为1.3 MPa，如果站内LNG压力超过1.3 MPa，将会排放到大气中。而站内的LNG因吸收外界热量从0.65 MPa增压到1.3 MPa用时很短，不利于储存，造成浪费。而车用气瓶带自增压的供气系统要求加气站内的LNG压力只要达到0.1 MPa即可，而站内的LNG要从0.1 MPa吸收外界热量增压到1.3 MPa，时间将会相对较长，便于储存。

4 结论

重型液化天然气车辆的发动机马力较大，对气瓶、供气系统、供气管路设计要求相对客车要苛刻一些。采用带自增压的LNG发动机供气系统，能够保证液化天然气的压力在0.1～2.5 MPa内时，发动机都能正常工作。因此，车用气瓶带自增压的供气系统较带饱和压的发动机供气系统更利于推广使用。