LNG气瓶主动增压技术研究

王岗，王周，南可

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

1 前言

液化天然气（以下简称LNG）是天然气经过提纯净化后，在-162℃低温下由气态变为液体状态，体积约为气态的l/625。其经过运输和存储至加液站，供用户加液时，一般加入LNG气瓶的温度-138℃～-152℃、压力0.2MPa～0.5MPa，而发动机需求的燃气进气压力为0.4MPa～0.6MPa[1]，不满足发动机进气压力要求。

针对该问题，欧美加液站通过调整 LNG温度，提供高饱和的LNG（压力0.8～2.4 MPa）满足不同发动机的燃气进气压力需求。国内加液站加注到气瓶的 LNG一般都处在常压状态下，不提供高饱和的 LNG，LNG气瓶自带增压装置对气瓶进行增压，当压力增加到天然气发动机额定的工作压力范围后，再开始对发动机进行供气[2]。

当前增压装置的原理是：气瓶向发动机供液时，气瓶内的液体会不断地排出，相应的液相空间不断减小，而气相空间不断增大，气瓶的压力又会逐渐下降，为此在供气过程中对气瓶按要求进行增压，以确保供气压力在规定的工作压力范围内。其通过LNG气瓶增压口通过瓶体内部LNG重力流出的LNG至翅片管，LNG在翅片管吸热气化变成气体后，引入气瓶的气相空间，实现气瓶压力升高，其原理见图1[1]。

本文为提升气瓶的增压速率和系统的安全，以及车辆续驶里程，研究了一种 LNG气瓶主动增压技术，代替了现有的 LNG气瓶自增压技术，提升了增压速率和系统安全，间接提升了车辆续驶里程。

图1 自增压原理

2 LNG气瓶主动增压技术

2.1 LNG气瓶主动增压原理

LNG气瓶主动增压技术为汽化器气化后的燃气经过增压泵增压后引入气瓶的气相空间，提升气瓶压力，达到增压目的[3]。采用LNG气瓶主动增压技术的LNG系统其原理在供液和增压方面与现有LNG系统有区别外，其余与现有LNG系统一致。基本原理见图 2，在汽化器出气口后增加翅片管式换热器18，随后管路分为增压管路和供气管路。翅片管式换热器的作用主要是保证发动机在未工作时气瓶增压、吸热需要和燃气温度过高时的散热。增压管路进增压泵 13增压后，经回气单向阀19进入气相空间，提升气瓶气相压力，增压泵通过压力传感器（泵进口）17、温度传感器（泵进口）15、液位变送器6来监控增压泵进口压力、燃气温度、气瓶液位，通过上述参数控制增压泵工作。供液管路中缓冲罐13前端增加单向阀16，保证缓冲罐内的燃气不回流，燃气经缓冲罐13、电磁阀9、稳压器8后供发动机使用，其中测试接口12为测试压力和放气预留，管路安全阀10为管路安全部件，缓冲罐压力表为压力显示部件。

图2 LNG系统匹配增压泵原理

该增压装置包含增压泵、压力传感器、温度传感器、控制器等，增压泵有活塞、涡轮增压等形式，本文主要针对涡轮增压形式进行研究。

2.2 涡轮增压泵

涡轮增压的动力来自车辆电源，三相无刷电机上电后，驱动电机并带动涡轮室内的涡轮转动，其结构见图 3。涡轮泵工作时，叶轮带动气体一起旋转，借离心力和高速转动对来自涡轮进气口的气体进行压送，使之进入气瓶气相空间后增压。因为转速越高，涡轮吸入的气体越多，其排出流量和升压越高。 假设气体不可压缩，叶轮内缘和外缘的半径分别为r1和r2，则叶轮内缘和外缘的压力差为：

式中：

u1、u2——叶轮进口和出口处的圆周速度；

p1、p2——叶轮进口和出口处流体的压力。

离心力时叶轮外缘压力增加，且随半径及转速的升高而加大。在叶轮进口处，由于气体流出后压力降低，在吸入空间压力作用下，流体被吸入。故在离心力的作用下，流体源源不断的被吸入和排除，形成增压泵的连续增压[4]。

图3 涡轮增压泵结构

增压泵对气瓶增压的条件是排出气体进入气瓶的气相空间后，气瓶气相压力升高，将 LNG通过出液管路压出并气化，增压泵吸入足够的气体并增压，实现完整的循环。在增压范围内，增压泵的全压（涡轮进出口压差）△p大于系统的压阻△p阻减去增压泵进口吸入气体的压降△p降，可保证增压泵可对气瓶增压。参照图2，系统压阻△p阻为内止回阀23、回气单向阀19、沿途管路的压阻，其关系式为：

增压泵进口吸入气体的压降△p降为泵入口初始压力p初与泵吸入气体后管路压力p后的差值，其中p初、p后与泵吸入气体容积有关，假设泵入口管路体积V初,泵吸入的体积V吸，其关系式为：

可知泵吸入的气体越多，△p降越大，气瓶气相的气体可冲开内止回阀23和管路的压阻，进入泵的入口，则需泵的流量却大，泵出口的气体打入气瓶气相空间的气体越多；同时增压泵的全压（涡轮进出口压差）△p越大，进出压差越大，通过往复循环，气瓶气相空间升压越多[5]。

涡轮增压泵由电机输入的机械能因为各种损失，不可能全部传递给流体。这些损失的大小可用相应的效率来衡量。效率是体现增压泵能量利用程度的一个重要指标，对增压泵而言，其有效功率为：

增压泵轴功率为叶轮轴端上的功率，由于增压泵内存在各种损失，所以有效功率小于轴功率，如果总效率为 η，则增压泵的轴功率P为：

增压泵电机的输出功率Pg和输入功率Pg，in分别为：

式中：

ηtm——传动效率，按涡轮增压泵取值1；

ηg——电机效率。

增压泵电机的输出功率Pg需大于增压泵的轴功率P，保证过载状态下，电机有一定的富裕量，故电机实际的输入功率PM应为：

式中：K——富裕系数，按照电机功率小于0.5kW时，取值1.5。

3 结论

本文剖析了现有 LNG气瓶增压装置的缺点和不足，研究了一种 LNG气瓶主动增压技术的原理和涡轮增压泵增压原理，影响增压速率的因素，LNG气瓶实现的要求，以及电机功率的计算等。采用涡轮增压泵的 LNG气瓶主动增压技术，提升了 LNG气瓶的增压速率，降低了气瓶失真空的风险，为LNG气瓶增压提供了一种新的思路和方法。