車用LNG燃料供給系統(tǒng)發(fā)展探討

廉蓉，王華棟，蔣嫻文（.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 7000；.陜西國德電氣制造有限公司，陜西 西安 70075）

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車用LNG燃料供給系統(tǒng)發(fā)展探討

廉蓉1，王華棟1，蔣嫻文2
（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.陜西國德電氣制造有限公司，陜西 西安 710075）

為了實(shí)現(xiàn) LNG作為石油的替代能源應(yīng)用于車輛燃料供給系統(tǒng)，飽和壓力供給系統(tǒng)在歐美地區(qū)起源并趨于成熟。引入我國時(shí)因國情的不同又發(fā)展為適應(yīng)國內(nèi)需求的自增壓供給系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來五到十年，低溫壓力泵供給系統(tǒng)技術(shù)將成為新的主流技術(shù)。本文介紹了車用LNG燃料供給系統(tǒng)的發(fā)展歷程及三種LNG供給系統(tǒng)的特征、原理及優(yōu)劣，并對短期未來LNG供給系統(tǒng)的發(fā)展予以展望。

LNG；供給系統(tǒng)；現(xiàn)狀；發(fā)展

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.002

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

1、LNG作為車用燃料的特點(diǎn)和優(yōu)勢

1.1LNG（液化天然氣）的特點(diǎn)

液化天然氣（LNG）是指以甲烷為主要成分的天然氣原料經(jīng)過預(yù)處理，脫除其中的雜質(zhì)后，再經(jīng)過常壓低溫液化工藝在-162℃下所形成的低溫液體混合物。

1.2LNG作為汽車燃料的優(yōu)勢

（1）能量密度大，汽車?yán)m(xù)行里程長。同樣水容積的車用LNG氣瓶裝載的天然氣是CNG儲氣瓶的2.7倍。目前大型LNG貨車一次加氣可連續(xù)行駛1000～1500km，非常適合長途運(yùn)輸車輛的使用。國內(nèi) 500升 LNG氣瓶加氣一次可連續(xù)行駛約400km左右。

（2）運(yùn)輸方便。由于是液態(tài)，LNG便于經(jīng)濟(jì)可靠地遠(yuǎn)距離運(yùn)輸（約600km范圍內(nèi)），建設(shè)LNG汽車加氣站不受天然氣管網(wǎng)的制約。在陸地上，通常用 20～50m3（相當(dāng)于 12000～30000Nm3天然氣）的汽車槽車運(yùn)輸LNG，類似于運(yùn)輸柴油那樣將LNG運(yùn)送到LNG汽車加氣站，也可根據(jù)需要用火車、船舶運(yùn)送槽罐車。在海上，通常用大至12～13萬m3的LNG輪船進(jìn)行長途運(yùn)輸。

（3）組分純，排放性能好，有利于減少污染，保護(hù)環(huán)境。LNG由于脫除了硫和水分，其組成比CNG更純凈，因而LNG汽車的排放性能要優(yōu)于CNG汽車。與燃油車相比，LNG汽車的有害排放降低約85%左右，被稱為真正的環(huán)保汽車。

（4）安全性能好。LNG氣化后的燃點(diǎn)為650℃，比汽柴油、LPG的燃點(diǎn)高，著火點(diǎn)也高于汽柴油、LPG，所以比汽柴油、LPG更難點(diǎn)燃，LNG的爆炸極限為5%～15%，且氣化后密度很低，只有空氣的55%左右，因而即使出現(xiàn)泄漏即揮發(fā)擴(kuò)散，不易聚集。而LPG的爆炸極限為2.4%～9.5%，燃點(diǎn)為466℃，且氣化后密度小于空氣，泄漏后不易揮發(fā)，汽油爆炸極限為1.0%～7.6%，燃點(diǎn)為427℃，柴油爆炸極限為0.5%～4.1%，燃點(diǎn)為260℃。由此可見，LNG汽車比LPG、汽油、柴油汽車更安全。

2、車用LNG燃料供給系統(tǒng)的起源

早期的車用 LNG供給系統(tǒng)是隨著低溫技術(shù)的普及，低溫液體從最早的高端技術(shù)應(yīng)用逐步向工業(yè)生產(chǎn)和民用生活領(lǐng)域內(nèi)滲透而來的。

低溫液體適用領(lǐng)域的拓展也帶動了低溫容器的設(shè)計(jì)及制造向著多元化方向改進(jìn)。固定式的低溫容器趨于規(guī)模化，移動式的低溫儲運(yùn)容器趨于集約化。早期的LNG低溫絕熱氣瓶正是基于工業(yè)氣體用杜瓦瓶結(jié)構(gòu)，結(jié)合大型低溫儲運(yùn)設(shè)備技術(shù)，發(fā)展而成的替代汽車油箱在車輛上進(jìn)行盛裝、貯存、供給液化天然氣的小型低溫儲運(yùn)設(shè)備。

車載LNG氣瓶于20世紀(jì)80年代在美國、加拿大、德國和法國等國開始研究，至20世紀(jì)90年代初技術(shù)已趨成熟，并開始小規(guī)模推廣。

早期的LNG車用瓶以氣瓶內(nèi)氣液飽和為壓力源，使用時(shí)打開出液截止閥，瓶內(nèi)的飽和液體在飽和壓力作用下流出，經(jīng)過過流保護(hù)閥進(jìn)入汽化器氣化后在緩沖罐中進(jìn)行存儲。

（1）飽和壓力系統(tǒng)優(yōu)勢

1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、技術(shù)含量低；

2）飽和壓力系統(tǒng)按照氣液壓力飽和動態(tài)原理，能夠提供與飽和壓力一致壓力的氣體，一般可以達(dá)到0.2～0.5MPa（取決于加液站提供的飽和液體的壓力），能夠滿足采用理論空燃比、非增壓、步進(jìn)電機(jī)控制或者是以電控膜片比例混合器為核心的相對粗放控制系統(tǒng)的天然氣發(fā)動機(jī)對供給系統(tǒng)的需求；

（2）飽和壓力系統(tǒng)的適應(yīng)性問題

1）國內(nèi)市場供應(yīng)不同壓力的LNG影響供氣系統(tǒng)的性能：國內(nèi)供應(yīng)的LNG因?yàn)槌杀竞驮O(shè)備原因，以飽和壓力為主，造成供應(yīng)的LNG溫度、壓力指標(biāo)上參差不齊。以溫度為例，一般從-143～-127℃不等，與之對應(yīng)的是氣液飽和壓力從0.4～0.8MPa不等。車輛運(yùn)營需要選擇性加液（高壓可以調(diào)低壓，反之不能），限制了車輛的運(yùn)行區(qū)域；

2）飽和壓力系統(tǒng)不能滿足較大功率天然氣發(fā)動機(jī)對燃?xì)飧罅髁康男枨螅ㄆ骄?0kg/h，瞬時(shí)≮70kg/h），限制了天然氣在重型商用車上的應(yīng)用。

3、車用LNG燃料供給系統(tǒng)的現(xiàn)狀

在以工業(yè)用焊接絕熱氣瓶為核心的氣體供給原理基礎(chǔ)上，根據(jù)此前、當(dāng)時(shí)及未來一段時(shí)間內(nèi)車用天然氣發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)對燃?xì)夤┙o系統(tǒng)以壓力為主要指標(biāo)的需求，富瑞特裝公司在 2007年前后自行開發(fā)研制的具有自增壓功能的供給系統(tǒng)基本滿足了當(dāng)時(shí)及此后10年內(nèi)天然氣發(fā)動機(jī)對LNG燃料供給系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求。

自增壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上是在LNG氣瓶閥箱端內(nèi)封頭靠近最下端位置開孔并用不銹鋼鋼管經(jīng)真空層從外封頭靠近下端位置引出，并保證內(nèi)膽與外殼封頭部位的焊接密封。使用時(shí)，打開增壓截止閥，瓶內(nèi)液體在瓶內(nèi)氣相部分壓力及液體重力的作用下流出，經(jīng)自增壓管路時(shí)與外界空氣完成熱交換，液體氣化升壓并進(jìn)入瓶內(nèi)氣相部分，提升瓶內(nèi)壓力至需求壓力，該壓力作用在液體上使得液體以同等壓力從閥箱部分的出液口流出經(jīng)過出液截止閥、過流保護(hù)閥進(jìn)入汽化器氣化后在緩沖罐中進(jìn)行存儲。

3.1自增壓系統(tǒng)優(yōu)勢

1）自增壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、技術(shù)含量較低。

2）自增壓系統(tǒng)可以按照過量儲備的思路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，滿足現(xiàn)有點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)（目前廣泛應(yīng)用）對燃?xì)夤┙o系統(tǒng)對基本需求：0.8～1.0MPa燃?xì)鈮毫Γɑ究梢员ＷC）、燃?xì)夤┙o流量（基本可以保證）、燃?xì)膺M(jìn)氣溫度（勉強(qiáng)可以保證）。

3.2自增壓LNG供氣系統(tǒng)方案存在問題

3.2.1性能問題

1）國內(nèi)市場供應(yīng)不同壓力的LNG影響供氣系統(tǒng)的性能：國內(nèi)供應(yīng)的LNG因?yàn)槌杀竞驮O(shè)備原因，以飽和壓力為主，造成供應(yīng)的LNG溫度、壓力指標(biāo)上參差不齊。以溫度為例，一般從-143～-127℃不等，與之對應(yīng)的是氣液飽和壓力從0.4～0.8MPa不等。

2）自增壓系統(tǒng)受環(huán)境溫度變化影響偏大：環(huán)境溫度會影響自增壓系統(tǒng)工作的效率。

3）自增壓系統(tǒng)供氣不穩(wěn)定：容易受LNG壓力、環(huán)境溫度、人員操作規(guī)范影響。

4）加液后升壓過程耗時(shí)過長：當(dāng)加液站加液壓力過低時(shí)，帶自增壓設(shè)備的LNG氣瓶在充液后需要等待15～30分鐘升壓（受環(huán)境溫度影響）。

3.2.2操作問題

1）自增壓設(shè)備操作不便：自增壓設(shè)備需要人工手動操作；

2）自增壓系統(tǒng)的控制無法實(shí)現(xiàn)自動化，對發(fā)動機(jī)需求的性能指標(biāo)依賴于駕駛員的整體素質(zhì)、（供氣系統(tǒng)）操作經(jīng)驗(yàn)及操作規(guī)范。

3.2.3安全問題

1）自增壓設(shè)備存在安全隱患：氣瓶增加自增壓設(shè)備后成為整個(gè)供氣系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)，并影響氣瓶的絕熱等其他性能；

2）自增壓被動安全性不足：系統(tǒng)中的安全元件如過流切斷器、電磁閥的設(shè)定為單獨(dú)獨(dú)立控制，未進(jìn)行系統(tǒng)的安全性考慮。

4、車用LNG燃料供給系統(tǒng)的發(fā)展方向

基于自增壓供給系統(tǒng)性能存在的問題和系統(tǒng)對操作人員（主要是駕駛員）技能、經(jīng)驗(yàn)的深層次要求，自增壓系統(tǒng)不能滿足未來整車對車用LNG供給系統(tǒng)的要求。2013年由陜汽與西港聯(lián)合提出的低溫壓力泵LNG供給系統(tǒng)，表現(xiàn)出非常明顯的技術(shù)和市場優(yōu)勢。

低溫壓力泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上是在LNG氣瓶閥箱端插入一個(gè)低溫壓力泵，并保證內(nèi)膽與外殼封頭在安裝泵部位的真空絕熱，并在系統(tǒng)中設(shè)置可以與發(fā)動機(jī)進(jìn)行通訊的 TCU。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則是可以實(shí)現(xiàn)LNG供給的自動化（消除自增壓系統(tǒng)對駕駛員操作技能和經(jīng)驗(yàn)的要求）和智能化（實(shí)現(xiàn)LNG供給按發(fā)動機(jī)需求）。

4.1低溫壓力泵系統(tǒng)的優(yōu)勢

1）控制操作自動化：根據(jù)駕駛員習(xí)慣、發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自動控制低溫泵的運(yùn)行和供氣量；

2）燃?xì)夤┙o智能化：向發(fā)動機(jī)提供持續(xù)穩(wěn)定的天然氣；加液后，車輛無需等待罐中壓力提升即可行駛；與安裝自增壓LNG氣瓶的車輛相比，節(jié)省安裝空間；

3）供給系統(tǒng)安全化：可以延長LNG氣瓶時(shí)間、降低排空、減少安全隱患和燃料浪費(fèi)；

4）經(jīng)濟(jì)性提高：主要是供給系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)ECU通訊實(shí)現(xiàn)燃料自動按需供給，消除人為操作誤差、環(huán)境變化等引起的燃料浪費(fèi)，預(yù)計(jì)降低氣耗約5%；

5）技術(shù)密集：低溫壓力泵系統(tǒng)集中了真空絕熱結(jié)構(gòu)、工藝、低溫泵元件的精加工、低溫密封等硬件要求和TCU數(shù)據(jù)臺架及整車試驗(yàn)標(biāo)定等軟件要求。

4.2低溫壓力泵系統(tǒng)的問題

主要是成本較高。系統(tǒng)平均增加成本1萬元/瓶，對市場推廣有一定阻力。

5、結(jié)論

到目前為止，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷兩代技術(shù)發(fā)展，其中第二代技術(shù)自增壓供給系統(tǒng)為 LNG車輛推廣功不可沒；但車用LNG燃?xì)夤┙o系統(tǒng)自動化和智能化的技術(shù)升級要求是歷史發(fā)展的必然，技術(shù)進(jìn)步要求和中國市場的特殊性使得第三代技術(shù)低溫壓力泵系統(tǒng)脫穎而出，必將成為市場主流產(chǎn)品并持續(xù)五到十年。

[1]魏莉薇.LNG汽車燃?xì)夤┙o系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用[J].汽車科技.2012(6)：27-30.

[2]柯賢志.淺析LNG在商用車上的應(yīng)用[J].汽車實(shí)用技術(shù).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

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1671-7988（2016）08-04-03

廉蓉（1983-），女，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事天然氣整車產(chǎn)品、天然氣燃料供給系統(tǒng)等開發(fā)工作。