LNG汽车燃气供给系统开发应用

魏莉薇

（东风汽车有限公司 东风商用车技术中心 武汉 430056）

随着我国汽车产业的大力发展，汽车保有量在快速增加，而且已成为人们生产生活中不可或缺的重要工具。但也面临着燃油短缺和环境保护问题。汽车在其行驶过程中消耗大量非可再生化石燃料，所排放的尾气造成的环境污染日益严重，节约能源和环境保护的双重压力迫使清洁环保汽车的发展越来越受到重视。为汽车寻找清洁而且丰富的替代燃料，提高发动机的经济性和排放性，已成为设计研究人员迫切需要解决的问题。在各种代用燃料中，天然气由于储量丰富、排放低、安全可靠、经济适用等优势，正在市场中显露出巨大的发展潜力，LNG汽车成为各大汽车厂商竞相开发的替代燃料汽车之一。

1 LNG的优势

LNG （Liquefied Natural Gas）即液化天然气简称，将天然气（NG）经过除液、除酸、干燥、分馏和低温冷凝处理，使天然气在超低温（-162℃）常压状态下液化。被液化后体积是气态的1/625，密度约为0.425 kg/L，便于长距离运输和大量储存。LNG的优势主要为以下几点。

1.1 储量丰富

我国天然气资源量丰富，天然气田分布范围较大，而且可以勘探开发的占大多数。天然气产量规模大大增加，2011年我国天然气产量快速攀升，首次突破千亿立方米，预计中国的天然气年产量将在五年左右时间内达到1 500～2 000亿立方米。

1.2 排放低

LNG成为汽车燃料，不仅是因为天然气的开采量在日益增多，而且还因为LNG发动机的排放性能比柴油机及汽油机好的多。与相同压缩比的柴油机相比，天然气汽车尾气排放中的NOx和HC减少87%，CO减少70%，CO2减少20%，微粒的排放量减少99%，几乎为零，基本不含硫化物，而且无铅、苯等致癌物质排出。天然气燃烧后不产生废渣和废水，与煤炭、石油等能源相比具有燃烧洁净、热值高、使用安全等优势。

1.3 安全可靠

天然气是一种无毒无味透明的混合气体，其安全可靠是由其特性决定的。首先，LNG的着火温度即燃点随组分的变化而变化，纯甲烷天然气的着火温度为 650℃，大大高于汽油（220～260℃）和柴油（200～220℃），因而不易点燃。其次，一旦发生泄漏，LNG密度比空气小，气化后的密度只有空气的50%左右，因而稍有泄露即挥发扩散，而LNG的爆炸极限为5%～15%，比汽油1%～5%，柴油0.5%～4.1%更高，很难形成遇火燃烧爆炸的浓度，所以，LNG车比汽油和柴油车使用更安全。

1.4 经济适用

天然气的辛烷值（130）比汽油（80～95）和柴油（20～30）高，抗爆震能力突出，发动机产生的噪音也相对较低，燃用天然气时不用抗爆添加剂，大大降低了发动机气缸内零件磨损率，因而提高了发动机的使用寿命和减少了润滑油的消耗量，同时可减小机油的更换频次，使天然气车辆的维护成本降低。从价格上来看，天然气的燃料价格比汽油和柴油低1/3。长期使用可显著减少在燃料上的支出，从而减少运营成本。

2 LNG汽车燃气供给系统

LNG汽车燃气供给系统主要由LNG贮气瓶、汽化器及缓冲罐总成、稳压阀、过滤器及管路系统组成，燃气供给系统构成见图1。

燃气供给系统工作原理是：贮气瓶内的压力将LNG输送到汽化器，在汽化器中液体经过吸热膨胀后变为饱和气体，由缓冲罐进行缓冲稳压，经过压力调节装置后饱和气体以恒定的压力与同时进入混合器的增压中冷后的空气混合，配制出发动机不同工况所需空燃比的混合气进入气缸内燃烧。

如何使贮气瓶里的液态天然气变成气态天然气，并向发动机提供稳定压力和温度的燃气，使得既不致使发动机功率下降，也不影响发动机的耗气量和工作的可靠性，其中贮气瓶和汽化器应是主要研究对象，是燃气系统设计开发及匹配的关键总成部件，因此，LNG汽车燃气供给系统的开发应用关键在于贮气瓶和汽化器总成的设计及匹配。

3 LNG贮气瓶的设计及匹配

3.1 LNG贮气瓶结构原理

LNG贮气瓶是由外壳和内胆构成的双层结构的超低温绝热压力容器，它的一端设置有控制调节装置、安全装置、出液装置（见图2）。内胆用来储存液态的液化天然气，外壳和内胆之间的空间抽成高真空，形成良好的绝热空间，以保证LNG在超低温的环境下得以储存和使用。其中内胆设有主、副两级安全阀，超压时起到保护作用。在超压情况下首先主安全阀打开，当主安全阀失灵或发生故障时，副安全阀工作，其设定压力要高于主安全阀，确保气瓶使用安全。

贮气瓶按LNG液体输出可分为常规LNG贮气瓶和增压LNG贮气瓶两类。常规LNG贮气瓶的LNG液体以气瓶内液态平衡压力 （通常在0.5 MPa左右）从出液阀输出经管路进入水浴汽化器，并基本保持此压力持续输出LNG液体。

带增压贮气瓶就是在气瓶上增加一组蒸发回路，瓶内LNG液体进入蒸发回路，经空温式汽化器吸热汽化形成高压气体再回到LNG瓶内，提高瓶内压力（工作压力1.59 MPa）。瓶内压力的调节是通过自增压调节阀V9的开度来控制的（见图2）。

3.2 贮气瓶的选型

贮气瓶加注的初始液化天然气一般是在常压状态下，常规贮气瓶不能满足采用高压喷射进气方式发动机的工作压力，因此，在设计及匹配贮气瓶时采用了带有自增压系统的贮气瓶，当压力增加到发动机额定的工作压力范围后，再开始对发动机进行供气。LNG的温度不同，其饱和蒸气压力也不同，自增压系统即利用了此原理，也就是在气瓶的外面增加空温式汽化器，来给气瓶内的LNG气相进行加热，从而达到增压的目的。发动机在运行时消耗部分LNG会导致贮气瓶内压力降低，同样需要靠自增压系统调节贮气瓶内压力。

在供气过程中必须对贮气瓶进行稳压。自增压及排液汽化供气过程是一个非常复杂的过程，它包括了增压气体与气瓶内气体的混合过程以及气瓶内气液界面上的传热传质过程。贮气瓶在向发动机供气时，贮气瓶内的液体会不断地排出，相应液相空间不断减小，气相空间不断增大，贮气瓶内的压力又会逐渐下降，为此在供气过程中必须对贮气瓶进行稳压，以确保供气压力在规定的工作压力范围内。

3.3 贮气瓶设计匹配计算

LNG汽车贮气瓶容积的设计匹配是根据具体开发车型的气耗、续驶里程、残液量来确定的，按1可计算出贮气瓶有效容积。

式中：ge为汽车百公里气耗；L为汽车续驶里程；η为气瓶残液。

为了使瓶内压力能通过自增压系统进行调节，同时在供气过程中进行稳压，贮气瓶除了有自增压装置外，还需要设定其节约阀、稳压阀、自增压调节阀的适当压力值来控制调节对发动机所提供的进气量。通过计算在额定功率下，增压阶段的耗液量（见式2、式 3），气化稳定过程中的吸热量（见式 4），传热系数（见式5）等，可推算出节约阀、稳压阀和自增压调节阀设定压力。

式中：P为气相压力，V为气相容积，Z为气体压缩因子，T为气体温度，m为气体质量，R为气体常数

式中：V0为增压前的气相容积，Va与ma为相对应的液体体积，m0为增压前的液体体积，ma为单位时间内被气化的液体量，τ为增压时间。

式中：Q为单位时间的吸热量，hg为在P、T状态下气体的焓，hL为在 P、T0状态下过冷液体的焓，ma、mb为单位时间内自增压系统进出口的质量流量。

式中：K为总传热系数，αf为低温流体与管壁的对流换热系数，λ为导热系数，α为空气与翅片管的自然对流换热系数，β为翅化系数，η为翅化效率。

4 汽化器的设计及匹配

4.1 汽化器结构原理

目前普遍使用的一种车用汽化器是水浴式管壳汽化器（见图3），汽化器的工作原理是：LNG以纯液态形式或气液混合形式从气瓶中被放出，流入汽化器一端的螺旋管，经过螺旋管加热后从另一端流出。来自发动机冷却系的高温冷却液则流经螺旋管与外壳之间的空间，即汽化器的壳程，与管程内的LNG实现热量交换使LNG气化，然后回到冷却循环中继续参与发动机的冷却工作。冷却液的流向应与液化天然气的流向一致，汽化器一般水平安装，天然气进出口处于水平方向，冷却液进出口应在上方 （见图3），避免形成气阻。

发动机外的供气系统与发动机之间的匹配问题，将直接影响发动机的性能及使用的可靠性。发动机对燃料供气压力和供气温度有一定的要求，且能稳定地供气。这就需要瓶内的充液压力、匹配的汽化器气化速度和汽化温度均要与发动机的工作要求相匹配，否则将直接影响发动机的耗气量和工作的可靠性。

液化天然气在气瓶中以低温液态形式储存，但供给发动机时必须是气体状态，因此，在LNG的燃料系统中汽化器是一个关键部件，它的主要作用就是将低温的液体燃料加温气化后供给发动机。

4.2 汽化器设计匹配计算

在设计匹配汽化器时，采用了目前普遍使用的车用水浴式管壳汽化器，这样，可利用温度高达75℃～90℃发动机冷却水直接气化LNG，既能充分利用废热气化了LNG，又能减轻冷却系统中散热器的负担。

由于螺旋管内LNG从液态变为气态，属于气液两相流范畴，因此要精确计算其传热过程非常困难（见图 4）。

如图4所示，将传热过程分为四个阶段，即过冷沸腾、饱和核沸腾、强制对流传热和欠液区来计算吸热量，其总和即为天然气需要吸收的热量，也即冷却水所需要放出的热量（见式6），然后算出汽化器换热系数（见式7）、传热面积（见式8），就可算出汽化器内螺旋管的长度 （见式9）和冷却水的循环流量（见式 10）。

式中：m为天然气最大流量，即发动机最大耗气量；Cp为定压比热，饱和压力下的定压比热算术平均值；ΔT为温差，饱和压力下的沸点差。

式中：K为总放热系数；h1为管外冷却液放热系数；r1为螺旋管外污垢系数；η为翅化系数，螺旋管无翅片，η=1；r2为管外表面管壁热阻；h2为天然气换热系数；r3为螺旋管内污垢系数。

式中：C为螺旋管周长；B为保险系数1.2～1.3。

式中：Q为天然气实际吸热量；Cp为冷却液定压比热，特征温度为平均温度；ΔT为冷却液进出口的温差；m为冷却液质量流量。

5 结论

根据上述方法计算不同工况下汽化器的换热量，得出以下结论：首先，当发动机在不同工况下运转时，单位时间内汽化器的LNG流量会随着发动机所需要的天然气量的变化而变化，因此在汽车行驶过程中需要注意冷却液的流量变化，尤其是在发动机的天然气消耗量最大时，此时汽化器也达到最大工作负荷状态。其次，冷启动时，发动机刚刚开始运转，冷却循环系统的冷却液温度与环境温度相同，汽化器内冷却液温度需要一段时间上升与发动机正常工作时相同，因此，LNG汽车在冷启动时，应适当保持发动机怠速或低速运转状态来提高冷却系统内冷却液的温度，确保LNG汽化充分。最后，为保证LNG发动机的燃料控制精度和瞬态响应特性，LNG燃料供给系统必须在发动机全工况范围内，提供足够的供气量和瞬态响应特性。也就是说，来自贮气瓶的液相LNG流经燃料供给系统时，必须吸收足够的热量，满足相变汽化潜热要求，确保发动机性能达标。因此，在设计及匹配汽化器时应正确设计汽化器的气化能力，提供足够的换热面积。

对开发的LNG汽车经转轂试验验证满足发动机各项性能指标要求，用户使用后反映马力足，经济性好，得到市场用户的认可。

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