車用LNG增壓泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王崗，吳潤(rùn)漢

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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車用LNG增壓泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王崗，吳潤(rùn)漢

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章介紹了一種車用LNG增壓泵系統(tǒng)，可代替現(xiàn)有車用LNG系統(tǒng)中自增壓裝置。該系統(tǒng)由控制器采集發(fā)動(dòng)機(jī)、LNG系統(tǒng)及環(huán)境溫度等參數(shù)控制安裝于氣瓶?jī)?nèi)部的往復(fù)式低溫泵將氣瓶?jī)?nèi)低溫LNG液體抽出,液態(tài)LNG經(jīng)汽化器氣化后，通過(guò)緩沖罐、電磁切斷閥，穩(wěn)壓器及發(fā)動(dòng)機(jī)其他附件進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后帶動(dòng)整車工作。該系統(tǒng)解決了自增壓LNG系統(tǒng)供氣不穩(wěn)定、安全隱患高、氣瓶的絕熱性能差等問(wèn)題。

增壓泵；汽化器；緩沖罐

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.020

CLC NO.: U469.75 Document Code:A Article ID: 1671-7988 (2016)06-57-03

前言

因目前國(guó)內(nèi)加液站僅能提供壓力為0.4MPa～0.6MPa的LNG液體，不滿足LNG車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力要求，針對(duì)該項(xiàng)問(wèn)題，主要有兩種解決方案：（1）加液站增加加壓設(shè)備：提供發(fā)動(dòng)機(jī)需要的飽和蒸汽壓。這樣將大大增加加液站的成本，因此現(xiàn)國(guó)內(nèi)各加液站幾乎沒(méi)有。（2）車用 LNG氣瓶自帶增壓設(shè)備，對(duì) LNG液態(tài)或氣態(tài)增壓。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)車用LNG系統(tǒng)一般匹配氣瓶自增壓系統(tǒng)，來(lái)增加氣瓶壓力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常供氣。常用的 LNG自增壓主要包括水浴式及空溫式等方式。但自增壓裝置因其自身原因，存在如下問(wèn)題：1）自增壓系統(tǒng)供氣不穩(wěn)定，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)急加速時(shí)會(huì)產(chǎn)生供氣不足現(xiàn)象；2）而當(dāng)瓶?jī)?nèi)液面過(guò)低時(shí)，自增壓設(shè)備存在失效風(fēng)險(xiǎn)；3）加液后升壓過(guò)程耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)：當(dāng)加液站加液壓力過(guò)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）；4）自增壓系統(tǒng)在氣瓶?jī)?nèi)壓力較高時(shí)，系統(tǒng)排壓幾率增加，增加氣耗；5）自增壓設(shè)備存在安全隱患：自增壓設(shè)備為整個(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；6）自增壓設(shè)備操作不便：自增壓設(shè)備需要人工手動(dòng)操作。本論文介紹一種車用 LNG增壓泵系統(tǒng)，代替了現(xiàn)有車用 LNG系統(tǒng)中自增壓裝置，采用控制器控制安裝在氣瓶?jī)?nèi)部的往復(fù)式低溫泵將氣瓶?jī)?nèi)低溫LNG液體抽出并加壓，液體經(jīng)汽化器、緩沖罐、電磁截?cái)嚅y、穩(wěn)壓器以及其他發(fā)動(dòng)機(jī)附件進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力及溫度要求。

1、車用LNG增壓泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1車用LNG增壓泵系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

該車用LNG增壓泵系統(tǒng)工作原理為：安裝于LNG氣瓶?jī)?nèi)部的往復(fù)式低溫泵從氣瓶?jī)?nèi)抽取低溫 LNG液體并加壓，液態(tài)LNG經(jīng)汽化器氣化后，依次通過(guò)緩沖罐、電磁切斷閥、穩(wěn)壓器、濾清器、熱交換器及節(jié)溫器進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后帶動(dòng)整車工作，其中，低溫泵的工作主要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓油泵將油罐中的液壓油吸出，進(jìn)入液壓控制閥控制低溫泵的動(dòng)作，回油經(jīng)過(guò)油冷器進(jìn)行降溫后再返回液壓油罐。液壓控制閥作為控制低溫泵動(dòng)作的主要元件，通過(guò)系統(tǒng)控制器采集發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)、LNG供給管路上汽化器電控節(jié)溫器、緩沖罐壓力傳感器以及溫度傳感器等進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制，具體工作原理圖如圖1所示，系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖1　車用LNG增壓泵系統(tǒng)工作原理圖

圖2　車用LNG增壓泵系統(tǒng)工作流程

1.2車用LNG增壓泵系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制器（TCU）作為該車用 LNG增壓泵系統(tǒng)的集成控制器，通過(guò)信號(hào)反饋控制液壓控制閥進(jìn)行工作，進(jìn)而控制低溫泵的動(dòng)作，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓力；控制汽化器節(jié)溫器開度，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水經(jīng)過(guò)汽化器的流量，使得系統(tǒng)中LNG滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力及溫度要求，如圖3所示，其中，P1為緩沖罐壓力傳感器；T1為緩沖罐溫度傳感器；T2為環(huán)境溫度傳感器；P2液壓控制閥壓力傳感器；JW1為汽化器電控節(jié)溫器。

圖3　車用LNG增壓泵系統(tǒng)控制系統(tǒng)原理圖

1.2.1燃?xì)鈮毫刂品绞?/p>

系統(tǒng)控制器（TCU）通過(guò)采集發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、緩沖罐壓力傳感器 P1的數(shù)據(jù)控制低溫泵工作將緩沖罐后壓力控制在0.8MPa～1.5MPa范圍內(nèi)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常供氣需求。具體地，車用 LNG增壓泵系統(tǒng)燃?xì)鈮毫刂品绞綖椋海?）系統(tǒng)控制器（TCU）采集發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、緩沖罐壓力傳感器P1的數(shù)據(jù)控制液壓控制閥的動(dòng)作，抽出LNG氣瓶?jī)?nèi)低溫LNG并增壓，經(jīng)汽化器氣化后至緩沖罐。當(dāng)緩沖罐壓力大于1.5MPa時(shí)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力需求時(shí)，系統(tǒng)控制器（TCU）控制液壓控制閥的的旁通機(jī)構(gòu)工作，切斷低溫泵的液壓動(dòng)力，低溫泵停止工作；當(dāng)緩沖罐壓力大于0.8MPa而小于1.5MPa時(shí)，系統(tǒng)控制器（TCU）控制液壓控制閥的的旁通機(jī)構(gòu)工作，按壓力從大到小逐步恢復(fù)低溫泵的液壓動(dòng)力，往復(fù)式低溫泵開始工作，從而將 LNG液體從氣瓶中抽出并增壓；當(dāng)緩沖罐壓力小于 0.8MPa時(shí)，系統(tǒng)控制器（TCU）控制液壓控制閥的的旁通機(jī)構(gòu)全開，低溫泵全速工作，從而將緩沖罐壓力升至0.8MPa。（2）液壓控制閥壓力傳感器 P2檢測(cè)液壓系統(tǒng)工作壓力，系統(tǒng)控制器（TCU）若檢測(cè)工作壓力異常，則控制液壓泵停止工作。

1.2.2燃?xì)鉁囟瓤刂品绞?/p>

燃?xì)鉁囟妊b置使發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度控制在30℃～50℃，使其滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最佳使用要求。具體控制方式為：（1）系統(tǒng)控制器（TCU）通過(guò)讀取電控節(jié)溫器JW1溫度傳感器數(shù)據(jù)后，調(diào)整其出水口流量，將燃?xì)鉁囟瓤刂圃?0℃下，并且保證汽化器氣化量穩(wěn)定，并滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最佳進(jìn)氣要求。系統(tǒng)控制器（TCU）同時(shí)檢測(cè)緩沖罐出氣口溫度T1，進(jìn)一步調(diào)節(jié)電控節(jié)溫器出水流量保證燃?xì)鉁囟炔淮笥?0℃。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)熱交換器出水口端與汽化器節(jié)溫器JW1水路串聯(lián)，熱交換器氣路與汽化器節(jié)溫器JW1氣路串聯(lián)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁囟鹊亩慰刂?。?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)膺M(jìn)氣溫度小于30℃時(shí)，冷卻水流量不小于30L/min，燃?xì)鉁囟壬仙?，熱交換器水流量下降；當(dāng)燃?xì)鉁囟却笥?40℃時(shí)，熱交換器水路完全關(guān)閉。（3）溫度傳感器 T2檢測(cè)環(huán)境溫度，系統(tǒng)控制器（TCU）通過(guò)環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，判斷氣化器是否正常工作，若汽化器出氣溫度大大小于環(huán)境溫度，則系統(tǒng)立即停止工作避免發(fā)動(dòng)機(jī)故障。

2、車用LNG增壓泵系統(tǒng)匹配選型

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀牧?/p>

關(guān)于“算術(shù)是物體集合”隱喻，萊考夫又列舉了一些隱喻的語(yǔ)言學(xué)的例子進(jìn)行了闡述。例如，他指出，詞語(yǔ)“add”的物理意義是把大量物體放入容器(或一組物體)中。就像“把糖加到咖啡里”，“把木頭加到火里”，“把洋蔥和胡蘿卜加到湯里”。同樣，詞語(yǔ)“take…from”，“take…out of”，和“take…away”的物理意義是從某個(gè)容器或集合(collections)中去掉一個(gè)物體或許多物體。例如，“從箱子中拿出一些書”，“從鍋里取出一些水”，“從這些木頭中拿出一些”。

國(guó)內(nèi)車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為濰柴的 WP13NG 450E50，此發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性（見(jiàn)表1）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速2100r/min、扭矩1466N·m時(shí)氣耗67kg/h。

表1　WP13NG450E50發(fā)動(dòng)機(jī)外特性數(shù)據(jù)表

2.2汽化器氣化量選型

汽化器氣化量H需大于發(fā)動(dòng)機(jī)氣耗Q，其關(guān)系為：

其中：k---安全系數(shù)；k=1.1；

Q---氣耗量，Q1=67kg/h；

T1---標(biāo)況的絕對(duì)溫度，T1=273K；

T2---汽化器出氣口絕對(duì)溫度，T2=303K.得出：汽化器氣化量H>103m3/h.

2.3低溫泵參數(shù)選型

工作頻率：100c/min（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2100r/min）工作壓力：2MPa

泵出液量：0.011Kg/次

泵出液壓力：0.8MPa～1.5MPa

3、結(jié)論

該車用 LNG增壓泵系統(tǒng)，采用控制器控制安裝在氣瓶?jī)?nèi)部的往復(fù)式低溫泵將氣瓶?jī)?nèi)低溫 LNG液體抽出并加壓，取代了現(xiàn)有 LNG供給系統(tǒng)中自增壓，降低了氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率，減少了系統(tǒng)安全隱患，提高了系統(tǒng)供氣穩(wěn)定性，今后必將廣泛地應(yīng)用于車用LNG供氣系統(tǒng)中。

[1] 朱圣良等.低溫液體泵設(shè)計(jì)及模擬分析. 真空與低溫 2011.8:27- 30.

[2] 王芳. 低溫液體運(yùn)輸車輕量化設(shè)計(jì)的研究. 機(jī)械制造與研究, 200610:30-32.

[3] 柯賢志. 淺析LNG在商用車中的應(yīng)用[J]. 汽車實(shí)用技術(shù),2014年第3期:14-17.

Design and research of the LNG booster pump system for vehicle

Wang Gang, Wu Runhan
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper introduces a LNG booster pump system for vehicle, instead of the self-pressurized device of the existing LNG system. The reciprocating LNG cryogenic pump in this system, controlled by the signals from the engine, LNG system, environmental temperature and so on, can pump the cryogenic LNG liquid from the LNG tank. Then the cryogenic LNG liquid is vaporized by the vaporizer. And finally, the LNG gas enters into the engine for the vehiclethrough the buffer tank, electromagnetic shut-off valve, the regulator and other engine attachment in turn. The system provided in this paper solved the problems of unstable gas supply, high security hidden danger, and poor thermal insulation performance of LNG tank in the self-pressurized LNG system.

booster pump; vaporizer; buffer tank.

王崗，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司。

U469.75

A

1671-7988 （2016）06-57-03