LNG-CNG共用系統(tǒng)的設(shè)計及試驗研究

王崗，申曉霞，孟林昆（陜西重型汽車有限公司， 西安 710200）

LNG-CNG共用系統(tǒng)的設(shè)計及試驗研究

王崗，申曉霞，孟林昆
（陜西重型汽車有限公司， 西安 710200）

本論文介紹了一種LNG-CNG共用系統(tǒng)，包括LNG、CNG燃料共用及CNG向LNG氣瓶增壓，解決了寒區(qū)LNG重卡暖機速度慢及氣瓶壓力升壓慢或升不上去的問題。論文還針對采用該系統(tǒng)的一款LNG-CNG共用牽引車進行了暖機試驗，LNG、CNG切換平順性試驗以及CNG向LNG氣瓶增壓試驗，驗證了LNG-CNG共用系統(tǒng)的可行性；通過對LNG及CNG用氣量的計算，得到LNG氣瓶及CNG氣瓶最佳容積匹配。

LNG-CNG共用系統(tǒng)；增壓；燃料共用

前言

LNG以其綠色環(huán)保性、安全性能高、價格低、儲存密度大、續(xù)駛里程長等優(yōu)點［1-3］，廣泛應(yīng)用于重卡行業(yè)。然而，LNG重卡也存在著諸多問題需要我們進一步去研究、改進：（1）在氣溫較低的地區(qū)，LNG車由于汽化吸熱需要發(fā)動機冷卻液溫較高時才可使用，因此，較CNG車及柴油車起動慢；（2）LNG重卡在加液站剛加完液或氣瓶內(nèi)液量值較低時氣瓶壓力升壓慢或升不上去，在寒區(qū)尤為嚴重。而事實上，西北、東北以及俄羅斯等寒冷地區(qū)正是天然氣存量大、價格低廉的區(qū)域，這兩項問題導(dǎo)致目前寒區(qū)LNG重卡客戶抱怨特別嚴重。本論文提出一種LNG-CNG共用技術(shù)解決上述寒區(qū)LNG重卡存在的問題，該技術(shù)在常規(guī)LNG汽車上增加一個CNG氣瓶及相關(guān)管路元件，可同時實現(xiàn)CNG向LNG氣瓶的快速增壓以及CNG替代LNG向發(fā)動機進行供氣。

1　LNG-CNG共用系統(tǒng)設(shè)計

1.1LNG-CNG共用系統(tǒng)設(shè)計原則

LNG-CNG共用供氣系統(tǒng)采用LNG作為主要燃料，CNG作為快速增壓裝置及備用燃料，由于CNG在氣瓶中主要以常溫高壓氣態(tài)形式存儲［4］，LNG在LNG氣瓶中以低溫低壓飽和液的方式存儲［4-5］，而氣體發(fā)動機對要求以氣態(tài)CNG/LNG進行供氣，溫度在30℃～50℃、壓力在0.8MPa～1.2MPa的范圍內(nèi)。因此，LNG-CNG共用系統(tǒng)的主要工作流程如圖1所示：

1.1.1LNG、CNG燃料共用技術(shù)

在常規(guī)LNG汽車上，增加CNG供氣系統(tǒng)，于緩沖罐前將LNG、CNG燃氣管路進行合并，通過電器元件控制LNG電磁閥與CNG供氣減壓閥1進行供氣方式切換。開啟時默認啟動CNG方式，保證發(fā)動機正常啟動，冷卻液在水浴汽化器里開始循環(huán)，冷卻液溫度達到預(yù)期溫度、氣瓶壓力達到供氣壓力時，可通過控制電器元件將供氣方式切換至LNG模式，兩種供氣方式實現(xiàn)互鎖功能。其余狀態(tài)，用戶可根據(jù)需要自行切換供氣方式。

1.1.2CNG向LNG氣瓶增壓技術(shù)

在CNG向LNG氣瓶增壓技術(shù)方面，由于國內(nèi)加液站未配備增壓泵，重卡在一般LNG加液站剛卸完液進行加液后，氣瓶內(nèi)壓力可能低至0.4MPa～0.5MPa，此時發(fā)動機無法啟動，或者出現(xiàn)低壓報警；如果單靠傳統(tǒng)自增壓，在寒區(qū)需可能增壓很長時間，才能勉強達到發(fā)動機使用要求；而將高壓CNG進行減壓后充入LNG氣瓶增壓，則能大大提高LNG氣瓶增壓速度。另外，當(dāng)氣瓶內(nèi)液量為20%以下時，自增壓常常無法滿足發(fā)動機使用，氣瓶壓力一直呈緩慢下降的趨勢，導(dǎo)致發(fā)動機出現(xiàn)動力不足的現(xiàn)象，而采用CNG向LNG氣瓶增壓則可有效避免該項問題。

1.2LNG-CNG共用系統(tǒng)方案設(shè)計

考慮到LNG、CNG各自自身物性特點、操作安全性以及維修方便性，LNG-CNG共用系統(tǒng)中需要增壓各輔助元器件以實現(xiàn)該系統(tǒng)的正常使用及維護，具體方案如圖2所示：

1.2.1LNG、CNG燃料共用工作流程

當(dāng)LNG供氣時，液態(tài)LNG從LNG氣瓶2中出來，經(jīng)過內(nèi)止回閥14、LNG出液閥15、過流閥16，由汽化器17汽化為氣態(tài)LNG，再通過電磁閥33、緩沖罐35，由穩(wěn)壓器36穩(wěn)定后進入發(fā)動機，若LNG氣瓶2內(nèi)壓力高于經(jīng)濟閥壓力時，氣態(tài)LNG也可從LNG氣瓶2氣相空間出來，與液態(tài)LNG形成氣液混合物，向發(fā)動機供氣；當(dāng)CNG供氣時，高壓CNG從CNG氣瓶28中出來，經(jīng)過CNG過流閥24、CNG總截止閥20、放空閥25、高壓粗濾器26、高壓精濾器27，并由CNG供氣減壓器29減壓為低壓氣體后，進入緩沖罐35，再經(jīng)過穩(wěn)壓器36進入發(fā)動機。LNG與CNG供氣切換由LNG、CNG供氣切換模塊控制電磁閥33及CNG供氣減壓器29而實現(xiàn)。

1.2.2CNG向LNG氣瓶增壓工作流程

當(dāng)CNG向LNG氣瓶增壓時，高壓CNG從CNG氣瓶28中出來，經(jīng)過CNG過流閥24、CNG總截止閥22、放空閥25、高壓粗濾器26、高壓精濾器27、CNG增壓截止閥30，由減壓器（CNG-＞LNG氣瓶）31減壓為低壓氣體，再通過調(diào)壓閥（CNG-＞LNG氣瓶）32、回氣截止閥12進入LNG氣瓶氣相空間，實現(xiàn)LNG氣瓶的增壓。其中，CNG向LNG氣瓶增壓的啟閉由CNG總截止閥22、CNG增壓截止閥30及回氣截止閥12共同控制；調(diào)壓閥（CNG-＞LNG氣瓶）32可保證LNG氣瓶壓力到達其設(shè)定值時，增壓自動停止，節(jié)約CNG的用量。

1.2.3系統(tǒng)輔助工作流程

液態(tài)LNG由重力從LNG氣瓶2中出來，經(jīng)增壓截止閥4、自增壓調(diào)壓閥3，由自增壓盤管1充分與空氣進行熱交換成為氣態(tài)LNG，并通過回氣截止閥12實現(xiàn)LNG氣瓶的自增壓，可對CNG向LNG氣瓶增壓提供輔助增壓，節(jié)約CNG的用量；LNG經(jīng)由LNG加液口11、進液單向閥5進入LNG氣瓶2，實現(xiàn)LNG氣瓶的加液；CNG經(jīng)由CNG加氣口11、CNG進氣截止閥22、單向閥23及CNG過流閥24進入CNG氣瓶28，實現(xiàn)CNG氣瓶的加氣；LNG回氣口10可在加液時氣瓶壓力過高導(dǎo)致加液速度慢或加液加不進去時接通，使LNG氣瓶2中氣相LNG排出；主安全閥6、副安全閥7、增壓管路安全閥9以及供氣管路安全閥37可分別在LNG氣瓶2、增壓管路及供氣管路出現(xiàn)壓力過高時自動起跳進行減壓，保證系統(tǒng)的安全性；LNG氣瓶壓力表8、CNG氣瓶壓力表19以及供氣管路壓力表34可方便用戶實時監(jiān)控LNG氣瓶2、CNG氣瓶28以及供氣管路的壓力。

2　LNG-CNG共用系統(tǒng)試驗

以某LNG-CNG共用牽引車為研究對象，如圖3所示，其驅(qū)動形式為6×4，軸距為3775+1400，列車總質(zhì)量為55T，選用WP12NG400E50發(fā)動機、12JSD200T變速器以及MAN13T雙級減速橋，前軸采用MAN7.5T前軸，采用12.00R20子午胎，供氣系統(tǒng)采用LNG-CNG共用系統(tǒng)。對該牽引車中CNG向 LNG增壓效果、CNG供氣的暖機效果以及LNG與CNG供氣切換平順性進行試驗驗證。

2.1暖機試驗

通過測量CNG啟動待LNG能正常使用時，發(fā)動機冷卻液溫度升高時間、CNG用氣量，驗證LNG-CNG重卡暖機效果以及此階段CNG用氣量。

在環(huán)境溫度為-5℃，車輛滿載，車速為0-40km/h，發(fā)動機初始冷卻液溫度為0℃，暖機至發(fā)動機冷卻液溫度為50℃時，所需暖機時間為5min，CNG使用量為1.6 Nm3。

2.2CNG、LNG切換平順性試驗

當(dāng)CNG、LNG均能進行正常供氣時，進行CNG、LNG供氣切換，驗證LNG、CNG供氣切換的平順性，保證車輛在運行狀態(tài)中可任意切換供氣方式。

在環(huán)境溫度為-5℃，車輛滿載，車速為20-60km/h時，每1公里進行一次LNG/CNG供氣切換，共試驗30次，切換順利，無任何異常狀況出現(xiàn)。

2.3CNG向LNG氣瓶增壓試驗

通過測試LNG-LNG兩用牽引車剛加完液，環(huán)境溫度較低的情況下，LNG自增壓時間以及CNG向LNG氣瓶增壓用氣量和增壓時間，確定CNG向LNG增壓效果。

在環(huán)境溫度為-5℃，車輛滿載，LNG液量為80%、初始壓力為0.5MPa時，采用LNG自增壓至LNG氣瓶壓力為0.8Mpa，需進行怠速增壓40min，方可使用；而同樣初始條件下，采用CNG向LNG氣瓶增壓，則需要怠速增壓5min即可達到行車要求，而由于LNG氣瓶內(nèi)部熱交換速度低于CNG增壓速度，故在實際使用中，用CNG增壓啟動后，需繼續(xù)開啟CNG增壓模式行駛20min，保證LNG氣瓶內(nèi)部熱交換充分，此時，共需要增壓用CNG量為3.84Nm3。

3　LNG、CNG氣瓶容積匹配計算

上述6×4 LNG-CNG共用牽引車2×450L的LNG氣瓶續(xù)駛里程 K 為：

其中，η = 0.9，為LNG氣瓶充裝率；

v為LNG氣瓶容積；

e 為該F3000 6×4牽引車氣耗。

而用戶在實際使用牽引車時，平均行駛速度v約為60km/h，每天工作時間t 約為12小時，每天行駛里程數(shù)L為：

L= vt = 60×12 =720km

則該重卡加一次LNG可使用1-2天。由于LNG重卡在停駛12小時以上需暖機，在加液站加液后需CNG向其快速增壓。因此，若CNG加氣與LNG加液頻次相同，則若CNG容量可供該重卡暖機2次，增壓2次（兩LNG氣瓶各一次），可認為其容量匹配合適。

而根據(jù)2.1試驗結(jié)果確定LNG環(huán)境溫度為-5℃，車輛滿載時，CNG暖機至LNG燃料正常使用的使用量E1為

一般LNG加液站剛卸完液的液體溫度為-140℃～-120℃，根據(jù)深冷液體飽和特性，其對應(yīng)的飽和壓力為0.5MPa以上。因此，可根據(jù)2.3試驗結(jié)果確定CNG單次向LNG氣瓶增壓用氣量E2最多為3.84 Nm3。

因此，每次LNG加液需要的CNG量E為：

而常規(guī)單80L CNG氣瓶的容量E0為：

其中，η0=0.9，為CNG氣瓶使用率；V0=80L，為CNG氣瓶容積；P=20MPa，為CNG氣瓶加氣后瓶內(nèi)壓力；

因此，本LNG-CNG重卡采用80LCNG氣瓶匹配2×450的LNG氣瓶，即可滿足使用要求。

4　結(jié)論

本文結(jié)合LNG和CNG供氣系統(tǒng)自身的優(yōu)缺點，解決了LNG重卡在寒區(qū)啟動慢、LNG氣瓶升壓慢或升不上去而導(dǎo)致發(fā)動機動力不足等問題。

突破了LNG供氣系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸，最大化體現(xiàn)LNG和CNG供氣系統(tǒng)的特點，極大提高重卡的運輸效率，為燃氣經(jīng)濟性帶來大的經(jīng)濟效益。

［1］馮陳玥等. LNG汽車發(fā)展現(xiàn)狀及相關(guān)問題分析［J］.研究與探討，2014.2：32-35.

［2］張明鋒等. LNG燃料汽車的應(yīng)用研究［J］.能源研究與管理，2013（2）：49-52.

［3］王永偉等. LNG氣瓶的優(yōu)點及發(fā)展現(xiàn)狀研究［J］.大眾汽車，2013年第19卷第2期：12-14.

［4］李永昌. CNG汽車與LNG汽車的簡要比較［J］.城市公共交通，2014（4）：25.

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

專家推薦

劉正白：

LNG-CNG共用系統(tǒng)的設(shè)計及試驗研究具有理論意義和實用價值，為這方面的應(yīng)用研究提供了一個很好的參考。值得發(fā)表。

Design and Experimental Research of a LNG-CNG Shared System

WANG Gang, SHEN Xiao- xia, MENG Lin- kun
（ Shanxi Heavy Duty Automobile Co., Xi'an 710200, China ）

This paper provides a LNG-CNG shared system, including a subsystem of fuel sharing of LNG -CNG and a pressurization subsystem for LNG tank by CNG, to shorten warm-up time of LNG vehicle and solve the problem that the LNG tank pressure boost slow or does not rise up. In order to verify the feasibility of LNG-CNG shared systems, a heavy duty vehicle with the LNG-CNG shared system is used for the experiments of warm-up, switching of LNG and CNG, and pressurization from CNG cylinder to LNG tank. At last, an optimum matching relationship of LNG cylinder and CNG tank is obtained by the calculation of LNG and CNG gas consumption.

a LNG-CNG shared system； pressurization； fuel sharing

U464.136

A

1005-2550（2016）03-0052-04