10 m液化天然氣校車設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

李普尉

(廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司, 福建 廈門(mén) 361023)

天然氣以其環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，已成為汽車傳統(tǒng)燃料的主要替代能源之一。LNG汽車是未來(lái)天然氣汽車的發(fā)展方向，也是城市規(guī)?；l(fā)展天然氣汽車的理想途徑。LNG在城市客車中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,但是在校車市場(chǎng)上還很少。廈門(mén)金龍10 m LNG校車就是根據(jù)市場(chǎng)要求，精心打造的一款設(shè)計(jì)新穎、布局合理的天然氣汽車。

1 整車開(kāi)發(fā)

1.1 車身設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1) 車身造型。充分考慮空氣動(dòng)力學(xué)原理，大曲面、小圓角相結(jié)合，前圍造型飽滿使其有親和力，前大燈張揚(yáng)且炯炯有神，前部長(zhǎng)鼻子造型線條流暢，富有靈性，后圍造型整體富有層次而有形。

2) 全承載車身骨架。采用高強(qiáng)度鋼、封閉環(huán)結(jié)構(gòu)骨架和張拉蒙皮車身，前后圍整體式?jīng)_壓覆蓋件，在有效提高車身剛度和強(qiáng)度的同時(shí)使整車重量大大降低。采用整車骨架陰極電泳技術(shù)，大大延長(zhǎng)整車骨架的使用壽命。

3) 駕駛區(qū)。整體式儀表臺(tái)豪華大方，按鈕觸手可及，可調(diào)節(jié)豪華駕駛員座椅，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)來(lái)布置的駕駛區(qū)，處處體現(xiàn)出人性化設(shè)計(jì)，有效地降低駕駛員的工作強(qiáng)度，降低駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕駛的疲勞感，保證駕車安全。

4) 內(nèi)飾。車身內(nèi)飾軟化處理，采用阻燃性能好的高品質(zhì)材料，專用學(xué)童座椅，全車安全帶，配置高級(jí)立體音響和視聽(tīng)設(shè)備，提供舒適、優(yōu)雅的空間。

5) 整體式翻轉(zhuǎn)引擎蓋。前圍引擎蓋采用整體式翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，方便對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部進(jìn)行檢修。

6) 主動(dòng)安全性。搭載TOPVIEW全景環(huán)視、車道偏離報(bào)警、全車自動(dòng)破窗器、自動(dòng)滅火裝置、緊急逃生門(mén)等一系列主被動(dòng)安全技術(shù)；同時(shí)，車輛配備的 “智慧校車運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)”，可以實(shí)時(shí)對(duì)駕駛員、學(xué)生、車輛的行為活動(dòng)進(jìn)行智能化監(jiān)控，確保校車運(yùn)營(yíng)安全。

1.2 底盤(pán)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1) 配置符合國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的玉柴YC6J210N-40直列、中冷、渦輪增壓LNG發(fā)動(dòng)機(jī)，裝配美國(guó)全套進(jìn)口電控供氣裝置、點(diǎn)火系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，配天然氣三元催化排氣后處理系統(tǒng)，額定功率/轉(zhuǎn)速為155 kW/2 500 r/min,最大扭矩/轉(zhuǎn)速為710 N·m/1 500 r/min,發(fā)動(dòng)機(jī)還配置限速裝置，最高車速不大于80 km/h[1]。

2) 校車專用底盤(pán)制動(dòng)器總成，按前盤(pán)后鼓形式配置，東風(fēng)德納系列前、后橋，主減速器為精磨齒輪；后橋制動(dòng)蹄片為加寬形式。

3) 前雙向阻尼筒式減振器和前后少片簧組合式設(shè)計(jì)，配合橫向穩(wěn)定桿減噪固定結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，有效降低前懸架噪聲，大大提高了整車的駕乘舒適性。

4) 采用雙回路氣壓制動(dòng)系統(tǒng)(行車制動(dòng))，儲(chǔ)能彈簧駐車制動(dòng)，成熟可靠的動(dòng)力轉(zhuǎn)向器，配置電渦流緩速器(輔助制動(dòng))，ABS及制動(dòng)間隙調(diào)整臂，集中潤(rùn)滑系統(tǒng)，提高車輛的主動(dòng)安全性。

1.3 LNG供氣系統(tǒng)

LNG供氣系統(tǒng)由LNG鋼瓶、電控調(diào)壓器、汽化器、液位儀、空氣濾清器、緩沖罐、安全裝置(如過(guò)流閥、安全閥和防爆片)以及一系列閥件(如充液閥、截止閥和單向閥等)、混合器等組成，其工作原理如圖1所示[2-3]。

圖1 LNG供氣系統(tǒng)工作原理圖

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，主安全閥門(mén)打開(kāi)，LNG鋼瓶?jī)?nèi)的LNG通過(guò)鋼瓶自身的壓力，通過(guò)控制閥和燃料限流閥進(jìn)入汽化器中。汽化器通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)回水對(duì)LNG加熱，在汽化器中LNG被汽化成氣態(tài)天然氣。當(dāng)氣體通過(guò)調(diào)壓器時(shí)，該系統(tǒng)采用電控調(diào)壓方式來(lái)控制天然氣量，最后天然氣與經(jīng)過(guò)空氣濾清器過(guò)濾后的空氣在混合器中混合成為發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料[4-5]。為了增加供氣管路上的氣體容量，在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，保持供氣壓力的相對(duì)穩(wěn)定，在LNG汽車的供氣管路上，還裝有天然氣緩沖罐。

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵

2.1 車載LNG鋼瓶的選擇

車用LNG 鋼瓶一般分為常規(guī) LNG 鋼瓶和增壓 LNG 鋼瓶。鋼瓶最佳使用壓力在0.8～1.2 MPa之間，本車選擇增壓LNG鋼瓶，保證鋼瓶壓力不小于0.8 MPa， 鋼瓶通常采用高真空多層纏繞絕熱型式，如圖2所示[6]。

1—一級(jí)安全閥; 2—二級(jí)安全閥; 3—過(guò)流閥; 4—充液?jiǎn)蜗蜷y; 5—放空閥; 6—信號(hào)盒; 7—回氣閥; 8—壓力表閥; 9—經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)器; 10—增壓回氣軟管; 11—增壓閥; 12—增壓出液軟管; 13—升壓調(diào)節(jié)器圖2 LNG 鋼瓶示意圖

鋼瓶容積的選擇:LNG汽車的續(xù)駛里程一般在400～500 km,與燃油汽車相當(dāng)[7],參考此續(xù)駛里程來(lái)選擇合適的鋼瓶。10 m校車主要用于學(xué)校接送學(xué)生用，每天接送學(xué)生兩趟，行駛里程約為 140 km，每3天加一次LNG,3天校車行駛里程為420 km，選用的LNG鋼瓶容積至少要滿足這個(gè)續(xù)駛里程。10 m校車的百公里CNG氣耗量約為35 m3，行駛420 km需要?dú)夂牧考s為4.2×35=147 m3。壓縮天然氣(CNG)在- 162 ℃低溫下由氣態(tài)變?yōu)橐后w，其體積僅為氣態(tài)的1/625[8],則所需LNG量為147 × 1 000 /625=235 L。由于每個(gè)鋼瓶的LNG都不能使用完，需要有保底容積，因此選用的鋼瓶容積要大于235 L。根據(jù)鋼瓶廠家提供的產(chǎn)品系列型號(hào)，選擇在 10 m 長(zhǎng)左右的LNG 校車上裝配275 L 的 LNG 鋼瓶。

2.2 LNG鋼瓶的布置

LNG鋼瓶常用的布置方式有后置和中置兩種，XMQ6100AS校車是發(fā)動(dòng)機(jī)前置，平地板結(jié)構(gòu)，后圍帶安全門(mén)，鋼瓶后置沒(méi)有空間，所以采用中置方案。車輛左側(cè)布置電瓶和加熱器，LNG鋼瓶縱向布置在車輛右側(cè)中部，并在鋼瓶外部增加防護(hù)欄，防護(hù)欄內(nèi)側(cè)增加橡膠墊帶；LNG汽化器和LNG緩沖罐組件布置在鋼瓶前部，加液面板安裝在鋼瓶后部，如圖3所示。

1—加液面板； 2—LNG鋼瓶； 3—汽化器； 4—LNG緩沖罐； 5—發(fā)動(dòng)機(jī)總成； 6—防護(hù)欄； 7—加熱器； 8—電瓶圖3 LNG鋼瓶右側(cè)縱向布置示意圖

此布置方式的優(yōu)點(diǎn)是整車載荷較平均，且鋼瓶的拆裝及平時(shí)的維護(hù)與檢查也都比較方便，采用此布置方式也可使加液面板的布置比較合理，使整個(gè)供氣系統(tǒng)比較緊湊。但是在鋼瓶布置和安裝過(guò)程中需注意以下幾點(diǎn)：

1) 鋼瓶側(cè)布置縱向安裝時(shí)，鋼瓶的閥門(mén)、儀表端應(yīng)朝向車輛后部，鋼瓶安裝后任何部分不得超出車輛外部輪廓邊緣?？紤]到檢修問(wèn)題，鋼瓶的閥門(mén)、儀表端位置與后部還應(yīng)保留400 mm以上的可操作空間。

2) 鋼瓶與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的距離應(yīng)不小于200 mm；當(dāng)距離小于200 mm時(shí)應(yīng)有可靠的隔熱裝置，避免鋼瓶直接受熱。

3) 鋼瓶安裝在右側(cè)獨(dú)立的行李艙內(nèi)，要考慮內(nèi)部通風(fēng)散熱問(wèn)題，鋼瓶底部封板要開(kāi)散熱孔，外側(cè)行李艙門(mén)也需要開(kāi)格柵孔，保證通風(fēng)、換氣。

4) 加液面板應(yīng)安裝牢固，固定構(gòu)件應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，應(yīng)能滿足加氣槍、回氣槍正常的對(duì)接和分離操作。加液口的位置和高度要考慮安全防護(hù)要求并且便于加液操作,加液口離地高度應(yīng)不低于500 mm而不高于1 300 mm，加液口與車輛外廓邊緣的距離應(yīng)不小于50 mm[9]。

5) 利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水作為汽化器的加熱源，安裝時(shí)應(yīng)當(dāng)注意LNG進(jìn)口與冷卻水的進(jìn)口方向一定要相同(并流方式)，否則汽化器出口的溫度可能過(guò)高,或者冬天汽車啟動(dòng)時(shí)汽化器結(jié)霜甚至結(jié)冰。汽化器的安裝位置應(yīng)盡量離鋼瓶出液口近，最遠(yuǎn)不大于 3 m，否則可能造成汽化能力下降。

6) 鋼瓶在充裝前應(yīng)當(dāng)檢查低溫進(jìn)液口內(nèi)是否有水分、雜質(zhì)等，如有水分，在充液時(shí)，水分會(huì)迅速凝結(jié)成冰塊。而冰塊有可能堵塞進(jìn)液閥和低溫進(jìn)液口甚至進(jìn)入瓶?jī)?nèi)。堵塞造成低溫進(jìn)液口和進(jìn)液閥等關(guān)閉不嚴(yán)而產(chǎn)生泄露，甚至造成密封面的損壞。如果冰塊進(jìn)入鋼瓶?jī)?nèi)部，可能會(huì)在出液過(guò)程中堵塞在出液閥處，造成供液不暢，使得發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足甚至無(wú)法啟動(dòng)。如有雜質(zhì)，雜質(zhì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)則有可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)的損壞。所以在充液前，應(yīng)當(dāng)確保水分和雜質(zhì)被完全清除干凈。另外還要查看鋼瓶壓力表是否為0，如果為0，應(yīng)當(dāng)對(duì)鋼瓶進(jìn)行吹掃，氣密性重檢后再進(jìn)行充裝。如果發(fā)現(xiàn)鋼瓶外表有結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象，則不能充裝，必須把鋼瓶返廠維修。

2.3 LNG鋼瓶支座的設(shè)計(jì)

LNG鋼瓶的安裝支座應(yīng)當(dāng)具有防止鋼瓶出現(xiàn)振動(dòng)、松動(dòng)、滑移或旋轉(zhuǎn)的功能。鋼瓶采用環(huán)型抱箍固定，抱箍與鋼瓶之間、鋼瓶與固定支座之間增加厚度為5 mm的橡膠墊，固定螺栓采用高強(qiáng)度螺栓，并帶鎖止功能。為防止鋼瓶左右晃動(dòng)，甚至脫落，鋼瓶采用半圓型支座進(jìn)行固定，如圖4所示。

1—環(huán)型抱箍； 2—LNG鋼瓶； 3—鋼瓶支座； 4—固定托架圖4 鋼瓶支座結(jié)構(gòu)示意圖

275 L鋼瓶(充滿)重量290 kg,鋼瓶支座及下部固定托架骨架結(jié)構(gòu)都進(jìn)行加強(qiáng)處理，下部固定托架采用兩根縱向的槽型折彎件50 mm × 100 mm × 50 mm,厚度6.0 mm,橫向均勻布置了6根相同規(guī)格的槽型件，保證了足夠的強(qiáng)度。

2.4 供氣管路的布置

LNG 供氣系統(tǒng)管路一般分成兩部分: 一部分是從加液面板到LNG鋼瓶，再經(jīng)過(guò)汽化器到LNG緩沖罐，這部分連接管路是由 LNG 鋼瓶生產(chǎn)廠家提供; 另一部分是從LNG緩沖罐到發(fā)動(dòng)機(jī)，這部分軟管一般由主機(jī)廠自己配置(緩沖罐出氣軟管)和發(fā)動(dòng)機(jī)廠家配置(電控調(diào)壓閥及低壓進(jìn)氣軟管)。在管路布置中應(yīng)注意:

1) 管路應(yīng)排列整齊，布置合理，不應(yīng)與相鄰部件碰撞或摩擦，管路固定卡間距不大于600 mm[10]。

2) 低溫管路與車輛的電氣線路、 油管路、水管路、 氣管路等不耐低溫的線路以及車架之間要保持 20 mm 以上的距離。

3) 要設(shè)置放空管路，其放空口應(yīng)位于車輛頂部，并應(yīng)設(shè)置保護(hù)罩，以防止雨水、灰塵進(jìn)入。

4) 在LNG緩沖罐進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的管路系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)設(shè)置低壓濾清器，過(guò)濾管道系統(tǒng)中的鐵屑、灰塵等雜質(zhì)，以免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成損傷。

5) 由于LNG的液氣比較高，LNG一旦泄漏將非常危險(xiǎn)，所以供氣系統(tǒng)管路不僅要進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，同時(shí)還要進(jìn)行低溫冷試。另外還需要增加漏氣報(bào)警裝置，以提高其安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

天然氣燃料汽車，與汽柴油汽車相比，具有一定的環(huán)保性，目前發(fā)展比較成熟，已形成了生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、綜合應(yīng)用等完整的產(chǎn)業(yè)鏈。天然氣汽車技術(shù)日益成熟，在市場(chǎng)上的占有率也越來(lái)越大，其相對(duì)汽柴油汽車的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越明顯。 未來(lái)天然氣在校車上的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越普及。

參考文獻(xiàn)：

[1] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).專用校車安全技術(shù)條件:GB 24407-2012[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2012:4.

[2] 劉力楠,王玉紅.LNG供氣系統(tǒng)在城市公交上的應(yīng)用[J].大眾科技,2014,16(5):46-47.

[3] 黃海波.壓縮天然氣汽車改裝與維修[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,1999:125-135.

[4]《汽車工程手冊(cè)》編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè)[K].北京:人民交通出版社,2001:5-7.

[5] 辛康智.LNG車供氣系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].陜西汽車制造,2008,4(6):7-8.

[6] 陸瑞輪.LNG客車供氣系統(tǒng)的安裝設(shè)計(jì)[J].汽車零部件,2013,8(2)：84-86.

[7] 袁仲榮.我國(guó)LNG城市客車的發(fā)展前景[J].汽車零部件,2011,6(6)：74-76.

[8] 全國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).液化天然氣的一般特性:GB/T 19204-2003[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003:1-2.

[9] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).液化天然氣客車技術(shù)要求:JT/T 1028-2016[S].北京:人民交通出版社,2016:2.

[10] 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).液化天然氣汽車專用裝置安裝要求:GB/T 20734-2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2007:2.