王崗,鐘小康,王鳳蛟
(陜西重型汽車有限公司,陜西 西安 710200)
國內(nèi)加液站提供壓力0.4MPa~0.6MPa、溫度為-132℃~-138℃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)該問題,LNG 供給系統(tǒng)自帶增壓設(shè)備,對(duì)LNG 氣瓶氣相進(jìn)行增壓。液化天然氣汽車供應(yīng)燃料為壓縮天然氣,氣瓶壓力決定了車輛是否正常運(yùn)行。影響燃?xì)膺M(jìn)氣壓力的主要因素為LNG 氣瓶壓力。依據(jù)熱力學(xué)原理:LNG 氣瓶壓力即為當(dāng)前氣瓶內(nèi)膽飽和液體溫度相對(duì)應(yīng)的壓力。此時(shí)氣瓶增壓的方式有兩種,一種為增加液體溫度后升壓但速度較慢;另一種為僅增加氣瓶氣相空間壓力速度快。國內(nèi)現(xiàn)有主流的增壓方式為僅增加氣瓶氣相空間壓力提升氣瓶壓力,來滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用。
當(dāng)氣瓶壓力低于發(fā)動(dòng)機(jī)許用壓力時(shí),此時(shí)車輛動(dòng)力不足和不能啟動(dòng),氣瓶需要增壓。增壓時(shí)間和增壓速率為影響液化天然氣汽車競爭力因素之一,因此降低增壓時(shí)間和提升增壓速率非常有必要。
后置1000L 大容積LNG 氣瓶因其容積大、自重輕、續(xù)駛里程長等優(yōu)點(diǎn),完全替換原有的后置LNG 雙500L 系統(tǒng),成為液化天然氣汽車主流配置。氣瓶容積增大,增壓設(shè)備未加大,增壓速率降低,增壓時(shí)間延長,影響了用戶體驗(yàn),降低了液化天然氣汽車的競爭力。故LNG 供給系統(tǒng)提升增壓速率、降低增壓時(shí)間,迫在眉睫。
LNG 氣瓶增壓裝置由增壓截止閥14、增壓閥13、增壓盤管6 等部件組成。在增壓時(shí),需要保證除增壓截止閥14和放空截止閥21 開啟,氣瓶和增壓管路可以形成一個(gè)密閉的循環(huán)空間。開啟增壓截止閥14,低溫液體通過增壓閥13,然后經(jīng)過自增壓盤管6 被加熱成飽和蒸汽,通過放空截止閥21后,進(jìn)入氣瓶氣相空間(氣瓶頂部)。由于液化天然氣的液氣比較大,輸出較少的液體會(huì)變成大量的蒸汽,同時(shí)在密閉的循環(huán)空間,增加的氣體體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸出的液體體積,再有氣體具有可壓縮性,從而使得氣瓶的壓力升高。當(dāng)氣瓶壓力升至需要的壓力(增壓閥的設(shè)定壓力)時(shí),增壓閥13 自動(dòng)關(guān)閉,氣瓶壓力不再升高,壓力維持穩(wěn)定。具體原理見圖1。
圖1 LNG 系統(tǒng)原理圖
圖2 增壓閥結(jié)構(gòu)
增壓閥主要用于LNG 氣瓶增壓裝置,作為LNG 氣瓶增壓裝置的控制裝置。在出廠時(shí)增壓閥設(shè)定壓力已調(diào)整到位,若增壓閥關(guān)閉壓力與設(shè)定壓力不一致,可通過調(diào)整增壓閥調(diào)節(jié)螺釘8,調(diào)整增壓閥的設(shè)定壓力。增壓閥出口(OUT)壓力低于設(shè)定壓力時(shí),彈簧2 受力降低后伸長,使膜片7 下移頂開閥瓣6,閥瓣彈簧5 壓縮。LNG 由進(jìn)口(IN)入,經(jīng)閥瓣6 縫隙,由出口(OUT)出后,進(jìn)增壓盤管,液體氣化后,進(jìn)入氣瓶,氣瓶壓力升高。隨著增壓閥的使用,壓力作用在膜片上,閥瓣彈簧5 伸長,推動(dòng)閥瓣6 隨之向關(guān)閉方向移動(dòng),當(dāng)壓力超過設(shè)定壓力,閥瓣6 關(guān)閉,停止增壓。當(dāng)隨著氣瓶內(nèi)壓力降低,在膜片彈簧2 作用下膜片7 下移,閥瓣彈簧5壓縮,閥瓣6 隨之向開啟方向移動(dòng),閥瓣開啟給氣瓶升壓。增壓閥結(jié)構(gòu)見圖2。
現(xiàn)今LNG 氣瓶內(nèi)膽和外膽之間增壓連接管外徑為14mm,內(nèi)徑為10mm,此規(guī)格再增大,會(huì)導(dǎo)致瓶體安全隱患大。通過分析增壓閥閥體結(jié)構(gòu)(見圖3),影響增壓閥速率的主要因素為閥體的進(jìn)出接口通徑(φ2)和閥瓣直徑(φ1)、開啟高度(H),以及流道的結(jié)構(gòu)。通常增大閥體的進(jìn)出接口通徑和閥瓣的直徑、開啟高度,以及優(yōu)化流道的結(jié)構(gòu)可提升增壓速率。閥體通徑最大10mm 即為極限,閥瓣的直徑(φ1)、開啟高度(H),以及流道結(jié)構(gòu),應(yīng)盡可能不降低液體流動(dòng)的速度。
圖3 增壓閥閥體結(jié)構(gòu)
通過對(duì)比分析市場中三種主流增壓閥在不同的入口流速、壓力和閥瓣開啟高度下,導(dǎo)致出口壓降的差異,得出最優(yōu)的增壓速率提升方案。分析條件見表1、閥體結(jié)構(gòu)見圖3、閥體參數(shù)見表2。
表1 分析條件表
表2 閥體參數(shù)表
圖4 液體流向
在不同流速下,通過對(duì)比三種增壓閥液體流向(見圖4)和出口壓降情況(見表三),得出初始?jí)毫?duì)增壓閥的流阻影響較小。其中C 型增壓閥液體流動(dòng)時(shí)通過閥瓣的折彎角度較小,在兩個(gè)不同速度下的出口壓降均小于其他兩種增壓閥。
表3 出口壓降表
三種增壓閥在環(huán)境溫度相差±2℃,增壓閥增壓壓力調(diào)整為1.0MPa,其他部件相同的情況下,1000 L 氣瓶液量在30%±2%時(shí)氣瓶由0.45MPa 升至0.9MPa 增壓時(shí)間。其中增壓閥A 從0.45MPa 升至0.9MPa 增壓時(shí)間85 分鐘,增壓閥B從0.45MPa 升至0.9MPa 增壓時(shí)間65 分鐘,增壓閥C 從0.45MPa 升至0.9MPa 增壓時(shí)間60 分鐘,具體增壓曲線見圖5。
圖5 增壓曲線圖
上述三種增壓閥流阻CAE 分析和氣瓶增壓速率試驗(yàn)對(duì)比,得出通過增大增壓閥進(jìn)出口通徑、閥瓣直徑以及內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)可大幅降低氣瓶增壓時(shí)間,減少司機(jī)的因氣瓶壓力低的等待時(shí)間,提升液化天然氣汽車的競爭力。