重型牽引車(chē)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳誠(chéng), 周晉雯

(1.湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北十堰 442002；2.東風(fēng)華神汽車(chē)有限公司技術(shù)中心，湖北十堰 442002)

0 引言

國(guó)家實(shí)施“清潔汽車(chē)行動(dòng)”，推行新型潔凈能源汽車(chē)，以減少燃料油中的有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染。作為車(chē)用燃料，天然氣經(jīng)濟(jì)性好、排放性能優(yōu)越。液化天然氣(LNG)儲(chǔ)能密度大，車(chē)輛續(xù)駛里程長(zhǎng)，車(chē)用瓶布置簡(jiǎn)單，加氣站投入少，運(yùn)營(yíng)成本低?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)重型液化天然氣車(chē)的研發(fā)還處于起步階段，開(kāi)發(fā)重型LNG汽車(chē)，一方面響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，同時(shí)也能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 液化天然氣概述

液化天然氣的主要成分是-162 ℃的液態(tài)甲烷，是天然氣經(jīng)凈化、壓縮、冷卻至其沸點(diǎn)溫度后獲得，其中甲烷的含量為82.5%，氮的含量為1.3%，充分燃燒后主要生成二氧化碳和水，遠(yuǎn)比柴油燃燒后的排放物要清潔。正常行駛條件下的LNG車(chē)輛與柴油車(chē)排放對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1排放結(jié)果對(duì)比g·km-1

排放物種類(lèi)LNG柴油CO0.713.02NOx0.140.28HC0.612.03

LNG是一種高效的綠色汽車(chē)燃料，無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒且無(wú)腐蝕性，生產(chǎn)工藝流程短，便于安全運(yùn)輸。LNG燃點(diǎn)為650 ℃，比汽油427 ℃高出200 ℃以上；其爆炸濃度范圍為5%～10%，而汽油是1%～7%；氣化后比空氣要輕，如果發(fā)生泄漏會(huì)立即飛散，很難形成遇火燃燒爆炸的濃度，無(wú)論LNG還是它的蒸汽都不會(huì)在一個(gè)不封閉的環(huán)境下爆炸。因此，LNG在汽車(chē)上使用比汽油更加安全。

2 重型牽引車(chē)參數(shù)

某車(chē)型總質(zhì)量為25 000 kg，整備質(zhì)量8 805 kg，掛車(chē)質(zhì)量40 000 kg，最高車(chē)速95 km/h，軸數(shù)3，軸距(3 850+1 350)mm，外形尺寸(長(zhǎng)/寬/高)為7 515 mm×2 490 mm×3 700 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)功率276 kW，輪胎規(guī)格11.00R20。重型LNG牽引車(chē)的設(shè)計(jì)與柴油車(chē)一樣，必須符合GB 1589-2004、GB 7258-2004等汽車(chē)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)；液化天然氣汽車(chē)專用裝置需符合GB/T 20734-2006《液化天然氣汽車(chē)專用裝置安裝要求》和GB/T 17676-1999《天然氣汽車(chē)和液化石油氣汽車(chē) 標(biāo)志》等標(biāo)準(zhǔn)。

3 LNG發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重型牽引車(chē)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵問(wèn)題是如何將-162 ℃的液態(tài)天然氣轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的氣態(tài)天然氣，供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。

3.1 LNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力要求

LNG發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)要求進(jìn)入電控調(diào)壓器的天然氣壓力一般為0.65～1.38 MPa。如果低于0.65 MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足的情況，而高于1.38 MPa，則發(fā)動(dòng)機(jī)的電控調(diào)壓器(EPR)有可能會(huì)損壞。液化天然氣的飽和壓力與溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，溫度越高，壓力越高，而濃度越小。液化天然氣灌裝到車(chē)用LNG加氣站內(nèi)的液體壓力大約為0.1 MPa。要使液化天然氣的飽和壓力維持在0.65～1.38 MPa之間，則必須調(diào)高液化天然氣的溫度。

3.2 車(chē)用LNG氣瓶設(shè)計(jì)

車(chē)用LNG氣瓶作為一種低溫絕熱壓力容器，是車(chē)輛儲(chǔ)存和供應(yīng)LNG燃料的壓力容器總成。如圖1所示，車(chē)用LNG氣瓶設(shè)計(jì)成雙層真空結(jié)構(gòu)，氣瓶分為外筒體和內(nèi)筒體。內(nèi)筒體用于儲(chǔ)存低溫的LNG。在內(nèi)筒體外壁上纏有多層高絕熱性能的鋁箔和玻璃纖維紙，具有超強(qiáng)的隔熱性能。將內(nèi)筒體與外筒體之間的夾套空間進(jìn)行了高真空技術(shù)處理，共同形成良好的絕熱系統(tǒng)。夾套空間設(shè)置有低溫吸附和常溫吸附裝置，不論在低溫使用或常溫閑置時(shí)，夾套空間的真空度都能始終保持相對(duì)穩(wěn)定。內(nèi)膽上的充液管設(shè)計(jì)成單管多孔嘴噴淋結(jié)構(gòu)，可以減少充裝阻力；充裝時(shí)內(nèi)膽中的部分氣相被液化，以保持壓力相對(duì)穩(wěn)定。

圖1 車(chē)用LNG氣瓶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

外殼和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠承受運(yùn)輸車(chē)輛在行駛時(shí)所產(chǎn)生的相關(guān)外力。內(nèi)膽中的防過(guò)量充裝裝置采用由傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和顯示儀表組成的電容式液位計(jì)，顯示的數(shù)據(jù)隨著LNG液面高度的變化而變化。氣瓶所有管路和閥件都設(shè)置在氣瓶同一端，用護(hù)環(huán)或保護(hù)罩進(jìn)行防護(hù)。

進(jìn)液管路由加液口、進(jìn)液?jiǎn)蜗蜷y以及連接的管道組成，加注完成后進(jìn)液?jiǎn)蜗蜷y會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，以避免LNG倒流；出液管路由出液?jiǎn)蜗蜷y、出液閥、過(guò)流閥以及連接管路組成。汽車(chē)進(jìn)行燃?xì)夤┙o時(shí)，液化天然氣通過(guò)出液?jiǎn)蜗蜷y然后流經(jīng)出液閥和過(guò)流閥進(jìn)入氣化系統(tǒng)。在氣瓶至發(fā)動(dòng)機(jī)之間的管路發(fā)生破裂時(shí)，流速將異常增大，當(dāng)管路流量大于設(shè)定值時(shí)，過(guò)流閥將自動(dòng)關(guān)閉，抑制燃料外泄；經(jīng)濟(jì)回路由經(jīng)濟(jì)閥、出液止回閥、出液閥、過(guò)流閥以及連接管路組成，如在供氣過(guò)程中瓶?jī)?nèi)壓力高于設(shè)定值時(shí)，經(jīng)濟(jì)閥開(kāi)啟，氣瓶頂部氣相空間的飽和蒸汽進(jìn)入供氣管路，此時(shí)出液?jiǎn)蜗蜷y基本處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著氣體的不斷使用，瓶?jī)?nèi)壓力逐漸降低至經(jīng)濟(jì)閥的設(shè)定值后，經(jīng)濟(jì)閥關(guān)閉，回到液體供應(yīng)狀態(tài)。安全系統(tǒng)主要由主安全閥、輔助安全閥、氣瓶壓力表、液位計(jì)、手動(dòng)放空口、回氣口以及連接管路組成。主安全閥在超壓情況下開(kāi)啟，自動(dòng)釋放氣體，設(shè)定壓力一般為1.59 MPa；輔助安全閥設(shè)定壓力一般為2.4 MPa，當(dāng)主安全閥失效時(shí)，輔助安全閥工作，確保氣瓶使用安全。外筒體的保護(hù)是通過(guò)一個(gè)環(huán)形的抽空塞來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如果內(nèi)膽發(fā)生泄漏導(dǎo)致夾套空間壓力超高，抽空塞將自動(dòng)打開(kāi)泄壓。

車(chē)用LNG氣瓶正常運(yùn)行情況下壓力不高于1.59 MPa，汽化器出口壓力不低于氣瓶壓力0.05 MPa；公稱容積500 L，有效容積450 L，充裝系數(shù)0.9；氣壓試驗(yàn)壓力3.18 MPa；設(shè)計(jì)溫度-196 ℃、工作溫度-162 ℃；主體材料為0Cr18Ni9，在汽車(chē)行駛時(shí)應(yīng)能承受4g加速度沖擊。氣瓶外置穩(wěn)壓閥，工作溫度為-196～120 ℃，調(diào)壓范圍0.3～1.2 MPa，公稱通徑DN20 mm,流量能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最大用氣要求。

3.3 供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 站內(nèi)調(diào)壓LNG供氣系統(tǒng)原理

LNG加氣站事先把站內(nèi)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的LNG壓力調(diào)整到0.65 MPa左右，然后灌裝到車(chē)用LNG氣瓶?jī)?nèi)，直接供氣給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，其工作原理如圖2所示。

此時(shí)的LNG帶飽和壓，從氣瓶出來(lái)后就進(jìn)入了汽化器。如圖3所示，汽化器有4個(gè)接口，上面并排的為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水口，與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液水口連接，一個(gè)進(jìn)水口，一個(gè)出水口，形成一個(gè)冷卻小循環(huán)。汽化器內(nèi)的螺旋管浸泡在冷卻液內(nèi)，當(dāng)LNG從汽化器一個(gè)端面的管口進(jìn)入螺旋管后，將會(huì)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)熱水的熱量，變成汽化的天然氣，從另一端的出氣口流出，進(jìn)入到穩(wěn)壓閥。

如圖3所示供氣系統(tǒng)中的穩(wěn)壓閥，為膜片彈簧式結(jié)構(gòu)，依靠調(diào)整彈簧的松緊度來(lái)設(shè)定出口壓力，一般設(shè)定為1.0 MPa。氣態(tài)NG從穩(wěn)壓閥出來(lái)后，進(jìn)入穩(wěn)壓罐。該穩(wěn)壓罐的作用類(lèi)似于汽車(chē)氣制動(dòng)系統(tǒng)的儲(chǔ)氣罐，避免汽車(chē)在上長(zhǎng)坡的過(guò)程中出現(xiàn)燃?xì)夤?yīng)不足的現(xiàn)象。從穩(wěn)壓罐出來(lái)的氣態(tài)NG經(jīng)低壓濾清器過(guò)濾后再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，防止顆粒狀的雜質(zhì)如焊渣等進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸。帶飽和壓的發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是從加氣站內(nèi)出來(lái)的LNG本身帶飽和壓，可以直接供給發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。

圖3 汽化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.3.2 自增壓LNG發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)用氣瓶帶自增壓的供氣系統(tǒng)，主要特點(diǎn)是加氣站內(nèi)出來(lái)的LNG沒(méi)有調(diào)到飽和壓，一般在0.1～0.2 MPa之間。此時(shí)其壓力過(guò)低，如果直接給發(fā)動(dòng)機(jī)供氣，發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。因此，如圖4所示，必須在車(chē)用氣瓶上增加一套外置的LNG自增壓裝置。

圖4 車(chē)用氣瓶帶自增壓的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)與帶飽和壓的發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)的最大區(qū)別就在于在氣瓶上外置增加了一套自增壓模塊。該自增壓模塊的工作原理是將氣瓶?jī)?nèi)常壓下的LNG流出，經(jīng)過(guò)截止閥后進(jìn)入一個(gè)熱交換器，LNG在熱交換器內(nèi)吸收大氣的熱量后溫度將會(huì)升高，最終使LNG飽和壓力增大；當(dāng)壓力增大到0.65～1.3 MPa之間時(shí)，截止閥關(guān)閉，自增壓完成。當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)的LNG壓力達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的壓力后，其他操作和原理與帶飽和壓的發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)相同。

帶飽和壓的發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)操作比較簡(jiǎn)單，但該發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)要求車(chē)用加氣站的壓力必須調(diào)到0.65 MPa以上。一般LNG加氣站設(shè)計(jì)排放壓力為1.3 MPa，如果站內(nèi)LNG壓力超過(guò)1.3 MPa，將會(huì)排放到大氣中。而站內(nèi)的LNG因吸收外界熱量從0.65 MPa增壓到1.3 MPa用時(shí)很短，不利于儲(chǔ)存，造成浪費(fèi)。而車(chē)用氣瓶帶自增壓的供氣系統(tǒng)要求加氣站內(nèi)的LNG壓力只要達(dá)到0.1 MPa即可，而站內(nèi)的LNG要從0.1 MPa吸收外界熱量增壓到1.3 MPa，時(shí)間將會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)，便于儲(chǔ)存。

4 結(jié)論

重型液化天然氣車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)馬力較大，對(duì)氣瓶、供氣系統(tǒng)、供氣管路設(shè)計(jì)要求相對(duì)客車(chē)要苛刻一些。采用帶自增壓的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)，能夠保證液化天然氣的壓力在0.1～2.5 MPa內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)都能正常工作。因此，車(chē)用氣瓶帶自增壓的供氣系統(tǒng)較帶飽和壓的發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)更利于推廣使用。