LNG清潔能源在商用車上的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

李珍珍 王建京 楊軍社 姜斌 韓利

摘 要：文章針對(duì)液化天然氣這一低溫清潔能源在商用車上的應(yīng)用，根據(jù)技術(shù)開(kāi)發(fā)的深入和供氣系統(tǒng)的不斷升級(jí)，分別經(jīng)歷了飽和蒸汽壓階段、自增壓階段、低溫潛液泵主動(dòng)供氣（LPP）階段及高壓直噴（HPDI）階段，闡述了液化天然氣清潔能源的技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的發(fā)展，并針對(duì)每一階段的現(xiàn)狀，提出存在的問(wèn)題及改進(jìn)方向，最后提出了清潔能源在商用車上未來(lái)發(fā)展的方向及展望。

關(guān)鍵詞：低溫清潔能源;LNG;商用車;自增壓;LPP;HPDI

中圖分類號(hào)：U461.99 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）14-240-03

Abstract： The liquefied natural gas， a low temperature clean energy for commercial vehicles， is being developed in depth based on the technology and the continuous upgrading of the gas supply system， the development of technology and application of liquefied natural gas clean energy is described in this paper， which includes saturated steam pressure stage， autopressurization stage， low temperature submersible pump active gas supply （LPP） stage and high pressure direct injection （HPDI） stage. At last， the future development of clean energy in commercial vehicle is put forward and the prospect of clean energy in commercial vehicle is put forward.

Keywords： Low-temperature clean energy; LNG; Commercial vehicle; Self pressurization; LPP; HPDI

CLC NO.： U461.99 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）14-240-03

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車持有量的急劇增加在給人們帶來(lái)極大便利的同時(shí)，由于其消耗大量的石油資源、排出大量的有害氣體，對(duì)人類的生存環(huán)境造成較大的危害，成為城市的主要污染源。為解決這一問(wèn)題，人們一直在尋求改變能源結(jié)構(gòu)、采用低公害的汽車代用燃料的途徑。目前，各類商用車包括在客車以及重型汽車上，大量采用液化天然氣清潔能源（LNG）。由于一次充液后行駛里程可達(dá) 500 公里以上，原料價(jià)格低廉等較多優(yōu)點(diǎn)，目前發(fā)展勢(shì)態(tài)良好[1-3]。

2 液化天然氣供氣系統(tǒng)在商用車上的應(yīng)用

從LNG清潔能源發(fā)展的歷程來(lái)看，LNG車用供氣系統(tǒng)共經(jīng)歷了四個(gè)階段：①采用飽和蒸氣技術(shù);②采用自增壓技術(shù);③采用LPP技術(shù);④采用HPDI技術(shù)。目前市場(chǎng)上在大量生產(chǎn)和采用的是第二代技術(shù)，即自增壓式技術(shù)的供氣系統(tǒng)。LPP技術(shù)國(guó)內(nèi)已經(jīng)在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研制，并有小批量的投入應(yīng)用。HPDI技術(shù)目前國(guó)外已經(jīng)較成熟運(yùn)用，但國(guó)內(nèi)仍處于研制階段。

2.1 飽和蒸氣壓技術(shù)

采用飽和蒸氣技術(shù)的供氣系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。該技術(shù)的工作原理是利用瓶?jī)?nèi)氣體的飽和蒸氣壓，采用擠壓方式將LNG擠出，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且維護(hù)方便。但由于氣瓶工作壓力偏低，所能提供的氣量有限，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有較大影響，且不能滿足大功率發(fā)動(dòng)機(jī)需求。目前此供氣系統(tǒng)在商用車上已很少使用。

2.2 自增壓技術(shù)

自增壓技術(shù)[4-5]的工作原理與飽和蒸氣式供氣系統(tǒng)不同，當(dāng)LNG充裝到車用瓶后進(jìn)行自增壓;而當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉自增壓系統(tǒng)。自增壓式供氣系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)圖2，該系統(tǒng)改善了LNG汽車的行駛性能，受到了市場(chǎng)的認(rèn)可，迄今為止，國(guó)內(nèi)絕大部分LNG商用車均采用該技術(shù)。

自增壓式供氣系統(tǒng)由氣瓶、汽化器、管路各調(diào)壓閥、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成。氣瓶用于LNG燃料的存儲(chǔ)。汽化器主要是利用發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)冷卻水把液化天然氣進(jìn)行加熱汽化，使天然氣達(dá)到滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用溫度、流量要求。管路各調(diào)壓閥主要作用是將汽化器汽化后的天然氣進(jìn)行減壓，使之滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壓力要求，且保持壓力穩(wěn)定。緩沖罐的作用是儲(chǔ)備一定量的氣體，以在供氣時(shí)保持以穩(wěn)定的流量進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，避免因流量不穩(wěn)定造成發(fā)動(dòng)機(jī)性能不穩(wěn)定。

如果按照管路的布置來(lái)看，系統(tǒng)可以分為進(jìn)液管路、出液管路，增壓管路，經(jīng)濟(jì)回路以及安全系統(tǒng)管路。進(jìn)液管路由低溫進(jìn)液口（C1）、進(jìn)液?jiǎn)蜗蜷y（FCV）以及連接的管道組成，加氣站用加氣槍的機(jī)械力量把低溫進(jìn)液口（C1）頂開(kāi)，液化天然氣被加氣站裝備的低溫泵泵入加氣管道。自增壓管路由增壓截止閥（Pv）、升壓調(diào)節(jié)閥（PBr）、自增壓盤管（Pr）組成。開(kāi)啟增壓截止閥（PV），低溫液體通過(guò)升壓調(diào)節(jié)閥（PBr），然后經(jīng)過(guò)自增壓盤管（Pr）被加熱成飽和蒸汽，進(jìn)入氣瓶氣相空間（頂部），從而使得氣瓶的壓力升高，當(dāng)氣瓶壓力升至升壓調(diào)節(jié)閥的設(shè)定壓力時(shí)，升壓調(diào)節(jié)閥（PBr）自動(dòng)關(guān)閉，氣瓶壓力不再升高，壓力維持穩(wěn)定。出液管路由出液?jiǎn)蜗蜷y（DCv）、出液截止閥（Vu）、過(guò)流閥（Ef）組成。汽車進(jìn)行燃?xì)夤┙o時(shí)，開(kāi)啟出液截止閥（Vu），液化天然氣通過(guò)出液?jiǎn)蜗蜷y（DCV）然后流經(jīng)出液截止閥（Vu）和過(guò)流閥（Ef）進(jìn)入供氣系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)回路由經(jīng)濟(jì)閥（Er）、出液截止閥（Vu）、過(guò)流閥（Ef）組成。當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓力高于經(jīng)濟(jì)閥Er設(shè)定壓力時(shí)，如果處于用氣狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)閥Er開(kāi)啟。隨著氣體的不斷使用，瓶?jī)?nèi)壓力會(huì)逐漸降低至經(jīng)濟(jì)閥Er的設(shè)定壓力，此時(shí)，經(jīng)濟(jì)閥Er關(guān)閉，又回到液體供液狀態(tài)。安全系統(tǒng)主要由主安全閥（Svp）、副安全閥（Svs）、氣瓶壓力表（P1）、液位計(jì)（LG）、手動(dòng)放空口（Vv）組成。

自增壓系統(tǒng)管路和閥門較多，部分閥門需要手動(dòng)操作，需要駕駛員了解使用和維護(hù)方法，且對(duì)于閥門的可靠性要求較高，因?yàn)殚y門一旦失效會(huì)造成系統(tǒng)功能不能實(shí)現(xiàn)。另外，因?yàn)闆](méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的反饋系統(tǒng)，僅僅是被動(dòng)供氣模式，所以在車的動(dòng)力操作性上不如人意。

2.3 LPP技術(shù)

LPP系統(tǒng)采用低溫潛液泵主動(dòng)供氣，工作壓力為0.8～1.8MPa，流量不大于120Kg/h。由低溫潛液泵泵出的液化天然氣，經(jīng)汽化器氣化后，進(jìn)入高壓緩沖罐穩(wěn)壓，最后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。其工作原理見(jiàn)圖3。該供氣系統(tǒng)的核心部件是低溫潛液泵及控制單元TCU。該系統(tǒng)與自增壓系統(tǒng)對(duì)比，最大的不同在于改變了氣瓶壓力升高后被動(dòng)供氣模式，由泵往復(fù)運(yùn)動(dòng)工作后主動(dòng)供氣，且不受加液站供液壓力的限制，氣瓶安全性更高。所以，在加液后，車輛無(wú)需等待罐中壓力提升即可行駛。低溫泵的啟停由緩沖罐的壓力通過(guò)TCU信號(hào)控制，當(dāng)緩沖罐中的壓力過(guò)高時(shí)，壓力信號(hào)通過(guò)ECU控制液壓泵停止工作，從而使低溫泵停止運(yùn)行;當(dāng)緩沖罐中的壓力偏低時(shí)，壓力信號(hào)通過(guò)ECU控制液壓泵啟動(dòng)，液壓泵泵出的液壓油經(jīng)由換向閥，驅(qū)動(dòng)低溫泵運(yùn)行。其輸出流量則由從發(fā)動(dòng)機(jī)端傳來(lái)的ECU信號(hào)控制，屬于負(fù)反饋系統(tǒng)，自動(dòng)化、智能化程度高。這樣能夠?qū)崿F(xiàn)燃料自動(dòng)按需供給，消除人為操作誤差、環(huán)境變化等引起的燃料浪費(fèi)，使LNG車的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高。若發(fā)生緊急情況，無(wú)需像第一代和第二代技術(shù)通過(guò)手動(dòng)關(guān)閉截止閥來(lái)切斷系統(tǒng)，系統(tǒng)安全性也得到了提高。

2.4 HPDI技術(shù)

從目前國(guó)內(nèi)外天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，HPDI技術(shù)[6-10]是目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，采用的是缸內(nèi)高壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。該技術(shù)是在壓縮沖程上止點(diǎn)前噴入約5%的柴油作為引燃劑，形成火焰后，約95%的天然氣以30MPa的壓力噴射，成為主要燃料。

HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比基本能夠達(dá)到柴油機(jī)水平，且燃燒效率也較高。相對(duì)比于前幾代供氣系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)明顯。與第三代LPP技術(shù)對(duì)比來(lái)說(shuō)，雖然都是采用的低溫往復(fù)動(dòng)作柱塞泵，但在壓力、制造技術(shù)上大大不同，能夠達(dá)到30MPa高壓力噴射壓力;其次，第二代產(chǎn)品在動(dòng)力性能上有所欠缺，尤其是爬坡和加速性能上，而HPDI技術(shù)其動(dòng)力性上大大增強(qiáng)，相關(guān)車載道路試驗(yàn)表明，其爬坡性能和高海拔地區(qū)的適應(yīng)性能非常好，與柴油機(jī)動(dòng)力性能基本一致。從經(jīng)濟(jì)性上來(lái)看，在相同載荷、相同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、相同路面、相同駕駛員的條件下，HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)相比，動(dòng)力相當(dāng)，100km 成本卻下降約 25%～34%。從推廣應(yīng)用及環(huán)保性來(lái)看，HPDI 重型商用車與柴油車相比，一氧化碳排量降低 60%，二氧化碳降低 20%，碳?xì)浠衔锝档?70%，氮氧化合物降低 45%，顆粒物排放降低 70%，有利于實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)對(duì)能源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。據(jù)相關(guān)信息報(bào)道，近兩年來(lái)HPDI技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)研制成功，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，市場(chǎng)也很火爆，甚至出現(xiàn)一機(jī)難求的情況。從成本上來(lái)看，HPDI技術(shù)的整車成本會(huì)較大程度高于前幾代技術(shù)的清潔能源用商用車，所以在短期內(nèi)預(yù)計(jì)還不能大規(guī)模普及。

3 展望

LNG清潔能源商用車供氣系統(tǒng)的發(fā)展，是技術(shù)發(fā)展的一次次進(jìn)步和提升。雖然目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上正大量使用的是第二

代自增壓技術(shù)，但HPDI技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭極好，隨著今后加工工藝的不斷進(jìn)步，在成本能夠得到良好控制時(shí)，HPDI技術(shù)的優(yōu)勢(shì)會(huì)不斷凸顯，第二代自增壓技術(shù)也可能逐漸會(huì)退出歷史。當(dāng)然，隨著世界能源的開(kāi)發(fā)和減少，以及對(duì)于環(huán)保的重視與日俱增，技術(shù)的不斷進(jìn)步，今后也必將開(kāi)發(fā)出更優(yōu)更好的商用車 LNG供氣系統(tǒng)。

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