LNG汽車燃?xì)夤┙o系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用

魏莉薇

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心 武漢 430056）

隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，汽車保有量在快速增加，而且已成為人們生產(chǎn)生活中不可或缺的重要工具。但也面臨著燃油短缺和環(huán)境保護(hù)問題。汽車在其行駛過程中消耗大量非可再生化石燃料，所排放的尾氣造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重，節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力迫使清潔環(huán)保汽車的發(fā)展越來越受到重視。為汽車尋找清潔而且豐富的替代燃料，提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性，已成為設(shè)計研究人員迫切需要解決的問題。在各種代用燃料中，天然氣由于儲量豐富、排放低、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)勢，正在市場中顯露出巨大的發(fā)展?jié)摿?，LNG汽車成為各大汽車廠商競相開發(fā)的替代燃料汽車之一。

1 LNG的優(yōu)勢

LNG （Liquefied Natural Gas）即液化天然氣簡稱，將天然氣（NG）經(jīng)過除液、除酸、干燥、分餾和低溫冷凝處理，使天然氣在超低溫（-162℃）常壓狀態(tài)下液化。被液化后體積是氣態(tài)的1/625，密度約為0.425 kg/L，便于長距離運輸和大量儲存。LNG的優(yōu)勢主要為以下幾點。

1.1 儲量豐富

我國天然氣資源量豐富，天然氣田分布范圍較大，而且可以勘探開發(fā)的占大多數(shù)。天然氣產(chǎn)量規(guī)模大大增加，2011年我國天然氣產(chǎn)量快速攀升，首次突破千億立方米，預(yù)計中國的天然氣年產(chǎn)量將在五年左右時間內(nèi)達(dá)到1 500～2 000億立方米。

1.2 排放低

LNG成為汽車燃料，不僅是因為天然氣的開采量在日益增多，而且還因為LNG發(fā)動機(jī)的排放性能比柴油機(jī)及汽油機(jī)好的多。與相同壓縮比的柴油機(jī)相比，天然氣汽車尾氣排放中的NOx和HC減少87%，CO減少70%，CO2減少20%，微粒的排放量減少99%，幾乎為零，基本不含硫化物，而且無鉛、苯等致癌物質(zhì)排出。天然氣燃燒后不產(chǎn)生廢渣和廢水，與煤炭、石油等能源相比具有燃燒潔凈、熱值高、使用安全等優(yōu)勢。

1.3 安全可靠

天然氣是一種無毒無味透明的混合氣體，其安全可靠是由其特性決定的。首先，LNG的著火溫度即燃點隨組分的變化而變化，純甲烷天然氣的著火溫度為 650℃，大大高于汽油（220～260℃）和柴油（200～220℃），因而不易點燃。其次，一旦發(fā)生泄漏，LNG密度比空氣小，氣化后的密度只有空氣的50%左右，因而稍有泄露即揮發(fā)擴(kuò)散，而LNG的爆炸極限為5%～15%，比汽油1%～5%，柴油0.5%～4.1%更高，很難形成遇火燃燒爆炸的濃度，所以，LNG車比汽油和柴油車使用更安全。

1.4 經(jīng)濟(jì)適用

天然氣的辛烷值（130）比汽油（80～95）和柴油（20～30）高，抗爆震能力突出，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪音也相對較低，燃用天然氣時不用抗爆添加劑，大大降低了發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)零件磨損率，因而提高了發(fā)動機(jī)的使用壽命和減少了潤滑油的消耗量，同時可減小機(jī)油的更換頻次，使天然氣車輛的維護(hù)成本降低。從價格上來看，天然氣的燃料價格比汽油和柴油低1/3。長期使用可顯著減少在燃料上的支出，從而減少運營成本。

2 LNG汽車燃?xì)夤┙o系統(tǒng)

LNG汽車燃?xì)夤┙o系統(tǒng)主要由LNG貯氣瓶、汽化器及緩沖罐總成、穩(wěn)壓閥、過濾器及管路系統(tǒng)組成，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

燃?xì)夤┙o系統(tǒng)工作原理是：貯氣瓶內(nèi)的壓力將LNG輸送到汽化器，在汽化器中液體經(jīng)過吸熱膨脹后變?yōu)轱柡蜌怏w，由緩沖罐進(jìn)行緩沖穩(wěn)壓，經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)裝置后飽和氣體以恒定的壓力與同時進(jìn)入混合器的增壓中冷后的空氣混合，配制出發(fā)動機(jī)不同工況所需空燃比的混合氣進(jìn)入氣缸內(nèi)燃燒。

如何使貯氣瓶里的液態(tài)天然氣變成氣態(tài)天然氣，并向發(fā)動機(jī)提供穩(wěn)定壓力和溫度的燃?xì)?，使得既不致使發(fā)動機(jī)功率下降，也不影響發(fā)動機(jī)的耗氣量和工作的可靠性，其中貯氣瓶和汽化器應(yīng)是主要研究對象，是燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計開發(fā)及匹配的關(guān)鍵總成部件，因此，LNG汽車燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用關(guān)鍵在于貯氣瓶和汽化器總成的設(shè)計及匹配。

3 LNG貯氣瓶的設(shè)計及匹配

3.1 LNG貯氣瓶結(jié)構(gòu)原理

LNG貯氣瓶是由外殼和內(nèi)膽構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)的超低溫絕熱壓力容器，它的一端設(shè)置有控制調(diào)節(jié)裝置、安全裝置、出液裝置（見圖2）。內(nèi)膽用來儲存液態(tài)的液化天然氣，外殼和內(nèi)膽之間的空間抽成高真空，形成良好的絕熱空間，以保證LNG在超低溫的環(huán)境下得以儲存和使用。其中內(nèi)膽設(shè)有主、副兩級安全閥，超壓時起到保護(hù)作用。在超壓情況下首先主安全閥打開，當(dāng)主安全閥失靈或發(fā)生故障時，副安全閥工作，其設(shè)定壓力要高于主安全閥，確保氣瓶使用安全。

貯氣瓶按LNG液體輸出可分為常規(guī)LNG貯氣瓶和增壓LNG貯氣瓶兩類。常規(guī)LNG貯氣瓶的LNG液體以氣瓶內(nèi)液態(tài)平衡壓力 （通常在0.5 MPa左右）從出液閥輸出經(jīng)管路進(jìn)入水浴汽化器，并基本保持此壓力持續(xù)輸出LNG液體。

帶增壓貯氣瓶就是在氣瓶上增加一組蒸發(fā)回路，瓶內(nèi)LNG液體進(jìn)入蒸發(fā)回路，經(jīng)空溫式汽化器吸熱汽化形成高壓氣體再回到LNG瓶內(nèi)，提高瓶內(nèi)壓力（工作壓力1.59 MPa）。瓶內(nèi)壓力的調(diào)節(jié)是通過自增壓調(diào)節(jié)閥V9的開度來控制的（見圖2）。

3.2 貯氣瓶的選型

貯氣瓶加注的初始液化天然氣一般是在常壓狀態(tài)下，常規(guī)貯氣瓶不能滿足采用高壓噴射進(jìn)氣方式發(fā)動機(jī)的工作壓力，因此，在設(shè)計及匹配貯氣瓶時采用了帶有自增壓系統(tǒng)的貯氣瓶，當(dāng)壓力增加到發(fā)動機(jī)額定的工作壓力范圍后，再開始對發(fā)動機(jī)進(jìn)行供氣。LNG的溫度不同，其飽和蒸氣壓力也不同，自增壓系統(tǒng)即利用了此原理，也就是在氣瓶的外面增加空溫式汽化器，來給氣瓶內(nèi)的LNG氣相進(jìn)行加熱，從而達(dá)到增壓的目的。發(fā)動機(jī)在運行時消耗部分LNG會導(dǎo)致貯氣瓶內(nèi)壓力降低，同樣需要靠自增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)貯氣瓶內(nèi)壓力。

在供氣過程中必須對貯氣瓶進(jìn)行穩(wěn)壓。自增壓及排液汽化供氣過程是一個非常復(fù)雜的過程，它包括了增壓氣體與氣瓶內(nèi)氣體的混合過程以及氣瓶內(nèi)氣液界面上的傳熱傳質(zhì)過程。貯氣瓶在向發(fā)動機(jī)供氣時，貯氣瓶內(nèi)的液體會不斷地排出，相應(yīng)液相空間不斷減小，氣相空間不斷增大，貯氣瓶內(nèi)的壓力又會逐漸下降，為此在供氣過程中必須對貯氣瓶進(jìn)行穩(wěn)壓，以確保供氣壓力在規(guī)定的工作壓力范圍內(nèi)。

3.3 貯氣瓶設(shè)計匹配計算

LNG汽車貯氣瓶容積的設(shè)計匹配是根據(jù)具體開發(fā)車型的氣耗、續(xù)駛里程、殘液量來確定的，按1可計算出貯氣瓶有效容積。

式中：ge為汽車百公里氣耗；L為汽車?yán)m(xù)駛里程；η為氣瓶殘液。

為了使瓶內(nèi)壓力能通過自增壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時在供氣過程中進(jìn)行穩(wěn)壓，貯氣瓶除了有自增壓裝置外，還需要設(shè)定其節(jié)約閥、穩(wěn)壓閥、自增壓調(diào)節(jié)閥的適當(dāng)壓力值來控制調(diào)節(jié)對發(fā)動機(jī)所提供的進(jìn)氣量。通過計算在額定功率下，增壓階段的耗液量（見式2、式 3），氣化穩(wěn)定過程中的吸熱量（見式 4），傳熱系數(shù)（見式5）等，可推算出節(jié)約閥、穩(wěn)壓閥和自增壓調(diào)節(jié)閥設(shè)定壓力。

式中：P為氣相壓力，V為氣相容積，Z為氣體壓縮因子，T為氣體溫度，m為氣體質(zhì)量，R為氣體常數(shù)

式中：V0為增壓前的氣相容積，Va與ma為相對應(yīng)的液體體積，m0為增壓前的液體體積，ma為單位時間內(nèi)被氣化的液體量，τ為增壓時間。

式中：Q為單位時間的吸熱量，hg為在P、T狀態(tài)下氣體的焓，hL為在 P、T0狀態(tài)下過冷液體的焓，ma、mb為單位時間內(nèi)自增壓系統(tǒng)進(jìn)出口的質(zhì)量流量。

式中：K為總傳熱系數(shù)，αf為低溫流體與管壁的對流換熱系數(shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，α為空氣與翅片管的自然對流換熱系數(shù)，β為翅化系數(shù)，η為翅化效率。

4 汽化器的設(shè)計及匹配

4.1 汽化器結(jié)構(gòu)原理

目前普遍使用的一種車用汽化器是水浴式管殼汽化器（見圖3），汽化器的工作原理是：LNG以純液態(tài)形式或氣液混合形式從氣瓶中被放出，流入汽化器一端的螺旋管，經(jīng)過螺旋管加熱后從另一端流出。來自發(fā)動機(jī)冷卻系的高溫冷卻液則流經(jīng)螺旋管與外殼之間的空間，即汽化器的殼程，與管程內(nèi)的LNG實現(xiàn)熱量交換使LNG氣化，然后回到冷卻循環(huán)中繼續(xù)參與發(fā)動機(jī)的冷卻工作。冷卻液的流向應(yīng)與液化天然氣的流向一致，汽化器一般水平安裝，天然氣進(jìn)出口處于水平方向，冷卻液進(jìn)出口應(yīng)在上方 （見圖3），避免形成氣阻。

發(fā)動機(jī)外的供氣系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)之間的匹配問題，將直接影響發(fā)動機(jī)的性能及使用的可靠性。發(fā)動機(jī)對燃料供氣壓力和供氣溫度有一定的要求，且能穩(wěn)定地供氣。這就需要瓶內(nèi)的充液壓力、匹配的汽化器氣化速度和汽化溫度均要與發(fā)動機(jī)的工作要求相匹配，否則將直接影響發(fā)動機(jī)的耗氣量和工作的可靠性。

液化天然氣在氣瓶中以低溫液態(tài)形式儲存，但供給發(fā)動機(jī)時必須是氣體狀態(tài)，因此，在LNG的燃料系統(tǒng)中汽化器是一個關(guān)鍵部件，它的主要作用就是將低溫的液體燃料加溫氣化后供給發(fā)動機(jī)。

4.2 汽化器設(shè)計匹配計算

在設(shè)計匹配汽化器時，采用了目前普遍使用的車用水浴式管殼汽化器，這樣，可利用溫度高達(dá)75℃～90℃發(fā)動機(jī)冷卻水直接氣化LNG，既能充分利用廢熱氣化了LNG，又能減輕冷卻系統(tǒng)中散熱器的負(fù)擔(dān)。

由于螺旋管內(nèi)LNG從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，屬于氣液兩相流范疇，因此要精確計算其傳熱過程非常困難（見圖 4）。

如圖4所示，將傳熱過程分為四個階段，即過冷沸騰、飽和核沸騰、強(qiáng)制對流傳熱和欠液區(qū)來計算吸熱量，其總和即為天然氣需要吸收的熱量，也即冷卻水所需要放出的熱量（見式6），然后算出汽化器換熱系數(shù)（見式7）、傳熱面積（見式8），就可算出汽化器內(nèi)螺旋管的長度 （見式9）和冷卻水的循環(huán)流量（見式 10）。

式中：m為天然氣最大流量，即發(fā)動機(jī)最大耗氣量；Cp為定壓比熱，飽和壓力下的定壓比熱算術(shù)平均值；ΔT為溫差，飽和壓力下的沸點差。

式中：K為總放熱系數(shù)；h1為管外冷卻液放熱系數(shù)；r1為螺旋管外污垢系數(shù)；η為翅化系數(shù)，螺旋管無翅片，η=1；r2為管外表面管壁熱阻；h2為天然氣換熱系數(shù)；r3為螺旋管內(nèi)污垢系數(shù)。

式中：C為螺旋管周長；B為保險系數(shù)1.2～1.3。

式中：Q為天然氣實際吸熱量；Cp為冷卻液定壓比熱，特征溫度為平均溫度；ΔT為冷卻液進(jìn)出口的溫差；m為冷卻液質(zhì)量流量。

5 結(jié)論

根據(jù)上述方法計算不同工況下汽化器的換熱量，得出以下結(jié)論：首先，當(dāng)發(fā)動機(jī)在不同工況下運轉(zhuǎn)時，單位時間內(nèi)汽化器的LNG流量會隨著發(fā)動機(jī)所需要的天然氣量的變化而變化，因此在汽車行駛過程中需要注意冷卻液的流量變化，尤其是在發(fā)動機(jī)的天然氣消耗量最大時，此時汽化器也達(dá)到最大工作負(fù)荷狀態(tài)。其次，冷啟動時，發(fā)動機(jī)剛剛開始運轉(zhuǎn)，冷卻循環(huán)系統(tǒng)的冷卻液溫度與環(huán)境溫度相同，汽化器內(nèi)冷卻液溫度需要一段時間上升與發(fā)動機(jī)正常工作時相同，因此，LNG汽車在冷啟動時，應(yīng)適當(dāng)保持發(fā)動機(jī)怠速或低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)來提高冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷卻液的溫度，確保LNG汽化充分。最后，為保證LNG發(fā)動機(jī)的燃料控制精度和瞬態(tài)響應(yīng)特性，LNG燃料供給系統(tǒng)必須在發(fā)動機(jī)全工況范圍內(nèi)，提供足夠的供氣量和瞬態(tài)響應(yīng)特性。也就是說，來自貯氣瓶的液相LNG流經(jīng)燃料供給系統(tǒng)時，必須吸收足夠的熱量，滿足相變汽化潛熱要求，確保發(fā)動機(jī)性能達(dá)標(biāo)。因此，在設(shè)計及匹配汽化器時應(yīng)正確設(shè)計汽化器的氣化能力，提供足夠的換熱面積。

對開發(fā)的LNG汽車經(jīng)轉(zhuǎn)轂試驗驗證滿足發(fā)動機(jī)各項性能指標(biāo)要求，用戶使用后反映馬力足，經(jīng)濟(jì)性好，得到市場用戶的認(rèn)可。

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