LNG在內燃機中的應用分析

張 明

(河北建筑設計研究院有限責任公司，河北石家莊 050011)

LNG在內燃機中的應用分析

張 明

(河北建筑設計研究院有限責任公司，河北石家莊 050011)

隨著中國能源結構的調整和低溫制冷和絕熱技術的快速發展，LNG(液化天然氣)的使用越來越廣泛，作為內燃機新能源是LNG應用的一個重要方面。作為清潔能源，LNG擁有占用體積小、能量儲存密度大、燃燒性能好、熱值高等諸多優點。從LNG的資源情況、物性特征、燃燒特征和安全性等方面介紹了LNG作為內燃機新能源的優勢，從技術角度分析了LNG內燃機的特點、技術問題及展望，分析了應用LNG內燃機對環境和節能方面的貢獻。

LNG內燃機；資源優勢；技術特點；技術展望；節能；環保

煤炭、石油、天然氣是支撐人類發展的三大能源。煤炭一直占據中國能源結構的主導地位，而被稱為“最佳能源形勢”的石油也因為人們活動范圍的增大而使用廣泛，僅汽車就消耗了85%以上的石油資源。汽車產業的不斷升溫和石油能源的過度消耗已經成為不可調和的矛盾。對比煤炭和石油，中國國內的天然氣應用水平一直較低，僅占到能源消費總量的4%，遠低于世界平均值24.2%[1]。天然氣資源相對于其他資源具有儲藏量豐富、污染低、熱效率高等優點，可廣泛應用于城市民用及商用、一般工業、發電燃料、化工燃料等領域，而天然氣內燃機的廣泛使用能有效緩解石油能源的壓力。

以天然氣為主要能源動力的內燃機研究已經成為世界內燃機研究的一個重點，并取得了一定的成果。天然氣內燃機大體可分為常壓天然氣(NG)發動機、壓縮天然氣(CNG)發動機、液化天然氣(LNG)發動機、吸附天然氣(ANG)發動機和加氫壓縮天然氣(HCNG)發動機[2]。目前具有很大應用前景的是CNG發動機和LNG發動機。CNG發動機雖然技術更加成熟，但還是因氣瓶質量過大、儲氣能力有限、高壓存在安全隱患等問題制約其廣泛推廣。大力發展LNG發動機會成為天然氣內燃機發展的一個新方向。本研究主要從LNG能源優勢、LNG內燃機技術特點和LNG內燃機降低能源消耗和減少環境污染等方面，對LNG在內燃機中的應用發展進行分析和展望。

1 LNG作為內燃機新能源的優勢

雖然LNG作為內燃機新燃料也存在著一些技術問題，但是其發展優勢還是比較明顯的。近年來，以LNG為燃料的汽車已經成為繼CNG汽車、ANG汽車后的第3代天然氣汽車。LNG作為內燃機新能源，主要是由其資源特點、物性特征、燃燒特性以及安全性能決定的。

1.1LNG資源特點

天然氣資源儲量十分豐富，1999年統計數據顯示[3]，全球可開采天然氣儲量約為145萬億m3，相當于1 366億t當量石油，其儲量與可開采石油量接近。與石油相比，天然氣的使用還處于一個開始階段。中國天然氣資源比較豐富。據統計，中國的天然氣儲量約為47萬億m3，可開采100年以上，而現實技術可采集量僅為總量的20%。隨著勘探開采技術的提高，天然氣的應用前景會進一步被挖掘。

目前，作為老氣區的四川盆地，產氣量占中國的1/3，此外還有塔里木盆地氣區、柴達木盆地氣區、鄂爾多斯盆地氣區、海上氣田東海平湖氣區和瓊東南盆地氣區，這6個氣區供應了中國80%以上的用氣量。中國東部沿海地區還建立了大量的LNG接收站進口國外的LNG資源。據統計，2010年世界范圍內的LNG交易量為2.12億t，其中的947萬t進入中國，比例達到4.4%。中國石油資源與天然氣資源相比十分短缺，因此大力開發天然氣內燃機不僅對中國實現能源多元化結構具有重要意義，還能為中國的能源安全提供保障[4]。

1.2LNG物性特征

LNG是天然氣的液態形式，主要成分是甲烷，是天然氣經過脫烴、脫硫、脫水、清除二氧化碳后又經過多級壓縮制冷液化得到的。因此，LNG具有無色、無味、無毒、無腐蝕的特點，基本物性見表1[5]。

表1 燃料物性特征

1.2.1 LNG和汽油在內燃機中應用的物性對比

對比分析不同燃料的物性可以看出，汽油因密度高于LNG而更容易儲存，LNG需要將天然氣的溫度降至-162 ℃，這個過程要求的技術含量高、能源消耗大。此外，雖然LNG的熱值高于汽油，但是混合氣的熱值要低于汽油，因此，和汽油內燃機相比，天然氣內燃機的動力性能會有所下降。

但是天然氣作為內燃機能源也有其優勢。首先，天然氣的辛烷值明顯高于汽油，因此天然氣應用于內燃機時的抗爆性能更好，一般的天然氣發動機根本不需要添加任何的抗爆劑；其次，由于抗爆性的提高，天然氣發動機可以使用更高的壓縮比來提升發動機的效率，這在一定程度上彌補了天然氣內燃機的動力損失。

1.2.2 LNG和CNG在內燃機中應用的物性對比

LNG和CNG是天然氣的不同狀態，其應用在內燃機中的優點基本相同。但是在儲存形式上，LNG采用低溫微正壓儲存，而CNG采用高壓儲存，因此CNG的儲瓶必須使用質量更大的高壓儲瓶，儲瓶的質量甚至是罐內天然氣質量的10倍，而LNG的儲液瓶僅需雙層的絕熱瓶即可。所以，使用過程中的CNG比LNG儲存質量少，有效載重大，高壓充裝時間長。

LNG的能量儲存密度比CNG高出3倍多，達到24.90 MJ/L，可以說，即使儲量相同，LNG的燃料產生的續航能力也是CNG的3倍以上。此外，隨著絕熱技術的完善，LNG在儲存方法上已經不存在明顯的瓶頸，因此LNG已經逐漸成為新一代天然氣發動機的主要燃料形式。

1.3LNG燃燒特性

不同于汽油，天然氣進入發動機時是氣態形式，可以與空氣更加均勻混合且燃燒更完全，所以CO和HC等不完全燃燒產物的排放量大幅度降低。LNG在液化過程中經過了純化處理，脫去了大多數雜質，因此氣缸與燃燒室內不會發生積炭、腐蝕等現象，LNG內燃機不需要經常注入機油和更換火花塞卻能運行地更加平穩，發動機的壽命也更長。

1.4LNG安全性能

由表1可見，LNG的爆炸下限為5%，遠高于汽油的1%和柴油的0.5%，LNG的著火點和點火能也都高于汽油和柴油。此外，由于LNG是低溫-162 ℃的液體，一旦發生泄漏，LNG氣化吸收熱量使空氣溫度很難達到著火點，發生火災甚至爆炸的可能性很低。LNG主要成分是甲烷，其密度小于空氣密度，發生泄漏后會逐漸揮發擴散，不會像汽油泄漏后聚集在一起，保障了安全[6]。

CNG采用高壓儲存，儲存壓力一般大于20 MPa，遠高于LNG的微正壓儲存(0.1～1.1 MPa)，因此LNG應用時的防撞擊和防爆炸能力都明顯優于CNG。此外，LNG處理過程中經過脫雜質的處理，消除了氣瓶材料的氫脆問題，進一步提高了氣瓶的可靠性。

2 LNG作為內燃機新能源的技術分析

美國在LNG車用研究方面一直處于世界領先地位，擁有諸如MVE公司、Snyder公司、Chart公司等一系列先進技術的LNG車用儲瓶公司。同時，各大汽車公司如Cummins，Ford等都具有生產LNG發動機的技術。中國的LNG內燃機應用比較晚，2002年和2003年才出現了改裝和研制的LNG內燃機[7]。但是隨著中國能源戰略的改變和能源結構的調整，LNG內燃機的發展非常迅速。LNG作為內燃機的新能源，和汽油機、柴油機的主要區別是燃料特性、儲存和供給方式不同，電控系統也略有差異，但內燃機的主要工作原理和功能組成基本相同。因此，分析LNG內燃機供給系統，對汽油機改造為LNG單燃料內燃機、柴油機改造為柴油-LNG雙燃料內燃機技術更具現實意義。

2.1LNG供給系統

LNG儲存溫度約為-162 ℃，作為燃料不能常規儲存和直接應用。LNG供給系統主要由LNG低溫絕熱儲瓶、連接管路、汽化器、減壓裝置、控制閥門以及控制系統組成，其具體結構如圖1所示。

1—儲瓶；2—副安全閥；3—主安全閥；4—手動放氣閥；5—調節閥；6—入液噴淋管；7—氣體排出管；8—截止閥；9—止回閥；10—液體排出管；11—切斷閥；12—液位信號接口；13—液位變送器；14—燃料指示表；15—汽化器；16—儲瓶壓力表圖1 LNG氣瓶供給系統Fig.1 LNG gas cylinder supply system

其工作流程如下：LNG低溫絕熱儲瓶中的液態天然氣在自身壓力的作用下流出，經過管道和控制閥門流入汽化器中被加熱氣化，氣化后的天然氣供汽車發動機使用。

2.1.1 低溫絕熱儲瓶

LNG低溫絕熱儲瓶是燃料系統的核心部件，絕熱儲瓶技術的發展使得LNG作為內燃機燃料成為可能。LNG絕熱儲瓶一般采用耐低溫的高強度奧氏不銹鋼作為主體材料，高真空多層絕熱結構，夾層達到0.001 Pa左右的真空度，在合理的纏繞工藝下實現“超級絕熱”的目的[8]。目前，作為汽車用發動機的LNG低溫絕熱儲瓶可以達到日蒸發率小于2%，滿足不使用條件下7天(轎車用瓶3天)安全閥不跳起的要求。儲瓶上設置主、副安全閥，可以在緊急狀況下泄壓以保證瓶體的安全。目前，LNG發動機主要還是應用于城市公交、出租車、大型貨車上，主要是由于這些車輛使用頻率比較高、行駛里程比較遠，不易出現停滯時間過長時LNG蒸發量超過安全閥設定而泄壓的情況。若想LNG內燃機更廣泛地應用于家用轎車，需要研究加裝緩沖罐或進一步提升絕熱工藝，使LNG儲瓶在長時間不使用時仍能保證安全。

2.1.2 汽化器

LNG是低溫液體，必須經過汽化器氣化后才能供給發動機使用。目前的汽化器熱源一般是來自發動機的冷卻液，少有特殊情況下也可以采用空溫型汽化器。小型車汽化器基本要求為汽化量達到20 Nm3/h，而大型車需達到50 Nm3/h，汽化器出口溫度要達到發動機正常工作要求。

2.1.3 液位顯示

目前的液位顯示計種類比較多。低溫LNG儲瓶內液位顯示計主要采用低溫電容液位計，這種液位計由探頭和儀表電路組成，通過分析電容介電常數的變化監測液位信息，它不與液面接觸，減少了漏熱的可能，達到最大限度的保溫效果。

2.2LNG單燃料內燃機

LNG作為單一燃料的內燃機，可以看作是由汽油機改造的。如圖2所示，LNG內燃機和汽油機的主要區別體現在加裝LNG供給系統、改裝冷卻系統、加裝混氣系統、調整電控系統4個方面。

圖2 LNG單燃料內燃機流程Fig.2 LNG single fuel internal combustion engine processes

汽油機改造LNG內燃機的LNG供給系統如2.1所述，冷卻系統的改造主要是將冷卻液系統和汽化器結合，通過控制手段使汽化器出口氣體達到發動機的用氣要求。此外，還可通過部分系統改造達到利用LNG冷能的目的，如汽車用內燃機可以使用LNG冷能作為空調冷源。改裝原車的配氣系統主要指加裝混合器，使空氣、燃氣充分混合后進入缸內，實現更充分燃燒。電控系統根據系統改變進行調整。

2.3LNG-柴油雙燃料內燃機

柴油內燃機和汽油內燃機工作原理最大的不同在于點火方式：汽油內燃機采用直接點火方式，而柴油內燃機采用的是壓燃點火方式。LNG-柴油雙燃料內燃機是指在保留柴油機所有結構和燃燒工作方式不變的前提下，增加一套LNG供氣系統和柴油-天然氣雙燃料電控噴射系統，既可以使用柴油單獨驅動，也可以采用柴油-天然氣混合驅動[9]，其結構原理如圖3所示。

圖3 雙燃料系統結構圖Fig.3 Dual fuel system structure

雙燃料內燃機在啟動和怠速情況下采用柴油，在運行中通過ecu(電子控制單元)控制天然氣的噴射，噴射出的天然氣和空氣混合導入發動機進氣口，同時導入的少量柴油壓燃后作為天然氣的點火源。雙燃料發動機大大降低了柴油的消耗量，并且具有更好的環保效益和經濟效益，現在可應用于LNG運輸船和長途運輸的貨車等。

2.4LNG內燃機技術展望

LNG內燃機還存在著一些技術問題，解決這些技術問題能使LNG內燃機得到更廣泛的應用。

2.4.1 汽油機或柴油機改造而產生的問題

現有的LNG內燃機多數由汽油機或柴油機直接改造，但是天然氣的燃燒特性是著火溫度高，火焰發展期長。

針對LNG內燃機動力缺失問題可以通過改變壓縮比、改進燃燒室結構、增大點火能及點火提前角等技術手段解決。尾氣溫度過高問題可以通過增大散熱器、增大曲軸與水泵皮帶輪的傳動比等方法解決。因此，需要針對LNG重新設計和制造內燃機，并專門配置相應的控制系統。

2.4.2 LNG儲存問題

LNG采用的是低溫絕熱儲存，但現代工藝不可能做到完全絕熱，漏熱使LNG在不使用的情況下最多保存7天就會因為漏熱氣化而超壓泄放，泄放天然氣不僅會造成資源浪費，也會在遇到明火時產生安全隱患。此外，LNG是一種多組分混合物，長時間靜置會出現分層和“翻滾”現象，很有可能造成瞬間大量氣化而產生超壓危害。

目前，防止LNG分層和翻滾主要靠改善充裝工藝、增強參數監控、避免不同氣源LNG等方式。未來的設計中應該考慮增加循環系統，統一氣源標準等方式。針對LNG保存問題，除了可以進一步發展絕熱工藝，還可以考慮增設緩沖罐等方式進一步延長LNG的儲存時間。

2.4.3 泄漏傷害問題

LNG在低溫-162 ℃儲存，過大的溫差可能會使管路因熱脹冷縮而破壞導致泄漏，LNG泄漏后可能產生比較嚴重的冷凍傷害或窒息傷害。除了在管線上加裝限流閥防止LNG大量泄漏外，還應該在工藝和材料上進一步改善，減少甚至杜絕LNG因管路熱脹冷縮而發生泄漏。此外，應普及LNG知識，避免不必要的傷害。

2.4.4 統一標準編制問題

標準的缺乏不僅體現在沒有統一的LNG內燃機制造標準，同時還缺乏統一的氣源標準，以及統一的加氣站標準等，應盡快編制統一標準以適合LNG能源的快速發展步伐。

3 LNG內燃機的環保和節能分析

近年來，環境問題成為社會發展的焦點問題，節能減排和可持續發展成為中國能源發展的重要戰略。相對于傳統的石油、煤炭以及CNG等資源，液化天然氣能源對環境更加友好且節能。

3.1常規能源的尾氣排放

表2列出了常規能源的尾氣排放情況。

表2 城市正常行駛和交通擁擠條件下各種燃料污染物的排放對比

Tab.2 Contrast of pollutants of various fuels in cities under normal driving conditions and traffic congestion g·km-1

由表2數據可知，壓縮天然氣(CNG)的CO，NOx的排放都要明顯低于汽油和柴油，但是固體顆粒的排放要高于汽油，HC的排放量高于汽油和柴油。在擁堵情況下，CNG尾氣排放中的固體顆粒量和汽油、柴油基本相同，這主要是因為CNG在制造時并沒有經過更嚴格的凈化處理。LNG制造時比CNG多出許多工藝過程，燃燒后的排放物主要為CO2和H2O。實驗證明，與汽油相比，LNG作為內燃機燃料CO排放量較少97%，HC排放量減少70%～80%，NOx排放量減少30%～40%，固體微粒排放量較少，基本不排放含鉛、硫化物及苯等有害物質，對環境的改善和保護效果非常明顯[10-11]。

3.2LNG內燃機應用節能分析

天然氣應用于內燃機時，先與空氣在混合室混合，因此燃燒更充分，效率更高。天然氣可以使用更高的壓縮比，動力性和經濟性也更高。

傳統汽油機的汽車空調一般采取氟里昂蒸罐氣壓縮制冷，汽車發動機連軸驅動壓縮機耗費了大量動力，而氟里昂一旦泄漏會對大氣層造成嚴重的破壞。在LNG內燃機系統中，只要將LNG冷能部分回收應用于汽車空調，就無需配備單獨的空調系統，既節約了汽車制造成本，又解決了空調制冷劑泄漏的潛在危害，實現了汽車空調真正意義的“綠色化”。

LNG除了可以給普通的汽車提供夏季的空調冷量外，還可以將冷量應用于冷藏車中，省去了車載制冷設備，有效減少了噪聲污染、制冷劑污染等。可見，LNG內燃機冷藏車的應用前景十分廣闊。

在LNG運輸船中，大量的BOG(閃蒸氣)需BOG壓縮機再壓縮后重新導入儲瓶，浪費了很多能量，如果采用雙燃料內燃機，在有效利用BOG的同時還可減少燃料的消耗。

4 結 論

對LNG作為內燃機燃料的優勢和其他傳統燃料進行了對比，對LNG成為內燃機主要燃料的技術進行了分析和展望，對LNG內燃機應用于汽車等領域后的節能效果和環保效果進行了討論，得出以下結論。

1)天然氣資源具有分布廣闊、資源豐富的特點。LNG無論從物性、燃燒特性，還是安全性上都具有發展成為內燃機燃料的優勢，發展前景十分廣闊。

2)無論是由汽油機改造成為LNG單一燃料的內燃機，還是由柴油機改造成為LNG-柴油雙燃料內燃機，技術發展相對都比較成熟，目前改造的內燃機已經可以應用于城市公交、出租車、長途運輸貨車、LNG運輸船舶等。隨著低溫絕熱技術的進一步完善，在LNG不能長時間靜止儲存、缺乏統一標準等問題得以解決后，LNG內燃機有望應用于更廣闊的領域。

3)LNG內燃機排氣污染更小，噪聲污染更少，此外，LNG冷能可以應用于汽車空調、冷藏車，具有環保和節能的雙重意義。

4)LNG資源利用作為中國能源結構調整的重要組成部分，必然隨著LNG內燃機技術的進一步成熟和完善而得到更快速的發展。

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Application of LNG in internal combustion engine

ZHANG Ming

(Hebei Institute of Architectural Design & Research Company Limited， Shijiazhuang Hebei 050011， China )

With the energy structure adjustment and the rapid development of low temperature refrigeration and insulation technology in China, LNG (liquefied natural gas) is more and more widely used. LNG is a new energy of internal combustion engine and is very important aspect of LNG applications. As a clean energy, LNG has many advantages like occupied small, energy storage density, combustion performance, high calorific value etc. This paper presents several advantages of LNG from resources viewpoint, like physical characteristics, combustion characteristics and safety aspects etc. Then, it introduces the characteristics and technology problems of the LNG engine. Finally, it analyzes the energy saving contribution when using LNG in internal combustion engin.

LNG engine; resources; technical characteristics; technology foresight; energy conservation; environmental

1008-1534(2013)06-0493-06

TK433

A

10.7535/hbgykj.2013yx0620

2013-06-07;

2013-08-31

責任編輯：張士瑩

張 明(1985-)，女，河北衡水人，助理工程師，主要從事內燃機燃料方面的研究。

E-mail：442686116@qq.com