車用LNG增壓泵系統設計研究

王崗，吳潤漢

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

?

車用LNG增壓泵系統設計研究

王崗，吳潤漢

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

文章介紹了一種車用LNG增壓泵系統，可代替現有車用LNG系統中自增壓裝置。該系統由控制器采集發動機、LNG系統及環境溫度等參數控制安裝于氣瓶內部的往復式低溫泵將氣瓶內低溫LNG液體抽出,液態LNG經汽化器氣化后，通過緩沖罐、電磁切斷閥，穩壓器及發動機其他附件進入發動機后帶動整車工作。該系統解決了自增壓LNG系統供氣不穩定、安全隱患高、氣瓶的絕熱性能差等問題。

增壓泵；汽化器；緩沖罐

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.020

CLC NO.: U469.75 Document Code:A Article ID: 1671-7988 (2016)06-57-03

前言

因目前國內加液站僅能提供壓力為0.4MPa～0.6MPa的LNG液體，不滿足LNG車輛發動機進氣壓力要求，針對該項問題，主要有兩種解決方案：（1）加液站增加加壓設備：提供發動機需要的飽和蒸汽壓。這樣將大大增加加液站的成本，因此現國內各加液站幾乎沒有。（2）車用 LNG氣瓶自帶增壓設備，對 LNG液態或氣態增壓。事實上，國內車用LNG系統一般匹配氣瓶自增壓系統，來增加氣瓶壓力，保證發動機正常供氣。常用的 LNG自增壓主要包括水浴式及空溫式等方式。但自增壓裝置因其自身原因，存在如下問題：1）自增壓系統供氣不穩定，當發動機高速運轉和發動機急加速時會產生供氣不足現象；2）而當瓶內液面過低時，自增壓設備存在失效風險；3）加液后升壓過程耗時過長：當加液站加液壓力過低時，帶自增壓設備的 LNG氣瓶在充液后需要等待15～30分鐘升壓（受環境溫度影響）；4）自增壓系統在氣瓶內壓力較高時，系統排壓幾率增加，增加氣耗；5）自增壓設備存在安全隱患：自增壓設備為整個供氣系統最薄弱的環節，并影響氣瓶的絕熱等其他性能；6）自增壓設備操作不便：自增壓設備需要人工手動操作。本論文介紹一種車用 LNG增壓泵系統，代替了現有車用 LNG系統中自增壓裝置，采用控制器控制安裝在氣瓶內部的往復式低溫泵將氣瓶內低溫LNG液體抽出并加壓，液體經汽化器、緩沖罐、電磁截斷閥、穩壓器以及其他發動機附件進入發動機，滿足發動機進氣壓力及溫度要求。

1、車用LNG增壓泵系統的設計

1.1車用LNG增壓泵系統原理簡介

該車用LNG增壓泵系統工作原理為：安裝于LNG氣瓶內部的往復式低溫泵從氣瓶內抽取低溫 LNG液體并加壓，液態LNG經汽化器氣化后，依次通過緩沖罐、電磁切斷閥、穩壓器、濾清器、熱交換器及節溫器進入發動機后帶動整車工作，其中，低溫泵的工作主要通過發動機帶動液壓油泵將油罐中的液壓油吸出，進入液壓控制閥控制低溫泵的動作，回油經過油冷器進行降溫后再返回液壓油罐。液壓控制閥作為控制低溫泵動作的主要元件，通過系統控制器采集發動機信號、LNG供給管路上汽化器電控節溫器、緩沖罐壓力傳感器以及溫度傳感器等進行閉環自動控制，具體工作原理圖如圖1所示，系統工作流程圖如圖2所示。

圖1　車用LNG增壓泵系統工作原理圖

圖2　車用LNG增壓泵系統工作流程

1.2車用LNG增壓泵系統控制系統設計

系統控制器（TCU）作為該車用 LNG增壓泵系統的集成控制器，通過信號反饋控制液壓控制閥進行工作，進而控制低溫泵的動作，保證發動機的進氣壓力；控制汽化器節溫器開度，調節發動機冷卻水經過汽化器的流量，使得系統中LNG滿足發動機進氣壓力及溫度要求，如圖3所示，其中，P1為緩沖罐壓力傳感器；T1為緩沖罐溫度傳感器；T2為環境溫度傳感器；P2液壓控制閥壓力傳感器；JW1為汽化器電控節溫器。

圖3　車用LNG增壓泵系統控制系統原理圖

1.2.1燃氣壓力控制方式

系統控制器（TCU）通過采集發動機ECU、緩沖罐壓力傳感器 P1的數據控制低溫泵工作將緩沖罐后壓力控制在0.8MPa～1.5MPa范圍內，保證發動機正常供氣需求。具體地，車用 LNG增壓泵系統燃氣壓力控制方式為：（1）系統控制器（TCU）采集發動機ECU、緩沖罐壓力傳感器P1的數據控制液壓控制閥的動作，抽出LNG氣瓶內低溫LNG并增壓，經汽化器氣化后至緩沖罐。當緩沖罐壓力大于1.5MPa時，滿足發動機動力需求時，系統控制器（TCU）控制液壓控制閥的的旁通機構工作，切斷低溫泵的液壓動力，低溫泵停止工作；當緩沖罐壓力大于0.8MPa而小于1.5MPa時，系統控制器（TCU）控制液壓控制閥的的旁通機構工作，按壓力從大到小逐步恢復低溫泵的液壓動力，往復式低溫泵開始工作，從而將 LNG液體從氣瓶中抽出并增壓；當緩沖罐壓力小于 0.8MPa時，系統控制器（TCU）控制液壓控制閥的的旁通機構全開，低溫泵全速工作，從而將緩沖罐壓力升至0.8MPa。（2）液壓控制閥壓力傳感器 P2檢測液壓系統工作壓力，系統控制器（TCU）若檢測工作壓力異常，則控制液壓泵停止工作。

1.2.2燃氣溫度控制方式

燃氣溫度裝置使發動機進氣溫度控制在30℃～50℃，使其滿足發動機最佳使用要求。具體控制方式為：（1）系統控制器（TCU）通過讀取電控節溫器JW1溫度傳感器數據后，調整其出水口流量，將燃氣溫度控制在50℃下，并且保證汽化器氣化量穩定，并滿足發動機最佳進氣要求。系統控制器（TCU）同時檢測緩沖罐出氣口溫度T1，進一步調節電控節溫器出水流量保證燃氣溫度不大于50℃。（2）發動機熱交換器出水口端與汽化器節溫器JW1水路串聯，熱交換器氣路與汽化器節溫器JW1氣路串聯，進行發動機燃氣溫度的二次控制。當發動機燃氣進氣溫度小于30℃時，冷卻水流量不小于30L/min，燃氣溫度上升，熱交換器水流量下降；當燃氣溫度大于 40℃時，熱交換器水路完全關閉。（3）溫度傳感器 T2檢測環境溫度，系統控制器（TCU）通過環境溫度數據，判斷氣化器是否正常工作，若汽化器出氣溫度大大小于環境溫度，則系統立即停止工作避免發動機故障。

2、車用LNG增壓泵系統匹配選型

2.1發動機燃氣消耗量

關于“算術是物體集合”隱喻，萊考夫又列舉了一些隱喻的語言學的例子進行了闡述。例如，他指出，詞語“add”的物理意義是把大量物體放入容器(或一組物體)中。就像“把糖加到咖啡里”，“把木頭加到火里”，“把洋蔥和胡蘿卜加到湯里”。同樣，詞語“take…from”，“take…out of”，和“take…away”的物理意義是從某個容器或集合(collections)中去掉一個物體或許多物體。例如，“從箱子中拿出一些書”，“從鍋里取出一些水”，“從這些木頭中拿出一些”。

國內車用天然氣發動機最大功率為濰柴的 WP13NG 450E50，此發動機的外特性（見表1）可知，發動機在轉速2100r/min、扭矩1466N·m時氣耗67kg/h。

表1　WP13NG450E50發動機外特性數據表

2.2汽化器氣化量選型

汽化器氣化量H需大于發動機氣耗Q，其關系為：

其中：k---安全系數；k=1.1；

Q---氣耗量，Q1=67kg/h；

T1---標況的絕對溫度，T1=273K；

T2---汽化器出氣口絕對溫度，T2=303K.得出：汽化器氣化量H>103m3/h.

2.3低溫泵參數選型

工作頻率：100c/min（發動機轉速為2100r/min）工作壓力：2MPa

泵出液量：0.011Kg/次

泵出液壓力：0.8MPa～1.5MPa

3、結論

該車用 LNG增壓泵系統，采用控制器控制安裝在氣瓶內部的往復式低溫泵將氣瓶內低溫 LNG液體抽出并加壓，取代了現有 LNG供給系統中自增壓，降低了氣瓶靜態蒸發率，減少了系統安全隱患，提高了系統供氣穩定性，今后必將廣泛地應用于車用LNG供氣系統中。

[1] 朱圣良等.低溫液體泵設計及模擬分析. 真空與低溫 2011.8:27- 30.

[2] 王芳. 低溫液體運輸車輕量化設計的研究. 機械制造與研究, 200610:30-32.

[3] 柯賢志. 淺析LNG在商用車中的應用[J]. 汽車實用技術,2014年第3期:14-17.

Design and research of the LNG booster pump system for vehicle

Wang Gang, Wu Runhan
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper introduces a LNG booster pump system for vehicle, instead of the self-pressurized device of the existing LNG system. The reciprocating LNG cryogenic pump in this system, controlled by the signals from the engine, LNG system, environmental temperature and so on, can pump the cryogenic LNG liquid from the LNG tank. Then the cryogenic LNG liquid is vaporized by the vaporizer. And finally, the LNG gas enters into the engine for the vehiclethrough the buffer tank, electromagnetic shut-off valve, the regulator and other engine attachment in turn. The system provided in this paper solved the problems of unstable gas supply, high security hidden danger, and poor thermal insulation performance of LNG tank in the self-pressurized LNG system.

booster pump; vaporizer; buffer tank.

王崗，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司。

U469.75

A

1671-7988 （2016）06-57-03