LNG-CNG共用系統的設計及試驗研究

王崗，申曉霞，孟林昆（陜西重型汽車有限公司， 西安 710200）

LNG-CNG共用系統的設計及試驗研究

王崗，申曉霞，孟林昆
（陜西重型汽車有限公司， 西安 710200）

本論文介紹了一種LNG-CNG共用系統，包括LNG、CNG燃料共用及CNG向LNG氣瓶增壓，解決了寒區LNG重卡暖機速度慢及氣瓶壓力升壓慢或升不上去的問題。論文還針對采用該系統的一款LNG-CNG共用牽引車進行了暖機試驗，LNG、CNG切換平順性試驗以及CNG向LNG氣瓶增壓試驗，驗證了LNG-CNG共用系統的可行性；通過對LNG及CNG用氣量的計算，得到LNG氣瓶及CNG氣瓶最佳容積匹配。

LNG-CNG共用系統；增壓；燃料共用

前言

LNG以其綠色環保性、安全性能高、價格低、儲存密度大、續駛里程長等優點［1-3］，廣泛應用于重卡行業。然而，LNG重卡也存在著諸多問題需要我們進一步去研究、改進：（1）在氣溫較低的地區，LNG車由于汽化吸熱需要發動機冷卻液溫較高時才可使用，因此，較CNG車及柴油車起動慢；（2）LNG重卡在加液站剛加完液或氣瓶內液量值較低時氣瓶壓力升壓慢或升不上去，在寒區尤為嚴重。而事實上，西北、東北以及俄羅斯等寒冷地區正是天然氣存量大、價格低廉的區域，這兩項問題導致目前寒區LNG重卡客戶抱怨特別嚴重。本論文提出一種LNG-CNG共用技術解決上述寒區LNG重卡存在的問題，該技術在常規LNG汽車上增加一個CNG氣瓶及相關管路元件，可同時實現CNG向LNG氣瓶的快速增壓以及CNG替代LNG向發動機進行供氣。

1　LNG-CNG共用系統設計

1.1LNG-CNG共用系統設計原則

LNG-CNG共用供氣系統采用LNG作為主要燃料，CNG作為快速增壓裝置及備用燃料，由于CNG在氣瓶中主要以常溫高壓氣態形式存儲［4］，LNG在LNG氣瓶中以低溫低壓飽和液的方式存儲［4-5］，而氣體發動機對要求以氣態CNG/LNG進行供氣，溫度在30℃～50℃、壓力在0.8MPa～1.2MPa的范圍內。因此，LNG-CNG共用系統的主要工作流程如圖1所示：

1.1.1LNG、CNG燃料共用技術

在常規LNG汽車上，增加CNG供氣系統，于緩沖罐前將LNG、CNG燃氣管路進行合并，通過電器元件控制LNG電磁閥與CNG供氣減壓閥1進行供氣方式切換。開啟時默認啟動CNG方式，保證發動機正常啟動，冷卻液在水浴汽化器里開始循環，冷卻液溫度達到預期溫度、氣瓶壓力達到供氣壓力時，可通過控制電器元件將供氣方式切換至LNG模式，兩種供氣方式實現互鎖功能。其余狀態，用戶可根據需要自行切換供氣方式。

1.1.2CNG向LNG氣瓶增壓技術

在CNG向LNG氣瓶增壓技術方面，由于國內加液站未配備增壓泵，重卡在一般LNG加液站剛卸完液進行加液后，氣瓶內壓力可能低至0.4MPa～0.5MPa，此時發動機無法啟動，或者出現低壓報警；如果單靠傳統自增壓，在寒區需可能增壓很長時間，才能勉強達到發動機使用要求；而將高壓CNG進行減壓后充入LNG氣瓶增壓，則能大大提高LNG氣瓶增壓速度。另外，當氣瓶內液量為20%以下時，自增壓常常無法滿足發動機使用，氣瓶壓力一直呈緩慢下降的趨勢，導致發動機出現動力不足的現象，而采用CNG向LNG氣瓶增壓則可有效避免該項問題。

1.2LNG-CNG共用系統方案設計

考慮到LNG、CNG各自自身物性特點、操作安全性以及維修方便性，LNG-CNG共用系統中需要增壓各輔助元器件以實現該系統的正常使用及維護，具體方案如圖2所示：

1.2.1LNG、CNG燃料共用工作流程

當LNG供氣時，液態LNG從LNG氣瓶2中出來，經過內止回閥14、LNG出液閥15、過流閥16，由汽化器17汽化為氣態LNG，再通過電磁閥33、緩沖罐35，由穩壓器36穩定后進入發動機，若LNG氣瓶2內壓力高于經濟閥壓力時，氣態LNG也可從LNG氣瓶2氣相空間出來，與液態LNG形成氣液混合物，向發動機供氣；當CNG供氣時，高壓CNG從CNG氣瓶28中出來，經過CNG過流閥24、CNG總截止閥20、放空閥25、高壓粗濾器26、高壓精濾器27，并由CNG供氣減壓器29減壓為低壓氣體后，進入緩沖罐35，再經過穩壓器36進入發動機。LNG與CNG供氣切換由LNG、CNG供氣切換模塊控制電磁閥33及CNG供氣減壓器29而實現。

1.2.2CNG向LNG氣瓶增壓工作流程

當CNG向LNG氣瓶增壓時，高壓CNG從CNG氣瓶28中出來，經過CNG過流閥24、CNG總截止閥22、放空閥25、高壓粗濾器26、高壓精濾器27、CNG增壓截止閥30，由減壓器（CNG-＞LNG氣瓶）31減壓為低壓氣體，再通過調壓閥（CNG-＞LNG氣瓶）32、回氣截止閥12進入LNG氣瓶氣相空間，實現LNG氣瓶的增壓。其中，CNG向LNG氣瓶增壓的啟閉由CNG總截止閥22、CNG增壓截止閥30及回氣截止閥12共同控制；調壓閥（CNG-＞LNG氣瓶）32可保證LNG氣瓶壓力到達其設定值時，增壓自動停止，節約CNG的用量。

1.2.3系統輔助工作流程

液態LNG由重力從LNG氣瓶2中出來，經增壓截止閥4、自增壓調壓閥3，由自增壓盤管1充分與空氣進行熱交換成為氣態LNG，并通過回氣截止閥12實現LNG氣瓶的自增壓，可對CNG向LNG氣瓶增壓提供輔助增壓，節約CNG的用量；LNG經由LNG加液口11、進液單向閥5進入LNG氣瓶2，實現LNG氣瓶的加液；CNG經由CNG加氣口11、CNG進氣截止閥22、單向閥23及CNG過流閥24進入CNG氣瓶28，實現CNG氣瓶的加氣；LNG回氣口10可在加液時氣瓶壓力過高導致加液速度慢或加液加不進去時接通，使LNG氣瓶2中氣相LNG排出；主安全閥6、副安全閥7、增壓管路安全閥9以及供氣管路安全閥37可分別在LNG氣瓶2、增壓管路及供氣管路出現壓力過高時自動起跳進行減壓，保證系統的安全性；LNG氣瓶壓力表8、CNG氣瓶壓力表19以及供氣管路壓力表34可方便用戶實時監控LNG氣瓶2、CNG氣瓶28以及供氣管路的壓力。

2　LNG-CNG共用系統試驗

以某LNG-CNG共用牽引車為研究對象，如圖3所示，其驅動形式為6×4，軸距為3775+1400，列車總質量為55T，選用WP12NG400E50發動機、12JSD200T變速器以及MAN13T雙級減速橋，前軸采用MAN7.5T前軸，采用12.00R20子午胎，供氣系統采用LNG-CNG共用系統。對該牽引車中CNG向 LNG增壓效果、CNG供氣的暖機效果以及LNG與CNG供氣切換平順性進行試驗驗證。

2.1暖機試驗

通過測量CNG啟動待LNG能正常使用時，發動機冷卻液溫度升高時間、CNG用氣量，驗證LNG-CNG重卡暖機效果以及此階段CNG用氣量。

在環境溫度為-5℃，車輛滿載，車速為0-40km/h，發動機初始冷卻液溫度為0℃，暖機至發動機冷卻液溫度為50℃時，所需暖機時間為5min，CNG使用量為1.6 Nm3。

2.2CNG、LNG切換平順性試驗

當CNG、LNG均能進行正常供氣時，進行CNG、LNG供氣切換，驗證LNG、CNG供氣切換的平順性，保證車輛在運行狀態中可任意切換供氣方式。

在環境溫度為-5℃，車輛滿載，車速為20-60km/h時，每1公里進行一次LNG/CNG供氣切換，共試驗30次，切換順利，無任何異常狀況出現。

2.3CNG向LNG氣瓶增壓試驗

通過測試LNG-LNG兩用牽引車剛加完液，環境溫度較低的情況下，LNG自增壓時間以及CNG向LNG氣瓶增壓用氣量和增壓時間，確定CNG向LNG增壓效果。

在環境溫度為-5℃，車輛滿載，LNG液量為80%、初始壓力為0.5MPa時，采用LNG自增壓至LNG氣瓶壓力為0.8Mpa，需進行怠速增壓40min，方可使用；而同樣初始條件下，采用CNG向LNG氣瓶增壓，則需要怠速增壓5min即可達到行車要求，而由于LNG氣瓶內部熱交換速度低于CNG增壓速度，故在實際使用中，用CNG增壓啟動后，需繼續開啟CNG增壓模式行駛20min，保證LNG氣瓶內部熱交換充分，此時，共需要增壓用CNG量為3.84Nm3。

3　LNG、CNG氣瓶容積匹配計算

上述6×4 LNG-CNG共用牽引車2×450L的LNG氣瓶續駛里程 K 為：

其中，η = 0.9，為LNG氣瓶充裝率；

v為LNG氣瓶容積；

e 為該F3000 6×4牽引車氣耗。

而用戶在實際使用牽引車時，平均行駛速度v約為60km/h，每天工作時間t 約為12小時，每天行駛里程數L為：

L= vt = 60×12 =720km

則該重卡加一次LNG可使用1-2天。由于LNG重卡在停駛12小時以上需暖機，在加液站加液后需CNG向其快速增壓。因此，若CNG加氣與LNG加液頻次相同，則若CNG容量可供該重卡暖機2次，增壓2次（兩LNG氣瓶各一次），可認為其容量匹配合適。

而根據2.1試驗結果確定LNG環境溫度為-5℃，車輛滿載時，CNG暖機至LNG燃料正常使用的使用量E1為

一般LNG加液站剛卸完液的液體溫度為-140℃～-120℃，根據深冷液體飽和特性，其對應的飽和壓力為0.5MPa以上。因此，可根據2.3試驗結果確定CNG單次向LNG氣瓶增壓用氣量E2最多為3.84 Nm3。

因此，每次LNG加液需要的CNG量E為：

而常規單80L CNG氣瓶的容量E0為：

其中，η0=0.9，為CNG氣瓶使用率；V0=80L，為CNG氣瓶容積；P=20MPa，為CNG氣瓶加氣后瓶內壓力；

因此，本LNG-CNG重卡采用80LCNG氣瓶匹配2×450的LNG氣瓶，即可滿足使用要求。

4　結論

本文結合LNG和CNG供氣系統自身的優缺點，解決了LNG重卡在寒區啟動慢、LNG氣瓶升壓慢或升不上去而導致發動機動力不足等問題。

突破了LNG供氣系統的發展瓶頸，最大化體現LNG和CNG供氣系統的特點，極大提高重卡的運輸效率，為燃氣經濟性帶來大的經濟效益。

［1］馮陳玥等. LNG汽車發展現狀及相關問題分析［J］.研究與探討，2014.2：32-35.

［2］張明鋒等. LNG燃料汽車的應用研究［J］.能源研究與管理，2013（2）：49-52.

［3］王永偉等. LNG氣瓶的優點及發展現狀研究［J］.大眾汽車，2013年第19卷第2期：12-14.

［4］李永昌. CNG汽車與LNG汽車的簡要比較［J］.城市公共交通，2014（4）：25.

［5］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.

專家推薦

劉正白：

LNG-CNG共用系統的設計及試驗研究具有理論意義和實用價值，為這方面的應用研究提供了一個很好的參考。值得發表。

Design and Experimental Research of a LNG-CNG Shared System

WANG Gang, SHEN Xiao- xia, MENG Lin- kun
（ Shanxi Heavy Duty Automobile Co., Xi'an 710200, China ）

This paper provides a LNG-CNG shared system, including a subsystem of fuel sharing of LNG -CNG and a pressurization subsystem for LNG tank by CNG, to shorten warm-up time of LNG vehicle and solve the problem that the LNG tank pressure boost slow or does not rise up. In order to verify the feasibility of LNG-CNG shared systems, a heavy duty vehicle with the LNG-CNG shared system is used for the experiments of warm-up, switching of LNG and CNG, and pressurization from CNG cylinder to LNG tank. At last, an optimum matching relationship of LNG cylinder and CNG tank is obtained by the calculation of LNG and CNG gas consumption.

a LNG-CNG shared system； pressurization； fuel sharing

U464.136

A

1005-2550（2016）03-0052-04