LNG汽車氣瓶的技術要求和工作原理

韓濤，祁增祿，康思宇，石亞鋒，延磊

LNG汽車氣瓶的技術要求和工作原理

韓濤，祁增祿，康思宇，石亞鋒，延磊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

由于天然氣儲量大、價格便宜，作為燃料產(chǎn)生污染小，天然氣重卡近年來發(fā)展迅速，目前LNG重卡廣泛應用于運輸行業(yè)的細分市場，扮演者越來越重要的角色，為了LNG汽車更好的發(fā)展，現(xiàn)對LNG汽車氣瓶的技術要求和工作原理進行介紹和分析。

LNG；氣瓶；技術要求；工作原理

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-192-03

引言

重型卡車市場歷來有國民經(jīng)濟的“晴雨表”和經(jīng)濟宏觀政策與行業(yè)法規(guī)的“風向標”之說。由此可見，宏觀經(jīng)濟走勢與重型卡車市場關聯(lián)度極大。隨著經(jīng)濟的不斷增長，汽車產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，但同時也帶來了石油燃料的日益減少和環(huán)境污染等問題。天然氣是優(yōu)質清潔燃料，儲量大，價格便宜，污染小，因此被認為是汽車的最佳替代燃料。天然氣重卡有CNG（壓縮天然氣）汽車和LNG（液化天然氣）汽車兩種。其中LNG能量密度大，續(xù)駛里程長，因此LNG卡車近年來發(fā)展較快。

1 液化天然氣的定義及物性參數(shù)

1）液化天然氣即為液態(tài)的天然氣 (Liquefied Natural Gas)，簡稱“LNG”。是天然氣經(jīng)過低溫冷凝等一系列處理，使天然氣在超低溫（-162°C）常壓狀態(tài)下液化，成為液化天然氣。

表1

2）液化天然氣的物性參數(shù)：液化天然氣基本是無色、無味的液體；對金屬沒有腐蝕性；不溶解于水，但在許多有機化合物以及氫氣和氧氣中是溶解的。

3）將天然氣歸類到清潔能源類，是因為天然氣燃燒時僅排放水和少量的二氧化碳粉塵和極微量的一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物：CH4＋2O2→ CO2＋2H2O。

4）液化天然氣的物理參數(shù)：如表1所示：

5）常用燃料物性參數(shù)與天然氣的比較：如下表所示：

表2

2 LNG氣瓶的組成

1）LNG車用氣瓶的結構分為氣瓶內(nèi)容器、氣瓶內(nèi)容器、氣瓶接口閥門、LNG液位傳感器和絕緣被組成。

2）氣瓶是一種儲存LNG的高真空絕熱容器，主體結構含內(nèi)膽和外膽，中間為真空和絕熱保溫形式。在內(nèi)膽外壁纏繞由玻璃纖維和光潔的鋁箔組成的多層絕熱材料，夾層中配有氧化鈀、分子篩等以延長真空使用壽命。外殼設計主要用于與內(nèi)膽形成夾層空間，用于保障內(nèi)膽的到達最好的絕緣效果，效果越好，LNG在氣瓶內(nèi)儲存的時間就越長。

3）內(nèi)膽用來儲存低溫液態(tài)的LNG，在其外壁纏有多層絕熱材料，具有超強的隔熱性能，同時夾套（兩層容器之間的空間）被抽成高真空，共同形成良好的絕熱系統(tǒng)。外殼和支撐系統(tǒng)的設計能夠承受運輸車輛在行駛時所產(chǎn)生的相關外力。

內(nèi)膽設計有兩級安全閥在超壓時起到保護作用，這樣使氣瓶使用確保安全。

3 LNG氣瓶技術要求

（1）車用LNG氣瓶必須滿足以下基本要求

① LNG氣瓶所有附件工作壓力等級不得低于LNG氣瓶的最大允許工作壓力；

② 絕熱性能可靠，日蒸發(fā)率小于2%；至少可帶液靜置7天安全閥不開啟；

③ 具有合適的液體充裝率，由于外界不可避免有熱量傳入，或者由于運行中的晃動，蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體也不能任意排放，因此必須保證LNG氣瓶有足夠上網(wǎng)氣相空間，是壓力升高不致過快，以保證LNG氣瓶的安裝靜置時間；

④ 在滿足絕熱性能的前提下，支撐結構應盡量簡化且必須有足夠的強度；

⑤ 具有良好的抗沖擊性能，汽車在運行過程中，由于劇烈顛簸、沖擊而使氣瓶內(nèi)膽與外殼之間易發(fā)生相對位移和結構變化，而LNG加注時的沖擊力也容易引起內(nèi)膽的晃動，為了保證運輸?shù)陌踩?，要求LNG氣瓶具有良好的抗沖擊性能；

⑥ 液位和壓力指示靈敏、準確，抗干擾能力強。

4 車用LNG系統(tǒng)的工作原理

（1）液化天然氣汽車燃料系統(tǒng)由氣瓶、汽化器、緩沖罐、自增壓系統(tǒng)、降壓調(diào)節(jié)閥（穩(wěn)壓器）、發(fā)動機系統(tǒng)組成；閥門組件圖如下圖所示：

圖1

（2）汽化器主要是利用發(fā)動機循環(huán)冷卻水把液化天然氣進行加熱汽化，使天然氣達到滿足發(fā)動機使用溫度、流量要求。

（3）降壓調(diào)節(jié)閥（穩(wěn)壓器）主要作用是將汽化器汽化后的天然氣進行減壓，使之滿足發(fā)動機的使用壓力要求，且保持壓力穩(wěn)定。

（4）緩沖罐的作用是儲備一定量的氣體，以備不時之需。當汽車功率較大，啟動時需要較多的天然氣時，可以在降壓調(diào)節(jié)閥后配備一只緩沖罐。

（5）自增壓系統(tǒng)的作用通過自增壓管路熱能來增加氣瓶壓力。

（6）內(nèi)膽設置了兩級安全閥（管路系統(tǒng)中）會在內(nèi)膽超壓時起到保護的作用。在超壓情況下主安全閥(Svs)（開啟壓力為1.59MPa）首先打開，其作用泄放由于絕熱層和支撐正常的漏熱損失導致的壓力上升、或真空遭破壞后以及在失火條件下的加速漏熱導致的壓力上升。副安全閥(Svp)（開啟壓力為2.41MPa）的壓力設定比主安全閥高，在主安全閥失效或發(fā)生堵塞時，副安全閥啟動。

圖2 流程圖代號意義

（7）在夾層超壓條件下，外殼的保護是通過一個環(huán)形的真空塞來實現(xiàn)的。正常情況下，真空塞被大氣壓壓緊在真空塞座內(nèi)，使大氣與夾層空間隔絕，保證夾層的真空度。由于低溫液體或蒸汽受熱后體積變化比較大，即使少量的低溫液體或蒸汽泄漏進入夾層，也會導致夾層壓力迅速升高。當夾層壓力超過0.17MPa（表壓）左右，真空塞將會打開泄壓。

（8）設置了經(jīng)濟閥(Er)，在使用過程中（長時間停駛除外）經(jīng)濟閥能夠優(yōu)先使用氣瓶內(nèi)膽頂部由于自然蒸發(fā)被汽化而形成的天然氣蒸汽，從而降低氣瓶內(nèi)部的壓力，使得只要在使用氣瓶的壓力就不會升至安全閥的開啟壓力，因而不用放空。

還設置了過流閥（Ef），當外部管路發(fā)生破裂，管路流量大于設定值時，過流閥自動關閉；當關閉過流閥前的液體使用閥后，過流閥自動回位。通過過流閥自動關閉，從而可以有效避免次生危險的發(fā)生。

圖3 LNG汽車氣瓶原理流程圖

（9）整套系統(tǒng)中的獨到之處是設置了自增壓系統(tǒng)。自增壓系統(tǒng)包括：增壓截止閥（Pv）、增壓調(diào)節(jié)閥（PBr) 、自增壓盤管（Pr）及相應的管路。該系統(tǒng)能夠保證且穩(wěn)定地提供氣瓶的正常供液壓力和流量的要求，僅僅通過與空氣進行熱交換，而不需額外的能源。穩(wěn)定的壓力是通過調(diào)節(jié)增壓調(diào)節(jié)閥來控制的，當氣瓶頂部的壓力低于增壓調(diào)節(jié)閥設定的壓力（也就是系統(tǒng)需要的壓力）時，液化天然氣通過增壓截止閥和增壓調(diào)節(jié)閥后進入自增壓盤管與空氣進行熱交換，液體變成蒸汽回到氣瓶的頂部。由于液化天然氣的液氣比較大，因此使得壓力升高。當壓力等于增壓調(diào)節(jié)閥的壓力后，增壓調(diào)節(jié)閥自動關閉，氣瓶壓力不再繼續(xù)升高。

4 結語

LNG氣瓶作為LNG汽車供給系統(tǒng)的核心設備，具有充裝使用方便，充裝量大，續(xù)駛里程長，安全可靠等優(yōu)點，其技術要求和工作原理為發(fā)展LNG汽車打下基礎，對節(jié)約能源，治理環(huán)境污染，改善城市大氣質量具有重要意義。

[1] 顧安忠.液化天然氣技術手冊.2010.

[2] 馬小紅.LNG車載氣瓶 2011.09.

[3] 羅峰,趙峰.LNG汽車氣瓶選型設計2016.09.

[4] 阿里.古巴提.天然氣汽車應用技術研究2014.09.

Technical requirements and Working Principle of Liquefied Natural Gas Cylinder for Automoiles

Han Tao, Qi Zenglu, Kang Siyu, Shi Yafeng, Yan Lei
（Shaanxi Heavy-Duty Automobile Co, Ltd, Shaanxi Xi'an 710200）

Because of the Natural gas reserves big,the price is cheap, and as a fuel pollution from small, gas truck has been developing rapidly in recent years, especially in the energy density of LNG The current LNG truck is widely applied in the transportation industry in each market segment, plays a more and more important role, In order to the better development of LNG vehicle, Now the technical requirement and working principle of LNG vehicle cylinder is instroduced and analyzed.

LNG; Gas cylinder; Technical requirements; Working Principle

U469.7

A

1671-7988 (2017)16-192-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.067

韓濤，就職于陜西重型汽車有限公司。