利用LNG低溫特性給卡車空調制冷的可能性分析

楊源，史澄輝，余謙，郭杜鵬

（西安德森新能源裝備制造有限公司技術部，陜西 西安 710021）

利用LNG低溫特性給卡車空調制冷的可能性分析

楊源，史澄輝，余謙，郭杜鵬

（西安德森新能源裝備制造有限公司技術部，陜西 西安 710021）

文章簡要的介紹了LNG(液化天然氣)在重型卡車空調制冷上的應用，利用LNG溫度維持在-163℃的特點，分析了其代替汽車空調壓縮機的可實施性，提高重型卡車空調制冷效率。

道路運輸；新能源；LNG；空調

CLC NO.: U473.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-67-02

前言

中國地域遼闊，隨著改革開放與經濟的發展，物流運輸行業蓬勃向上。時代的進步與人民生活水平的提高，機動車保有量不斷增長，機動車排放環保問題日益凸顯，新的清潔能源則不斷受到重視。隨著LNG 汽車的迅速增長，車用LNG消費量的激增[1]，冷能回收問題變得日益迫切。回收這部分冷量，不僅能有效利用能源[2]，而且減少了機械制冷的大量電能消耗，具有非常重要的技術經濟及環保利用價值但常規汽車空調因其自身工作原理的限制，導致其占用汽車發動機部分動力用于制冷工作，且無法在熄火的狀態下制冷[2]。因此，本文希望利用LNG自身的低溫特性，替代常規空調壓縮機制冷的方式，達到不占用發動機動力，熄火狀態下亦可使用的效果。

1 LNG在重卡上的使用特點

1.1 LNG自身特點

LNG（Liquefied Natural Gas的縮寫），液化天然氣低溫液體。LNG與汽油、柴油相比，HC含量降低了70%以上，CO含量降低了90%以上，NOx含量降低了35%，尤其是柴油車特有的固體顆粒物含量幾乎降低了100%，減排二氧化碳90%，綜合減排80%；同時LNG燃點高于汽油燃點223℃，安全性更高；LNG相比汽油和柴油，使用成本降低30%、動力持平[3]。因此在中遠途物流市場上頗受歡迎。

1.2 LNG氣瓶

LNG在重型卡車的使用上，儲存于車用液化天然氣氣瓶中，氣瓶作為LNG重型卡車的“燃料箱”，能夠自動提供連續穩定的氣體，且具有可重復充裝功能。氣瓶整體可在環境溫度（-40℃～60℃）下使用，因內膽灌裝有LNG，內部溫度通常在-163℃左右，工作時內部壓力通常為0.6MPa～1.2MPa（5）。

2 常規重卡空調使用狀態

柴油卡車在行駛的狀態中，發動機帶動空調壓縮機運轉，壓縮機壓縮制冷劑，制冷劑經過高壓、熱交換等物理變化，產生冷氣[4]。但壓縮機的運轉，必然會造成一部分動力的損失。據測試，在車輛正常行駛的條件下，影響車輛能耗的各種部件中，車用空調是高能耗的附屬配件，占車輛能耗中的10% - 20%（與車輛速度有關），而其中50%用于空調壓縮機的驅動（5）。在停車休息時，考慮到功耗、噪音、尾氣污染等，無法一直讓發動機運轉來帶動空調壓縮機制冷。所以在熱天休息時，車廂內無法降溫的問題凸顯嚴重。

為了解決停車時駕駛室內制冷問題，應運而出了多種非官方零部件改裝方案。常見的有：（1）在駕駛室后加裝單缸柴油機直接驅動空調壓縮機，價格便宜、容易安裝、經濟性好；（2）加裝單獨開發的柴油壓縮機成品，結構更加緊湊，但成本稍高；（3）加裝小型家用空調壓縮機，同時加裝一個柴油發電機組。

1）溫度傳感器感受冷排溫度，溫度低于設定溫度，直接啟動風扇。

2）若溫度高于設定溫度，電磁閥A1關閉，A2開啟，B1關閉，B2關閉，B3開啟。

3）因罐內本身存在壓力，使得LNG液體通過出液口進入電磁閥A2路。

4）冷排上的溫度傳感器感受到溫度降低后，電磁閥A1、A2、B1、B2、B3關閉。

5）管路內部LNG逐漸升溫，部分汽化，導致管路內壓力升高到一定值（如2.5MPa）時，電磁閥B2開啟，降壓到一定值（如1.9MPa）時，電磁閥B2再次關閉。

6）循環步驟4），直至冷排溫度傳感器感受溫度已經達到駕駛室設定溫度，保留汽化后的LNG，待駕駛時溫度升高后再制冷使用，或發車后用于驅動。

7）若一次進液未達到設定溫度，則管道內與氣瓶內壓力相同且≤1.9MPa(主安全閥起跳壓力)，LNG無法通過壓力傳送至冷排。溫度傳感器感受溫度接近/等于車內溫度傳感器溫度，則重復 步驟1）- 步驟5）。

在車輛停止時使用該空調系統，需要考慮到LNG使用量。部分LNG需要直接排向大氣中，雖然對環境沒有直接污染、很快散逸[5]，但是因為是易燃品，所以過大的消耗量依舊不是最佳選擇。

總體設計上如果所有LNG都經過冷排再進入各個管道，可以取消電磁閥A。但電磁閥A的設計，主要考慮是在不使用空調時，大量LNG經過冷排，會使冷排長期處于冷凍狀態，可能導致冷排大量結冰堵塞，甚至影響冷排的使用壽命。但如果冷排本身材料達到常冷也不損壞，則會有以下優點：1）節約一副管路和電磁閥；2）開啟空調時，冷排本身溫度就低，空調制冷效果快；3）冷排直接與空氣接觸，可以促進LNG的汽化效果。

在所有的環節中，LNG依舊處于卡車供氣管道中，不需要借助任何的載冷劑，空氣直接與冷排接觸，只存在溫度的改變，不存在任何的相變，完成整個循環[6]。

2.1 系統在各種工況下切換的模式分析

還需要考慮車輛在幾種工作狀態交替的情況下，系統的設計是否存在缺陷。以下是可能遇到的各種轉換情況：1、開車時使用空調，停車后，空調依然開啟。2、開車時使用空調，停車后關閉空調。3、開車時不使用空調，停車后開啟空調。4、開車時不使用空調，停車后也不開啟空調。

經過3.1.2中敘述的理論進行推導，未發現可能會出現的失效或失控現象，可以滿足車輛在各種工況中的使用。

LNG卡車行駛過程中，供冷量隨著耗氣量的增加而增加，隨著風量的增加而增加。在室內干球溫度為35℃，濕球溫度為24℃下，風機風量為482m3/ h，LNG耗氣量為10kg/h時，產出制冷量為4.0kW[7]。而現有傳統氣體壓縮式汽車空調制冷量為3.0kW時，即可滿足汽車空調絕大部分熱負荷[8]。

2.2 LNG空調系統優點

LNG自身溫度低至-163℃，依靠LNG作為冷源，有以下優點：1、不消耗發動機所產生的能量，提高發動機功率利用率；2、夜間停車熄火后依然可以制冷，沒有噪音；3、超過車載空調壓縮機的制冷能力，有更高的制冷效率；4、使用時幾乎是“0成本”；5、智能化控制，操作簡便。

4 結論

重型卡車是現代物流必不可少的重要組成部分，在全球物流中起到了中流砥柱的作用。在近年嚴禁超載的交通政策下，更多的司機、車輛加入了物流行業。隨著車輛的增加，環保、能耗、司機舒適度的優化和改進都更加迫切。

LNG相對于目前大量應用的石油能源，擁有更廣闊的市場前景。通過理論論證，利用LNG進行制冷可以實現，填補了目前市場空白，而且具備如下優點：減少了車輛所需裝配的空調壓縮機成本，提升了LNG利用率，增加了LNG氣化效率，節省發動機動力，擁有更高的經濟效益，車輛熄火時也可繼續使用空調制冷。

[1] 王強,厲彥忠,張朝昌.液化天然氣( LNG) 冷能回收及其利用［J］.低溫工程,2002(4): 28-31.

[2] 張平.汽車空調系統工作原理以及具體結構解析[J].企業技術開發,2015,34（14）:19-21.

[3] 顧安忠,石玉美,汪榮順.中國液化天然氣的發展［J］.石油化工技術經濟,2004(1): 1-7.

[4] 劉雁俊,孫恒五.LNG重卡特性及其應用環境研究[J].科技博覽，2014（32）:244.

[5] 劉雁俊,孫恒五.LNG重卡特性及其應用環境研究[J].科技博覽,2014（32）：244.

[6] 肖星.一種利用LNG 冷能的空調系統研究［D］.武漢: 華中科技大學,2012.

[7] 鄧冬,陳江平,張勝昌,肖國平.LNG重卡冷能被汽車空調系統使用試驗研究[J].制冷與空調,2016,16(05):87-91.

[8] 王武,孫文濤.重型卡車空調系統設計[J].汽車實用技術,2012(8)：25-31.

Analysis on the viability of LNG-aiding air-conditioning

Yang Yuan, Shi Chenghui, Yu Qian, Guo Dupeng
( Xi’an DESEN New Energy Equipment Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710021 )

A general introduction on the practicality of using LNG in the traditional air conditioning systems within heavy trucks, as a more efficient substitute given its low temperature(-163 degree Celsius). In this paper, we proved that taking the cold energy of LNG from heavy trucks for automobile air-conditioner and increase the refrigeration efficiency.

Transportation; New Energy; LNG; Vehicle Air Conditioning

U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-67-02

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.023

楊源，工程師，就職于西安德森新能源裝備制造有限公司，主要從事新能源汽車、LNG氣瓶設計與制造。