幾種車載LNG氣瓶后端支撐結(jié)構(gòu)性能對比與選用討論

段武，王平西，夏園園，劉蓓蓓

（西安德森新能源裝備有限公司，陜西 西安 710043）

前言

汽車用液化天然氣氣瓶是天然氣車燃料系統(tǒng)的核心部件，隨著近幾年我國天然氣汽車的發(fā)展，車載 LNG氣瓶也在不斷更新?lián)Q代，近年來大于 500L的大容積氣瓶在市場上的推廣，也將車載氣瓶技術(shù)推向了一個(gè)新的階段，對車載瓶性能、零部件的研究更加深入和細(xì)化。本文介紹了車載液化天然氣（LNG）氣瓶結(jié)構(gòu)概況，對比分析了車載 LNG氣瓶幾種支撐結(jié)構(gòu)對氣瓶絕熱性能和強(qiáng)度可靠性的影響。

1 車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)

車載LNG氣瓶是一種可以替代汽車油箱來盛裝、貯存、供給燃料（液化天然氣），并能自動(dòng)提供連續(xù)穩(wěn)定的燃料氣體的裝置。氣瓶主要由外殼和內(nèi)膽組成雙層（真空）結(jié)構(gòu)，氣瓶外殼與內(nèi)膽之間靠前、后端支撐連接起來，前端通過頸管將內(nèi)、外封頭焊接連接起來，氣瓶后端通過內(nèi)后封頭上的支撐軸與外后封頭的支撐板間隙配合形成支撐，內(nèi)膽可軸向移動(dòng)，消除內(nèi)膽冷熱伸縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

2 幾種車載LNG氣瓶后端支撐結(jié)構(gòu)的介紹

目前車載LNG氣瓶后端支撐結(jié)構(gòu)主要有“十字”型，“C”型，圓盤型。

2.1 “十字”型支撐

采用兩塊 2～5mm的不銹鋼板折彎后，焊接而成，每塊板中間部位一般采用月牙形弧度缺口，減小導(dǎo)熱面積，薄板端頭根據(jù)封頭切線角度，進(jìn)行折彎，增大支撐結(jié)構(gòu)與封頭焊縫長度，提高支撐強(qiáng)度，見圖1。

2.2 “C” 型支撐

采用2～5mm的不銹鋼板折彎成“C”型槽鋼形狀，增加支撐結(jié)構(gòu)的慣性矩，提高支撐剛度，為保證支撐強(qiáng)度，“C”型槽鋼端面切成斜面，角度與封頭貼合處切線角度一致，見圖2。

2.3 圓盤型支撐

采用 2～4mm的不銹鋼板切割成圓形，在圓盤周圍開等直徑的孔，減少導(dǎo)熱面積，支撐圓板與外后封頭連續(xù)焊接，支撐圓盤與外后封頭形成一個(gè)剛性整體結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖1 “十字”型支撐

圖2 “C” 型支撐

圖3 圓盤型支撐

3 幾種后端支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能和剛度對比

車載LNG氣瓶總導(dǎo)熱量主要包括多層絕熱體之間導(dǎo)熱、夾層接管導(dǎo)熱與支承導(dǎo)熱這三部分。氣瓶的支撐部分是氣瓶的主要導(dǎo)熱途徑，特別后端支撐導(dǎo)熱量占?xì)馄靠倢?dǎo)熱量30%以上。

3.1 導(dǎo)熱性能

3.1.1 “十字”型和“C” 型后端支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱量計(jì)算如下：

式中：

t1—環(huán)境溫度℃；

t2—介質(zhì)溫度℃；

R—縱向熱阻k/w；

熱阻計(jì)算公式：

其中：

L—支撐導(dǎo)熱長度m；

λ—不銹鋼支撐板常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)W/(m*K)；

A—支撐的橫截面積；

支撐的橫截面積

其中：

t—支撐板厚度m；

d—支撐板最窄處的寬度m。

3.1.2 圓盤型后端支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱量計(jì)算如下：

其中：

t1—環(huán)境溫度℃；

t2—介質(zhì)溫度℃；

R—熱阻k/w；

其中：

r1—支撐盤內(nèi)徑m；

r2—支撐盤外徑m；

l—支撐盤厚度m；

λ—不銹鋼支撐板常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)W/(m*K)。

3.2 氣瓶支撐強(qiáng)度分析

為驗(yàn)證氣瓶在使用工況下，氣瓶支撐結(jié)構(gòu)的受力情況，利用分析軟件給氣瓶五個(gè)方向分別施加 5g(g=9.81N/kg)沖擊載荷，模擬車輛實(shí)際運(yùn)行中的五種工況，分析幾種支撐結(jié)構(gòu)的受力情況。

圖4 “十字”型支撐應(yīng)力分布

圖5 “C”型支撐應(yīng)力分布

五種工況包括：

1）車輛運(yùn)行顛簸即豎直方向沖擊；

2）車輛轉(zhuǎn)彎即氣瓶軸向沖擊；

3）車輛緊急制動(dòng)即水平方向沖擊；

4）車輛運(yùn)行顛簸+車輛轉(zhuǎn)彎工況；

5）車輛運(yùn)行顛簸+車輛制動(dòng)工況。

3.3 以CDPW800-1000-1.59車載LNG氣瓶為例，三種支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱量及強(qiáng)度分析計(jì)算對比如下表：

表1

經(jīng)以上計(jì)算分析可以看出，圓盤形支撐結(jié)構(gòu)剛性最強(qiáng)，“C”型支撐的導(dǎo)熱量最少。結(jié)合車載LNG氣瓶安全型式試驗(yàn)的振動(dòng)試驗(yàn)，跌落試驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)車載LNF氣瓶支撐結(jié)構(gòu)選用原則：

1）一般公稱容積300L以下時(shí)，為滿足靜態(tài)蒸發(fā)率要求，控制導(dǎo)熱量，支撐結(jié)構(gòu)宜選用“C”型支撐；

2）公稱容積在300L～500L時(shí)，導(dǎo)熱與強(qiáng)度都需要兼顧，多采用“十字”型支撐；

3）公稱容積大于500L時(shí)，支撐強(qiáng)度的要求較高，一般采用圓盤形整體支撐。

4 結(jié)語

后端支撐結(jié)構(gòu)直接決定了車載 LNG氣瓶導(dǎo)熱量大小和安全可靠性，是影響氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率主要因素，在車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要兼顧導(dǎo)熱量和支撐強(qiáng)度，不能追求單一指標(biāo)，應(yīng)在氣瓶絕熱性能和支撐強(qiáng)度之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)。

[1] 戴猷元,余立新.化工原理[M].清華大學(xué)出版社,2010.