LNG清潔能源在商用車上的技術發展與應用

李珍珍 王建京 楊軍社 姜斌 韓利

摘 要：文章針對液化天然氣這一低溫清潔能源在商用車上的應用，根據技術開發的深入和供氣系統的不斷升級，分別經歷了飽和蒸汽壓階段、自增壓階段、低溫潛液泵主動供氣（LPP）階段及高壓直噴（HPDI）階段，闡述了液化天然氣清潔能源的技術開發及應用的發展，并針對每一階段的現狀，提出存在的問題及改進方向，最后提出了清潔能源在商用車上未來發展的方向及展望。

關鍵詞：低溫清潔能源;LNG;商用車;自增壓;LPP;HPDI

中圖分類號：U461.99 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）14-240-03

Abstract： The liquefied natural gas， a low temperature clean energy for commercial vehicles， is being developed in depth based on the technology and the continuous upgrading of the gas supply system， the development of technology and application of liquefied natural gas clean energy is described in this paper， which includes saturated steam pressure stage， autopressurization stage， low temperature submersible pump active gas supply （LPP） stage and high pressure direct injection （HPDI） stage. At last， the future development of clean energy in commercial vehicle is put forward and the prospect of clean energy in commercial vehicle is put forward.

Keywords： Low-temperature clean energy; LNG; Commercial vehicle; Self pressurization; LPP; HPDI

CLC NO.： U461.99 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）14-240-03

1 引言

隨著世界經濟的飛速發展，汽車持有量的急劇增加在給人們帶來極大便利的同時，由于其消耗大量的石油資源、排出大量的有害氣體，對人類的生存環境造成較大的危害，成為城市的主要污染源。為解決這一問題，人們一直在尋求改變能源結構、采用低公害的汽車代用燃料的途徑。目前，各類商用車包括在客車以及重型汽車上，大量采用液化天然氣清潔能源（LNG）。由于一次充液后行駛里程可達 500 公里以上，原料價格低廉等較多優點，目前發展勢態良好[1-3]。

2 液化天然氣供氣系統在商用車上的應用

從LNG清潔能源發展的歷程來看，LNG車用供氣系統共經歷了四個階段：①采用飽和蒸氣技術;②采用自增壓技術;③采用LPP技術;④采用HPDI技術。目前市場上在大量生產和采用的是第二代技術，即自增壓式技術的供氣系統。LPP技術國內已經在進行國產化研制，并有小批量的投入應用。HPDI技術目前國外已經較成熟運用，但國內仍處于研制階段。

2.1 飽和蒸氣壓技術

采用飽和蒸氣技術的供氣系統原理見圖1。該技術的工作原理是利用瓶內氣體的飽和蒸氣壓，采用擠壓方式將LNG擠出，為發動機提供燃料。這種系統的優點是結構簡單，且維護方便。但由于氣瓶工作壓力偏低，所能提供的氣量有限，對發動機的性能有較大影響，且不能滿足大功率發動機需求。目前此供氣系統在商用車上已很少使用。

2.2 自增壓技術

自增壓技術[4-5]的工作原理與飽和蒸氣式供氣系統不同，當LNG充裝到車用瓶后進行自增壓;而當氣瓶內壓力高于設定壓力時，可自動關閉自增壓系統。自增壓式供氣系統的工作原理見圖2，該系統改善了LNG汽車的行駛性能，受到了市場的認可，迄今為止，國內絕大部分LNG商用車均采用該技術。

自增壓式供氣系統由氣瓶、汽化器、管路各調壓閥、發動機系統組成。氣瓶用于LNG燃料的存儲。汽化器主要是利用發動機循環冷卻水把液化天然氣進行加熱汽化，使天然氣達到滿足發動機使用溫度、流量要求。管路各調壓閥主要作用是將汽化器汽化后的天然氣進行減壓，使之滿足發動機的使用壓力要求，且保持壓力穩定。緩沖罐的作用是儲備一定量的氣體，以在供氣時保持以穩定的流量進入發動機，避免因流量不穩定造成發動機性能不穩定。

如果按照管路的布置來看，系統可以分為進液管路、出液管路，增壓管路，經濟回路以及安全系統管路。進液管路由低溫進液口（C1）、進液單向閥（FCV）以及連接的管道組成，加氣站用加氣槍的機械力量把低溫進液口（C1）頂開，液化天然氣被加氣站裝備的低溫泵泵入加氣管道。自增壓管路由增壓截止閥（Pv）、升壓調節閥（PBr）、自增壓盤管（Pr）組成。開啟增壓截止閥（PV），低溫液體通過升壓調節閥（PBr），然后經過自增壓盤管（Pr）被加熱成飽和蒸汽，進入氣瓶氣相空間（頂部），從而使得氣瓶的壓力升高，當氣瓶壓力升至升壓調節閥的設定壓力時，升壓調節閥（PBr）自動關閉，氣瓶壓力不再升高，壓力維持穩定。出液管路由出液單向閥（DCv）、出液截止閥（Vu）、過流閥（Ef）組成。汽車進行燃氣供給時，開啟出液截止閥（Vu），液化天然氣通過出液單向閥（DCV）然后流經出液截止閥（Vu）和過流閥（Ef）進入供氣系統。經濟回路由經濟閥（Er）、出液截止閥（Vu）、過流閥（Ef）組成。當瓶內壓力高于經濟閥Er設定壓力時，如果處于用氣狀態，經濟閥Er開啟。隨著氣體的不斷使用，瓶內壓力會逐漸降低至經濟閥Er的設定壓力，此時，經濟閥Er關閉，又回到液體供液狀態。安全系統主要由主安全閥（Svp）、副安全閥（Svs）、氣瓶壓力表（P1）、液位計（LG）、手動放空口（Vv）組成。

自增壓系統管路和閥門較多，部分閥門需要手動操作，需要駕駛員了解使用和維護方法，且對于閥門的可靠性要求較高，因為閥門一旦失效會造成系統功能不能實現。另外，因為沒有發動機的反饋系統，僅僅是被動供氣模式，所以在車的動力操作性上不如人意。

2.3 LPP技術

LPP系統采用低溫潛液泵主動供氣，工作壓力為0.8～1.8MPa，流量不大于120Kg/h。由低溫潛液泵泵出的液化天然氣，經汽化器氣化后，進入高壓緩沖罐穩壓，最后進入發動機。其工作原理見圖3。該供氣系統的核心部件是低溫潛液泵及控制單元TCU。該系統與自增壓系統對比，最大的不同在于改變了氣瓶壓力升高后被動供氣模式，由泵往復運動工作后主動供氣，且不受加液站供液壓力的限制，氣瓶安全性更高。所以，在加液后，車輛無需等待罐中壓力提升即可行駛。低溫泵的啟停由緩沖罐的壓力通過TCU信號控制，當緩沖罐中的壓力過高時，壓力信號通過ECU控制液壓泵停止工作，從而使低溫泵停止運行;當緩沖罐中的壓力偏低時，壓力信號通過ECU控制液壓泵啟動，液壓泵泵出的液壓油經由換向閥，驅動低溫泵運行。其輸出流量則由從發動機端傳來的ECU信號控制，屬于負反饋系統，自動化、智能化程度高。這樣能夠實現燃料自動按需供給，消除人為操作誤差、環境變化等引起的燃料浪費，使LNG車的經濟性進一步提高。若發生緊急情況，無需像第一代和第二代技術通過手動關閉截止閥來切斷系統，系統安全性也得到了提高。

2.4 HPDI技術

從目前國內外天然氣發動機及相關產品的技術發展趨勢來看，HPDI技術[6-10]是目前國內外最先進的天然氣發動機技術，采用的是缸內高壓直噴發動機。該技術是在壓縮沖程上止點前噴入約5%的柴油作為引燃劑，形成火焰后，約95%的天然氣以30MPa的壓力噴射，成為主要燃料。

HPDI發動機壓縮比基本能夠達到柴油機水平，且燃燒效率也較高。相對比于前幾代供氣系統，其優勢明顯。與第三代LPP技術對比來說，雖然都是采用的低溫往復動作柱塞泵，但在壓力、制造技術上大大不同，能夠達到30MPa高壓力噴射壓力;其次，第二代產品在動力性能上有所欠缺，尤其是爬坡和加速性能上，而HPDI技術其動力性上大大增強，相關車載道路試驗表明，其爬坡性能和高海拔地區的適應性能非常好，與柴油機動力性能基本一致。從經濟性上來看，在相同載荷、相同實驗項目、相同路面、相同駕駛員的條件下，HPDI發動機與柴油機相比，動力相當，100km 成本卻下降約 25%～34%。從推廣應用及環保性來看，HPDI 重型商用車與柴油車相比，一氧化碳排量降低 60%，二氧化碳降低 20%，碳氫化合物降低 70%，氮氧化合物降低 45%，顆粒物排放降低 70%，有利于實現汽車工業對能源環境的可持續發展。據相關信息報道，近兩年來HPDI技術的發動機已經在國內研制成功，并實現批量化生產，市場也很火爆，甚至出現一機難求的情況。從成本上來看，HPDI技術的整車成本會較大程度高于前幾代技術的清潔能源用商用車，所以在短期內預計還不能大規模普及。

3 展望

LNG清潔能源商用車供氣系統的發展，是技術發展的一次次進步和提升。雖然目前國內市場上正大量使用的是第二

代自增壓技術，但HPDI技術發展勢頭極好，隨著今后加工工藝的不斷進步，在成本能夠得到良好控制時，HPDI技術的優勢會不斷凸顯，第二代自增壓技術也可能逐漸會退出歷史。當然，隨著世界能源的開發和減少，以及對于環保的重視與日俱增，技術的不斷進步，今后也必將開發出更優更好的商用車 LNG供氣系統。

參考文獻

[1] 程昊.LNG在中國清潔能源中的發展前景[J].石油化工安全環保技術，2019，35（01）：50-55+7-8.

[2] 黎錦華，張麗芬.車用LNG清潔能源的優勢與發展——青少年低碳節能教育科普[J].化工設計通訊，2019，45（11）：202+211.

[3] 魯亮.液化天然氣（LNG）重卡經濟性分析[J].中國石油和化工標準與質量，2019，39（03）：107-108.

[4] 賀立奎，范建鵬，李文進，王子全.車用LNG供氣系統介紹[J].汽車實用技術， 2019（01）：116-118.

[5] 房萍，陳煜.LNG燃料汽車儲罐自增壓系統仿真計算與分析[J].化工學報，2018，69（S2）：309-315.

[6] 王江鵬，馮凡，薛強，金茜.HPDI技術在天然氣商用車中的應用[J].汽車實用技術，2016（02）：136-137.

[7] 胡智睿，周偉偉，蘇東超.船用HPDI發動機的氣軌結構的優化設計[J].農業裝備與車輛工程，2017，55（05）：58-61.

[8] 牛海杰，王亞妹，陳晉兵，王尚學，董江峰.混合高壓直接噴射器進展及分析[J].小型內燃機與車輛技術，2016，45（04）：84-86.

[9] 胡智睿，咸凱，余建發，張桂榮.HPDI發動機活塞溫度及應力的研究[J].農業裝備與車輛工程，2016，54（06）：23-27.

[10] 王瑞.西港HPDI技術推動LNG在交通運輸領域的應用[J].商用汽車，2015（04）：81.