LNG裝載機核心技術研究

杜曉琳 郭文明 鐘俊偉 張慶瑞

【摘? 要】徐工作為LNG天然氣裝載機的首推者，針對LNG裝載機研發過程中的天然氣供氣技術、天然氣氣瓶布置、天然氣發動機啟停技術等核心技術難題提出解決方案，希望可以為LNG新能源在工程機械上的進一步應用提供經驗參考。

【Abstract】As the first pioneer of LNG loader， XCMG proposed solutions to the core technical problems in the research and development of LNG loader， such as natural gas supply technology， natural gas cylinder arrangement， and natural gas engine start-stop technology， hoping to provide experience reference for further application of LNG new energy in construction machinery.

【關鍵詞】LNG裝載機;天然氣供氣技術;天然氣氣瓶布置;天然氣發動機啟停技術

【Keywords】LNG loader; natural gas supply technology; natural gas cylinder arrangement; natural gas engine start-stop technology

【中圖分類號】TH243? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）10-0156-02

1 引言

面對機械工程行業向低碳經濟轉型的現狀，開發應用清潔能源裝備已成為工程機械行業發展的必然趨勢。LNG無色、無味、無毒、無腐蝕性，是目前世界公認的清潔能源，主要成分是甲烷，燃燒后的主要成分是水和二氧化碳，不產生有害氣體。LNG天然氣發動機與柴油發動機相比：顆粒排放PM基本為零;二氧化碳的排放量少25%～30%。按每臺裝載機每天工作8h一年300天計算，一臺天然氣裝載機比一臺柴油裝載機每年可少排45t的二氧化碳，社會效益顯著。LNG雖然是清潔能源，但徐工作為將天然氣發動機應用于裝載機的先驅，在研發過程中針對核心技術難題，首創性地提出如下關鍵技術。

2 穩定、快速的LNG天然氣供氣技術

LNG裝載機的燃氣加壓供給普遍采用翅片自增壓技術，儲液罐內的低溫液態天然氣，通過儲液罐的增壓截止閥、升壓調壓閥、螺旋翅的增壓汽化器，氣化后再進入儲液罐，以提高儲液罐內燃料壓力，具體如圖1所示。但傳統儲液罐自增壓裝置在機器連續大負荷并且頻繁的急加速工作中，很難將儲液罐中壓力持續穩定在11bar以上，造成燃料供給不足，使機器動力下降或者中途停機，降低工作效率且增壓時間長。當儲液罐剛充裝完畢，儲液罐內的壓力只有5～7bar，低于正常工作壓力11bar，這就需要等待儲液罐里的壓力建立到11bar以上，這個過程長則需要1～1.5h。

針對上述問題，采用可控的氣瓶增壓技術（具體原理如圖2所示）：儲液罐1通過壓力切斷閥2連接低溫電動泵3，低溫電動泵3連接電加熱總成11，電加熱總成內的壓力開關9連接預熱繼電器7的線圈端，保險片6連接預熱繼電器7的輸入端，壓力開關9和保險片6分別外接車載電瓶，預熱繼電器7的輸出端分別連接預熱容器4中的電阻絲10和與低溫電動泵相連的驅動馬達8，電阻絲10和馬達8并聯，電加熱總成的預熱容器4通過單向閥5回接儲液罐1。本系統能夠實現通過電預熱總成，以及預設壓力值自動開閉壓力開關，同時在作業過程中可加速液化天然氣氣化，給儲液罐快速加壓，保障機器快速進入工作狀態，并且滿足裝載機作業特點的需求，具有節能、節約時間、提高工作效率、安全可靠、操作簡便等優點。

3 大視野、安全性LNG天然氣氣瓶布置技術

受限裝載機的散熱和結構限制，LNG氣瓶多放置在機罩前部駕駛室后部（見圖3），而裝載機作業需要頻繁地倒車，且大部分操作手倒車時習慣回頭觀察后視情況，因此，高置氣瓶結構的后視野較差，嚴重影響作業安全性，同時還存在加氣困難，氣瓶固定可靠性差等問題。

針對上述問題，我們設計了一種結構簡單、方便維修的氣瓶布置結構。

優化散熱器結構，設計為雙排可旋轉打開式結構，減小散熱器高度尺寸，綜合考慮后車架結構件的結構形式、整體的強度和剛度及制造難度等，經過多次修改、驗證最終形成獨特的三腔型框架式后車架。LNG氣瓶通過底安裝板、錯位安全銷及高強螺栓安裝在后車架氣瓶安裝腔內，發動機變速箱三組合安裝在前腔內，汽化器、穩壓閥等布置在后腔內，最終形成獨特的“后置懸掛式LNG氣瓶布置結構”（見圖4）。LNG氣瓶固定腔與發動機固定倉形成隔離，避免LNG泄壓及極端泄漏時LNG進入機艙內，進一步提升使用安全性。為滿足LNG氣瓶及部件的存放標準，以及日常保養的方便性，供氣系統部件的維修口均設計為新型透氣防水的布置結構。最終形成徐工專利技術的“天然氣裝載機氣瓶安裝布置結構”，有效解決了行業內LNG氣瓶高置引起的氣瓶重心高、后視野差（直接后視野增加50%以上）、操作不安全等行業難題。

4 LNG天然氣發動機的啟停技術

裝載機由于燃料的特殊性，啟動時LNG的電磁閥通電、LNG氣化、氣路接通等一系列過程需要一定的時間（經測算3～5s），如果急于啟動，由于氣源的不足將導致發動機無法正常啟動，而操作者會通過延長啟動時間來增加啟動的可能性，使馬達壽命嚴重縮短。

為解決這個難題，我們通過延長氣化時間，實現延時起動，具體方案如下（見圖5）：在發動機燃料的進氣口增加一個壓力傳感器，測量進氣口的壓力值，壓力信號給控制器，控制器接收整機空檔信號，同時控制器輸出一路信號到組合儀表，組合儀表有指示燈，當壓力值達到設定值時，指示燈亮，這時操作者把檔位停在空檔就可啟動整機，當氣化壓力達不到設定值時，整機不進行啟動，這樣即可以保證啟動的穩定性和可靠性，也可避免操作手誤操作頻繁啟動造成啟動系統故障。

5 結語

徐工系列天然氣裝載機現已批量生產、銷售，在連云港港口、河北遷安、山西鵬飛焦化等施工項目中，始終擔當主力，從實際作業效果表明，該系列產品工作效率與同類柴油產品相當，而燃料使用費用成本可降低25%～35%，工作可靠，質量穩定。該系列產品的各項性能指標穩定可靠，使用費用低，為廣大用戶和業主帶來良好的經濟效益，贏得了廣大用戶的交口稱贊和好評，產品得到了用戶的認可，極大提高徐工裝載機的市場競爭力，助推國內天然氣裝載機行業展開新一輪的研發及技術提升。

【參考文獻】

【1】杜曉琳，郭文明，張慶瑞，等.氣瓶安裝結構及裝載機[P].中國專利：CN207449622U，2018-06-05.

【2】杜曉琳，湯志林，郭文明，等.天然氣裝載機氣瓶安裝布置結構[P].中國專利：CN204172684U，2015-02-25.