液化天然气汽车的结构及发展

　　评论：　更新日期：2013年02月27日

二、液化天然气汽车的结构

液化天然气发动机与压缩天然气发动机的工作情况基本上是相同的，区别主要在于燃料储存的状态及储存容器的不同，LNG在低压低温绝热状态下储存。另外，液化天然气蒸发变成气体时，吸收的热量较多，应采用可靠的蒸发气化系统。

液化天然气发动机的燃料供给系统包括：LNG气瓶、阀门组件、调节器、管汇、压力泄放装置、蒸发器及电子控制系统等。

撒化大然气(LNG)是天然气在-162℃低温下液化，体积减小后储存于有绝热夹层的1.6MPa压力气瓶中，使用时以蒸发器，蒸发汽化后与空气混合进入燃烧室中。CNG的主要缺点是高压气瓶较重，限制汽车携带较多体积的燃料，行驶里程不如装LNG的系统长，若行驶同样里程，气瓶装气的质量约差3倍左右，故使用CNG系统，需要较多、耗能较大的高压充气站。LNG使用的优点是气瓶体积小、质量轻、可能携带的燃料多、行驶里程长。缺点是制气加工与储存技术复杂，包括绝热、蒸发、储存及使用多方面，成本较高。由于液化天然气的技术优势，目前美国、日本等国都很重视对液化天然气的使用与研究，实际投入使用的液化天然气汽车也逐渐增多。LNG燃料供给系统的布置如图8—1所示。液化天然气气瓶的特点是：气瓶压力不高，一般略高于1.0MPa，但要求具有低温隔热绝缘的性能，这是由于天然气气体中主要成分是甲烷气体，在-162℃的低温下才被液化，因此，储存于气瓶内液化天然气的温度在-125～-162℃的范围内。为了防止液化气的过早汽化，要求气瓶具有绝热性能，瓶内设有绝缘材料制成的夹层，绝缘材料要求具有低的导热系数与低的密度，夹层的厚度为100～200mm，气瓶的内层是由不锈钢制成的液体容器，夹层的外层由普通钢板焊接成形。气瓶外部直径为0.5m、瓶长约1m，大约可以储存液化天然气80～90L。气瓶的夹层也可以做成60mm的真空空隙气层，作为绝缘层使用。液化天然气储存在气瓶的下部，约占有效容器的90%，瓶的上部约有10%的储气容积。发动机运行时瓶内的天然气体液态与气态两种状态并存，当瓶内工作气压大于0.2MPa时，从瓶内流出的是上部的天然气蒸气，当工作压力小于0.2MPa时则由瓶的下部流出液态的天然气。气瓶上也设有几种阀门，如液气充灌阀、输出阀、蒸气输出阀、最大充量液面指示器以及安全阀等。从气瓶内流出的天然气蒸气都处于-125℃以下的低温，要经过加热器8(图8-1)，从冷却系鼓风流中取得热量而汽化。以液态流出的天然气则经过蒸发器由冷却水或废气中得到热量促使蒸发。两者经自动转换阀10控制操纵后，流入滤清器13及两级减压器14，减压后的液化天然气通过低压管路16送入气体混合器18与空气混合后供发动机使用。液化天然气经加热与蒸发以后得到的天然气气体的物理性质与压缩天然气固有的性质是一样的，因此在发动机上的调节与使用也是相同的。

该系统必须与发动机、底盘、加气站及用户的工作要求匹配。美国汽车工程师协会要求以LNG为燃料的重载汽车在实际应用中应配备显示故障代码及结果分析的装置，操作者应了解燃料系统结构要求及技术条件、操作和维护要求及燃料箱检测方法等。

LNG气瓶必须具有足够的强度及保温性能。以美国NKl200G型机车发动机所配备的LNG气瓶为例，它是由绝热材料包裹的可装运低温(-162℃)液化天然气的不锈钢罐体，绝热材料为玻璃纤维和铝箔交替分层，绝热层外侧为12.7mm高抗拉强度的碳素钢壁，此钢壁用以保护低温罐体免遭撞损。同时，为了加强罐体绝热特性，在两层钢体间抽成真空。燃料箱装在机车司机室下方转向架之间的一个坚固的框架内。即使机车脱轨，该框架可支持着车体质量，以防止燃料箱被压碎或遭其它损坏，框架在应力试验中可承受1332.8kN的力和2g的加速度。

阀门组件压力泄放装置可使LNG气瓶内饱和蒸气的压力不超过最大压力，即LNG气瓶内气体压力的设定安全值(通常为1.6MPa左右)。虽然LNG气瓶具有良好的绝热性能，但由于液化天然气与周围大气存在温差，LNG燃料总要吸收一部分热量，一部分LNG汽化，气瓶内气态天然气必须泄放掉，以保证瓶内压力不超过最大压力。现在LNG气瓶设计为低压容器，以保持其储存LNG时具有比CNG气瓶更轻的质量。由于LNG蒸发汽化中甲烷成分先行蒸发，导致汽化部分的甲烷含量比LNG液态中甲烷含量高，因此，在储存过程中由于具有较高甲烷含量的气态天然气的逐步蒸发释放，将导致LNG液态燃料中的甲烷含量的逐步降低及LNG质量的降低。当LNG燃料中甲烷含量降低后，以LNG为燃料的汽车发动机易产生爆震现象，使发动机的性能受到影响，严重时易使发动机损坏。

因此，为了尽量避免由于LNG燃料蒸发泄放所带来的不利影响，应根据汽车的使用要求及LNG的蒸发损失速率选择适当大小的LNG气瓶，并且LNG汽车的燃料应迅速使用，以缩短LNG燃料的存储时间。合适的LNG容器容积及LNG汽车的合理使用可确保LNG气瓶内压力不超过最大工作压力，降低由于瓶内压力超高和蒸发泄放带来的损失和危险。

蒸发器是液化天然气发动机燃料供给系统的关键部件之一。多数蒸发器的加热介质采用冷却系统的冷却液，有的汽化器与排气管联接在一起，利用发动机的排气来加热液化天然气，使之迅速汽化。

美国NFPA57标准要求LNG汽车燃料系统的材料采用熔点在815.5℃以上、ASMEB31.3或API620标准附录中所列的金属材料。应尽量少用材质不同的金属接头。铜焊填料金属熔点应在537.8℃以上。LNG容器只允许采用符合ASME和DOTspet·4L标准的容器，容器所有与LNG或冷蒸气接触的部分必须与LNG在化学和物理性质上相协调。所有管汇必须符合ASMEB31.3的要求。泵与压缩机应设有压力释放装置，以限制出口压力和机腔内压力，如装有转输泵，应设预冷过程。充气阀应有支撑物，防止灰尘、杂物和水进入，并应耐腐蚀。标准中还对车辆上容器的安装位置做了限制，包括在车厢内部或其它位置。此外还对管路、阀门、调压器和仪表的完善做了要求。