车用LNG燃料发展与技术探讨

随着社会科技发展，能源紧缺以及环境污染已成为世界的主要课题。天然气是一种高效安全，资源丰富，以及对环境的友好的能源，作为洁净能源在世界能源消费结构中的比重越来越大。对于汽车燃料，经过几十年的发展，完成了从机械控制到电子控制，从进气管道预混供气到电喷供气甚至缸内直喷供气的技术升级。根据不同的燃料储存形式，天然气汽车(NGV)又分为压缩天然气汽车(CNGV)、液化天然气汽车(LNGV)和吸附天然气汽车(ANGV)，其中CNGV的车用系统发展比较成熟和完善，LNGV在20世纪90年代也已开始小规模推广使用。从使用效果来看，LNGV弥补了CNGV的许多不足之处，具有良好的推广应用价值。

天然气作为汽车燃料的一个主要缺陷是体积能量密度太低。1L汽油燃烧产生的热量是34.8MJ，而1L标准状态下的天然气燃烧得到0.04MJ的热量，仅为汽油的0.11%。因此，在车用储罐有限的容积内存储足够量的天然气，使得其一次充气的行驶里程达到可令人接受的范围，是将天然气用做汽车燃料的一个前提条件。解决体积能量密度低的最简便途径，是采用压缩天然气(CNG)。典型的CNG操作压力在16.5~0.34MPa之间，更先进的可达20.7~0.17MPa之间，该压力下其体积比可达230，所以对应的体积能量密度约为汽油的26%。由于天然气压缩技术的简单易行，CNGV的发展已比较成熟。技术的成熟以及燃料价格、操作、维修等方面的优势，并没有使CNG汽车占有很大的市场份额。这主要是由CNG储气方式本身的缺陷导致的。因为CNG储气的特点，决定了其一次加注行驶的距离短，要想使CNG汽车真正进入商业运输，需要巨大的资金投入，以建设足够数量的CNG加注站。如果加注站数量不够，运营商会因为担心找不到地方加注而不愿意接受NGV，造成的后果是已建成的加注站不能满负荷运转，使得加注站的投资难以收回。天然气低温液化后，其密度为标准状态下甲烷的600多倍，体积能量密度约为汽油的72%，为CNG的两倍多，因而LNG汽车的行程远。天然气在液化前必须经过严格的预净化，因而LNG中的杂质含量远低于CNG，这为汽车尾气排放满足更加严格的标准创造了条件。LNG燃料储罐在低压下运行，避免了CNG因采用高压容器带来的潜在危险，同时也大大减轻了容器自身的质量。LNG的冷量还可以用于汽车空调或冷藏运输。这些方面的优越性能使LNG相对CNG具有较大的优势，因而LNG汽车是天然气汽车的一个重要发展方向。

LNG汽车燃料系统

一、系统概况

液化天然气汽车燃料系统主要由LNG储罐、管路、管件及其他附件组成。可分为单罐和双罐的燃料系统，图1-1为单罐燃料系统：

1-过流调节阀；2-自动燃料切断阀；3—汽化器；4-过流阀；5-燃料切断阀；6-主安全阀；7-—充装止回阀；8-充装接口；9-液位计；10-压力控制阀；11-蒸汽切断阀；12-副安全阀；13-压力表

二、车用LNG储罐

储罐是液化天然气汽车燃料系统的关键部件，其作用是储存燃料和根据发动机的实际工况供给燃料。由于储存的是与环境温差很大的低温液体，车用LNG需要满足以下几点基本要求。

1.绝热性能可靠，日蒸发率小于2%,即带液静置7天(对于轿车用罐为3天)安全阀不起跳。高真空多层绝热是目前使用的最理想的绝热方式，其绝热性能较单纯高真空绝热提高2倍。

2.液体充装率80~90%。由于外界不可避免有热量传入，而由此蒸发产生的气体又不能任意排放，因此必须保证储罐有足够的气体空间，使压力升高不致过快，保证储罐的安全静置时间。

3.良好的抗冲击性能。由于汽车运行过程中面临各种复杂情况，LNG储罐必须有承受5~6g（g为重力加速度）的抗冲击能力。为此，储罐本体、内外储罐间的支撑以及连接管路必须充分考虑抗冲击的要求。

4.操作安全可靠。储罐应设置主、副两级安全阀，保证在紧急状态时及时泄压、放空。

5.液位和压力指示灵敏、准确，抗干扰能力强。

高真空多层绝热低温瓶，俗称杜瓦罐。采用内外双层金属罐结构，内胆、外壳以及它们之间的支撑和绝热材料共同构成了罐体的基本架构。壳体材料通常为1Cr18Ni9(304)。内胆的主要作用是盛装燃料，其内部设置有液位探头、加注喷淋管等组件。外壳和内胆之间是密闭的真空空间，外壳保护内胆并对整个罐体起支撑作用，故壳体厚度略大于内胆，储罐主要的管阀件都集中设置在外壳上。内壁支撑介于内胆和外壳之间，通常采用玻璃钢等强度和绝热性能都较好的材料，一般以点状形式分布于两者之间环形空间的周向和两端。阀件仓是一种保护性结构。为了制造、操作和检修方便，安全阀、手动放空阀、饱和压力调节阀、压力表等都集中布置在储罐一段的阀件仓内。加注回路是LNG储罐的功能性回路之一。储罐内部主要是一个加注喷淋装置，位于罐体上部1/10处。罐外部件主要有单向阀，保证加入的燃料不倒流。放空回路主要由手动放空阀和放空管道组成。在紧急状态下或检修时，可以打开饱和压力调节阀，通过此回路将管内燃料排尽。

LNG汽化器是一个重要部件，其关系到LNG燃料的使用效果，高真空多层绝热低温瓶可在外壳内壁设置盘管作为其汽化器使用，液体进入盘管后，由于盘管敷贴着杜瓦罐外壳内壁，这样盘管吸收外壳的温度进行气化，这是目前高真空多层绝热低温瓶整合气化器的主要工艺。对于车用LNG汽化器，考虑到汽车发动机冷却水的温度高达75~90℃,利用发动机冷却水直接气化LNG，既能达到气化LNG的目的，又能有效利用废热，并改善发动机的性能，显然这是一种有效的解决方法。对于风冷型发动机，可以采用空浴型汽化器。

对于车用LNG储罐的维修，其关键是抽真空技术，要使得真空度一直保持而不容易失效。目前国内高真空多层绝热低温瓶维修技术还比较差，对于高真空多层绝热低温瓶进厂维修，剖罐、焊接、绝热层、抽真空工序的时间，基本需要半个月到一个多月不等，主要是抽真空保压工序较难。因此，对于维修的长时间以及所需费用较高，是解决车用LNG普及的一个重要有待解决的难题。

使用LNG可使天然气汽车有了较经济的运营，也消除了传统汽车燃料给环境带来的大气污染，使天然气汽车技术得到飞速发展。同时，我国天然气资源丰富，据全国油气资源评估和预测，我国天然气资源量为43×1012m3。因此，发展天然气能源汽车，是一项利国利民利环境的三利项目，也对车用LNG技术提出了新的挑战。