车用LNG增压泵系统设计研究

王岗，吴润汉

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）



车用LNG增压泵系统设计研究

王岗，吴润汉

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

文章介绍了一种车用LNG增压泵系统，可代替现有车用LNG系统中自增压装置。该系统由控制器采集发动机、LNG系统及环境温度等参数控制安装于气瓶内部的往复式低温泵将气瓶内低温LNG液体抽出,液态LNG经汽化器气化后，通过缓冲罐、电磁切断阀，稳压器及发动机其他附件进入发动机后带动整车工作。该系统解决了自增压LNG系统供气不稳定、安全隐患高、气瓶的绝热性能差等问题。

增压泵；汽化器；缓冲罐

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.020

CLC NO.: U469.75 Document Code:A Article ID: 1671-7988 (2016)06-57-03

前言

因目前国内加液站仅能提供压力为0.4MPa～0.6MPa的LNG液体，不满足LNG车辆发动机进气压力要求，针对该项问题，主要有两种解决方案：（1）加液站增加加压设备：提供发动机需要的饱和蒸汽压。这样将大大增加加液站的成本，因此现国内各加液站几乎没有。（2）车用 LNG气瓶自带增压设备，对 LNG液态或气态增压。事实上，国内车用LNG系统一般匹配气瓶自增压系统，来增加气瓶压力，保证发动机正常供气。常用的 LNG自增压主要包括水浴式及空温式等方式。但自增压装置因其自身原因，存在如下问题：1）自增压系统供气不稳定，当发动机高速运转和发动机急加速时会产生供气不足现象；2）而当瓶内液面过低时，自增压设备存在失效风险；3）加液后升压过程耗时过长：当加液站加液压力过低时，带自增压设备的 LNG气瓶在充液后需要等待15～30分钟升压（受环境温度影响）；4）自增压系统在气瓶内压力较高时，系统排压几率增加，增加气耗；5）自增压设备存在安全隐患：自增压设备为整个供气系统最薄弱的环节，并影响气瓶的绝热等其他性能；6）自增压设备操作不便：自增压设备需要人工手动操作。本论文介绍一种车用 LNG增压泵系统，代替了现有车用 LNG系统中自增压装置，采用控制器控制安装在气瓶内部的往复式低温泵将气瓶内低温LNG液体抽出并加压，液体经汽化器、缓冲罐、电磁截断阀、稳压器以及其他发动机附件进入发动机，满足发动机进气压力及温度要求。

1、车用LNG增压泵系统的设计

1.1车用LNG增压泵系统原理简介

该车用LNG增压泵系统工作原理为：安装于LNG气瓶内部的往复式低温泵从气瓶内抽取低温 LNG液体并加压，液态LNG经汽化器气化后，依次通过缓冲罐、电磁切断阀、稳压器、滤清器、热交换器及节温器进入发动机后带动整车工作，其中，低温泵的工作主要通过发动机带动液压油泵将油罐中的液压油吸出，进入液压控制阀控制低温泵的动作，回油经过油冷器进行降温后再返回液压油罐。液压控制阀作为控制低温泵动作的主要元件，通过系统控制器采集发动机信号、LNG供给管路上汽化器电控节温器、缓冲罐压力传感器以及温度传感器等进行闭环自动控制，具体工作原理图如图1所示，系统工作流程图如图2所示。

图1　车用LNG增压泵系统工作原理图

图2　车用LNG增压泵系统工作流程

1.2车用LNG增压泵系统控制系统设计

系统控制器（TCU）作为该车用 LNG增压泵系统的集成控制器，通过信号反馈控制液压控制阀进行工作，进而控制低温泵的动作，保证发动机的进气压力；控制汽化器节温器开度，调节发动机冷却水经过汽化器的流量，使得系统中LNG满足发动机进气压力及温度要求，如图3所示，其中，P1为缓冲罐压力传感器；T1为缓冲罐温度传感器；T2为环境温度传感器；P2液压控制阀压力传感器；JW1为汽化器电控节温器。

图3　车用LNG增压泵系统控制系统原理图

1.2.1燃气压力控制方式

系统控制器（TCU）通过采集发动机ECU、缓冲罐压力传感器 P1的数据控制低温泵工作将缓冲罐后压力控制在0.8MPa～1.5MPa范围内，保证发动机正常供气需求。具体地，车用 LNG增压泵系统燃气压力控制方式为：（1）系统控制器（TCU）采集发动机ECU、缓冲罐压力传感器P1的数据控制液压控制阀的动作，抽出LNG气瓶内低温LNG并增压，经汽化器气化后至缓冲罐。当缓冲罐压力大于1.5MPa时，满足发动机动力需求时，系统控制器（TCU）控制液压控制阀的的旁通机构工作，切断低温泵的液压动力，低温泵停止工作；当缓冲罐压力大于0.8MPa而小于1.5MPa时，系统控制器（TCU）控制液压控制阀的的旁通机构工作，按压力从大到小逐步恢复低温泵的液压动力，往复式低温泵开始工作，从而将 LNG液体从气瓶中抽出并增压；当缓冲罐压力小于 0.8MPa时，系统控制器（TCU）控制液压控制阀的的旁通机构全开，低温泵全速工作，从而将缓冲罐压力升至0.8MPa。（2）液压控制阀压力传感器 P2检测液压系统工作压力，系统控制器（TCU）若检测工作压力异常，则控制液压泵停止工作。

1.2.2燃气温度控制方式

燃气温度装置使发动机进气温度控制在30℃～50℃，使其满足发动机最佳使用要求。具体控制方式为：（1）系统控制器（TCU）通过读取电控节温器JW1温度传感器数据后，调整其出水口流量，将燃气温度控制在50℃下，并且保证汽化器气化量稳定，并满足发动机最佳进气要求。系统控制器（TCU）同时检测缓冲罐出气口温度T1，进一步调节电控节温器出水流量保证燃气温度不大于50℃。（2）发动机热交换器出水口端与汽化器节温器JW1水路串联，热交换器气路与汽化器节温器JW1气路串联，进行发动机燃气温度的二次控制。当发动机燃气进气温度小于30℃时，冷却水流量不小于30L/min，燃气温度上升，热交换器水流量下降；当燃气温度大于 40℃时，热交换器水路完全关闭。（3）温度传感器 T2检测环境温度，系统控制器（TCU）通过环境温度数据，判断气化器是否正常工作，若汽化器出气温度大大小于环境温度，则系统立即停止工作避免发动机故障。

2、车用LNG增压泵系统匹配选型

2.1发动机燃气消耗量

关于“算术是物体集合”隐喻，莱考夫又列举了一些隐喻的语言学的例子进行了阐述。例如，他指出，词语“add”的物理意义是把大量物体放入容器(或一组物体)中。就像“把糖加到咖啡里”，“把木头加到火里”，“把洋葱和胡萝卜加到汤里”。同样，词语“take…from”，“take…out of”，和“take…away”的物理意义是从某个容器或集合(collections)中去掉一个物体或许多物体。例如，“从箱子中拿出一些书”，“从锅里取出一些水”，“从这些木头中拿出一些”。

国内车用天然气发动机最大功率为潍柴的 WP13NG 450E50，此发动机的外特性（见表1）可知，发动机在转速2100r/min、扭矩1466N·m时气耗67kg/h。

表1　WP13NG450E50发动机外特性数据表

2.2汽化器气化量选型

汽化器气化量H需大于发动机气耗Q，其关系为：

其中：k---安全系数；k=1.1；

Q---气耗量，Q1=67kg/h；

T1---标况的绝对温度，T1=273K；

T2---汽化器出气口绝对温度，T2=303K.得出：汽化器气化量H>103m3/h.

2.3低温泵参数选型

工作频率：100c/min（发动机转速为2100r/min）工作压力：2MPa

泵出液量：0.011Kg/次

泵出液压力：0.8MPa～1.5MPa

3、结论

该车用 LNG增压泵系统，采用控制器控制安装在气瓶内部的往复式低温泵将气瓶内低温 LNG液体抽出并加压，取代了现有 LNG供给系统中自增压，降低了气瓶静态蒸发率，减少了系统安全隐患，提高了系统供气稳定性，今后必将广泛地应用于车用LNG供气系统中。

[1] 朱圣良等.低温液体泵设计及模拟分析. 真空与低温 2011.8:27- 30.

[2] 王芳. 低温液体运输车轻量化设计的研究. 机械制造与研究, 200610:30-32.

[3] 柯贤志. 浅析LNG在商用车中的应用[J]. 汽车实用技术,2014年第3期:14-17.

Design and research of the LNG booster pump system for vehicle

Wang Gang, Wu Runhan
( Shaanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

This paper introduces a LNG booster pump system for vehicle, instead of the self-pressurized device of the existing LNG system. The reciprocating LNG cryogenic pump in this system, controlled by the signals from the engine, LNG system, environmental temperature and so on, can pump the cryogenic LNG liquid from the LNG tank. Then the cryogenic LNG liquid is vaporized by the vaporizer. And finally, the LNG gas enters into the engine for the vehiclethrough the buffer tank, electromagnetic shut-off valve, the regulator and other engine attachment in turn. The system provided in this paper solved the problems of unstable gas supply, high security hidden danger, and poor thermal insulation performance of LNG tank in the self-pressurized LNG system.

booster pump; vaporizer; buffer tank.

王岗，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司。

U469.75

A

1671-7988 （2016）06-57-03