LNG汽车气瓶选型设计

罗峰，赵峰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

LNG汽车气瓶选型设计

罗峰，赵峰

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

∶由于天然气储量大、价格便宜，作为燃料产生的污染小，天然气重卡近年来发展迅速，尤其以能量密度大的LNG为主。目前LNG重卡广泛应用于运输行业的各个细分市场，扮演着越来越重要的角色，因此气瓶的选型设计尤为重要。

∶LNG；卡；细分市场；续驶里程；选型；设计

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.023

CLC NO.: U473.2+1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-62-03

引言

重型卡车市场历来有国民经济的“晴雨表”和经济宏观政策与行业法规的“风向标”之说。由此可见，宏观经济走势与重型卡车市场关联度极大。随着经济的不断增长，汽车产业大力发展，但同时也带来了石油燃料的日益减少和环境污染等问题。天然气是优质清洁燃料，储量大，价格便宜，污染小，因此被认为是汽车的最佳替代燃料。天然气卡车有CNG（压缩天然气）汽车和LNG（液化天然气）汽车两种。其中LNG能量密度大,续驶里程长，因此LNG卡车近年来发展较快。

1、LNG气瓶选型

目前天然气重卡主要应用于以下一些细分市场：

(1)快递运输：大于1000公里的干线物流，一般车货总重＜35吨，快递、轻抛货物运输，常用车速80-90km/h；以260-290马力发动机，4×2轻量化牵引车为主，平均气耗24kg/100公里。

(2)日用工业品运输：运输里程为500至3000公里，高速及等级路面为主；总重≤55吨，日用工业品、冷链运输，常用车速70-90Km/h；以380-430马力发动机，6×2/6×4轻量化牵引车为主，平均气耗35kg/100公里。

(3)危化品运输：危化品主销车型以成品油、液化天然气、化工原料等运输为主，车货总重不超49吨，公路标载运输，存在超载现象；车速70-80Km/h，以380马力发动机，6×2/6 ×4轻量化牵引车为主，平均气耗36kg/100公里。

(4)煤炭运输：500至2000公里中途及短途标载运输，高速及等级路面为主，总重55吨，煤炭运输与普货运输交叉；发动机为336-380马力，行业内主要以6×2车型为主，6×4车型为辅，平均气耗32kg/100公里。

(5)重载运输：运输里程为200至1000公里，以国道、低等级公路为主；固定线路、砂石料、铁粉钢材短途运输。以400-420马力发动机，6×4加强版、超强版牵引车为主，平均气耗38kg/100公里。

气瓶进行选型时要综合考虑各方面因素，首先考虑的就是车辆使用的细分市场类型及行驶里程。根据以上对各细分市场的描述，我们可以看到各个细分市场所使用的车辆类型、发动机、行驶里程及平均气耗数据都有明显的区别，因此对气瓶的选型也必各不相同。运输里程较短的优选配置单气瓶，若选择多瓶则会导致整车重量的增加，进而使得燃料消耗增大。由于目前国内LNG加气站的布局还处于初步阶段，各地的LNG气站并不是很多，因此长途运输应选择配置双气瓶或三气瓶，以确保运输过程中燃料供给充足。

目前气瓶行业已趋于成熟，各厂家能够提供多种容积气瓶供选择。根据气瓶容积计算出续驶里程，再根据车辆行驶里程来选择气瓶。

续驶里程为：

其中，为LNG气瓶充装率；

为LNG气瓶使用率；

为液态LNG密度；

为LNG气瓶容积；

为车辆气耗。

现可以选用的气瓶容积见表1：

表1　气瓶容积

以日用工业品运输为例，采用6×2/6×4轻量化牵引车，平均气耗35kg/100公里。LNG密度=0.426kg/L，气瓶的充装率为90%，假定气瓶使用率为80%，则450L气瓶的续驶里程为：

日用工业品为中长途运输，一般运输里程为1000公里以上，则选择双450L气瓶较好。

2、LNG气瓶基本要求

车用LNG 气瓶必须满足以下基本要求：①LNG气瓶所有附件工作压力等级不得低于LNG 气瓶的最大允许工作压力。②绝热性能可靠，日蒸发率小于2%，至少可带液静置7 d 安全阀不开启。③具有合适的液体充装率。由于外界不可避免有热量传入，或者由于运行中的晃动，蒸发产生的气体也不能任意排放，因此必须保证LNG 气瓶有足够的气相空间，使压力升高不致过快，以保证LNG 气瓶的安全静置时间。④在满足绝热性能的前提下，支撑结构应尽量简化且必须有足够的强度。⑤具有良好的抗冲击性能。汽车在运行过程中，由于剧烈颠簸、冲击而使气瓶内胆与外壳之间容易发生相对位移和结构变形，而LNG 加注时的冲击力也容易引起内胆的晃动，为了保证运输的安全性，要求LNG 气瓶具有良好的抗冲击性能。⑥液位和压力指示灵敏、准确，抗干扰能力强。

3、设计

3.1产品概况

以450L气瓶为例，本产品为车载液化天然气气瓶，其存储介质为液化天然气，设计温度为-196℃，最高工作压力为1.59MPa，公称容积为450L，其绝热方式采用高真空多层缠绕式。内外胆采用奥氏体不锈钢，管路采用不锈钢无缝钢管。

3.2设计依据

（1）《车用气瓶安全技术监察规程》（2）GB 24159-2009《焊接绝热气瓶》

3.3设计参数的确定

3.3.1直径选取

参照GB 24159-2009《焊接绝热气瓶》，气瓶公称容积V和推荐的公称直径D按表2的规定：

表2　公称容积及推荐采用的公称直径

考虑焊接绝热气瓶阀门管路系统操作的方便性、燃料盛装的最大化、汽车行驶里程的最大化等因素，取内胆内直径Ф600mm，外壳内直径Ф650mm。

3.3.2主体材料的选取

根据介质使用温度的要求以及GB 24159-2009《焊接绝热气瓶》的要求，选用06Cr19Ni10奥氏体不锈钢板，或国外基本与国内06Cr19Ni10等同的304、SUS304不锈钢钢板。绝热材料及吸附材料应采用阻燃材料。

3.3.3最高工作压力

由于液化天然气汽车发动机使用燃料的压力一般小于1.0MPa，考虑到液化天然气气瓶使用的安全性，因此将最高工作压力设计为1.59MPa。

3.3.4充装系数

由于低温液体的特殊性且《气瓶安全监察规程》未规定焊接气瓶的充装系数。因此，车用液化天然气气瓶实际上是一种低温压力容器，因此根据国内低温液体贮槽（最大充满率不大于95%），国外焊接气瓶的现状和气瓶容积大的特殊性，按照GB 24159-2009《焊接绝热气瓶》的要求，取车用液化天然气气瓶的充装系数为90%。并且气瓶设置防过量充装装置，保证任何情况下充装液体容积不大于公称容积的95%。

3.3.5气压试验压力

按Q/DS-001《车用液化天然气气瓶》规定，内胆气压试验压力为内胆工作压力的2倍，即Ph=1.59×2=3.18MPa。

3.3.6外壳设计压力

虽然外壳封头与筒体仅受因夹层抽空产生的外部大气压-0.1MPa，但是为了保证气瓶外壳具有一定的强度，按照D0T4L规定，外壳的设计压力为-0.21MPa。

3.3.7设计温度

因为液化天然气的最低饱和温度为-162℃，气瓶内胆的设计温度参照液氮最低饱和温度为-196℃，设计温度取-196℃；外壳处于环境状态工作，因此外壳的工作温度为环境温度。

3.3.8腐蚀裕度

工作介质为液化天然气，对06Cr19Ni10、304、SUS304不锈钢钢板无腐蚀倾向，故取腐蚀裕度为0mm。

3.3.9内胆许用壁应力

按GB 24159-2009《焊接绝热气瓶》规定，内胆许用壁应力选取。由于多数板材的抗拉强度 Rem≥530MPa,Rp0.2≥265MPa，对焊接工艺评定调整保证内胆屈服强度≥265MPa，故可取内胆许用壁应力σ≤265×0.85= 225.25MPa。

3.3.10壳体厚度负偏差C1

按GB/T709的规定：4.0mm不锈钢板的厚度负偏差C1 =0.3mm。

3.3.11安全阀开启压力

按GB 24159-2009《焊接绝热气瓶》的规定，第一级安全阀的开启压力取1.59MPa，第二级安全阀的开启压力取2.41MPa。

4、管路系统

管路系统的设置应具备充液、出液、自动和手动泄压、紧急情况下限流、压力显示、液位显示等基本功能。管路系统阀门宜标明介质流向，并且截止阀应标明开启和关闭方向。管路系统及其部件所用的密封件不得与所盛装的液化天然气发生化学反应，并且能够承受盛装介质的低温。

4.1充液管路

充液管路上宜设有充液接头。充液接头应具有阻止气瓶内的液体或气体流向外部的功能，接头应带有防灰尘作用的防尘盖。如果不设置充液接头，则应当设置截止阀、螺纹堵头或者采用法兰等密封结构，保证充液完毕后及使用过程中介质不外泄。

4.2出液管路

出液管路及管路上的接头、阀门的通径大小、安装位置、安装方式等应能够满足排出能力的要求。出液管路应设有截止阀、防过流装置。防过流装置安装在出液管路液体侧末端、汽化器前端之间，并且应满足在其后部的燃料供给管路发生大量泄漏、破裂、断裂等情况下能够自动关闭。

4.3泄压管路

泄压管路应与气瓶内胆气相空间直接相通，且管路通径应满足安全泄放的要求。泄压管路分为自动泄压（安全阀开启泄压）和手动泄压。气瓶安装在汽车上时应将泄压管路的出口接引至车辆的安全位置排放。充装时如果需要泄压，严禁直接对大气排放，可以排放回加气站内的容器。

4.4安全阀

内胆应设置至少两只安全阀，安全阀入口接管应各自与内胆气相空间直接连通。每只安全阀的排放能力应能单独满足安全泄放的要求。安全阀前不应装设截止阀。气瓶不应装设爆破片。主安全阀的开启压力不大于公称工作压力的1.2倍，副安全阀的开启压力不大于公称工作压力的1.8倍。

4.5压力表

压力表量程为公称工作压力的1.5～3倍，精度不低于2.5级。压力表进口管路应与内胆气相空间直接连通。

4.6液位计

每只气瓶应设置液位计，液位计应有显示液位的信号输出，并传至汽车的驾驶室，且当剩余燃料为气瓶内胆有效容积的5%时有警示功能。

4.7气瓶内应具有足够的安全空间，充装饱和蒸汽压为0.8MPa（表压，下同）的LNG，且安全阀的排放压力为1.6MPa时，安全空间至少应为内胆总容积的10%。对于允许充装饱和蒸汽压低于0.8MPa的LNG的气瓶，则应根据LNG的充装压力和安全阀开启压力下的密度差来设计安全空间的容积。

4.8气瓶应具备自动限充功能。无论瓶内残留的LNG量多少，在气瓶再次充装时，均应保证瓶内的实际安全空间与设计值相符。

5、结语

LNG气瓶作为LNG汽车供给系统的核心设备，具有充装使用方便，充装量大、续驶里程长、安全可靠等优点。其设计与开发为发展LNG汽车打下基础，对节约能源、治理环境污染、改善城市大气质量具有重要意义。

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[6] 吴北民.车用液化天然气供气系统工艺与设备2012.02.

Gas cylinder's type selection and design of the LNG automobile

Luo Feng, Zhao Feng
（Shaan xi Heavy-Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200）

Because of the Natural gas reserves big,the price is cheap, and as a fuel pollution from small, gas truck has been developing rapidly in recent years, especially in the energy density of LNG. The current LNG truck is widely applied in the transportation industry in each market segment, plays a more and more important role, so the cylinder type selection design is particularly important.

LNG; Truck; Market segment; Driving range; Type selection; Design

∶U473.2+1

∶A

∶1671-7988 (2016)09-62-03

罗峰（1985-），男，工程师，就职于陕西重型汽车有限公司。主要从事商用汽车底盘设计方面的研究。