LNG汽车气瓶的技术要求和工作原理

韩涛，祁增禄，康思宇，石亚锋，延磊

LNG汽车气瓶的技术要求和工作原理

韩涛，祁增禄，康思宇，石亚锋，延磊

（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，作为燃料产生污染小，天然气重卡近年来发展迅速，目前LNG重卡广泛应用于运输行业的细分市场，扮演者越来越重要的角色，为了LNG汽车更好的发展，现对LNG汽车气瓶的技术要求和工作原理进行介绍和分析。

LNG；气瓶；技术要求；工作原理

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-192-03

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。天然气重卡有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 液化天然气的定义及物性参数

1）液化天然气即为液态的天然气 (Liquefied Natural Gas)，简称“LNG”。是天然气经过低温冷凝等一系列处理，使天然气在超低温（-162°C）常压状态下液化，成为液化天然气。

表1

2）液化天然气的物性参数：液化天然气基本是无色、无味的液体；对金属没有腐蚀性；不溶解于水，但在许多有机化合物以及氢气和氧气中是溶解的。

3）将天然气归类到清洁能源类，是因为天然气燃烧时仅排放水和少量的二氧化碳粉尘和极微量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物：CH4＋2O2→ CO2＋2H2O。

4）液化天然气的物理参数：如表1所示：

5）常用燃料物性参数与天然气的比较：如下表所示：

表2

2 LNG气瓶的组成

1）LNG车用气瓶的结构分为气瓶内容器、气瓶内容器、气瓶接口阀门、LNG液位传感器和绝缘被组成。

2）气瓶是一种储存LNG的高真空绝热容器，主体结构含内胆和外胆，中间为真空和绝热保温形式。在内胆外壁缠绕由玻璃纤维和光洁的铝箔组成的多层绝热材料，夹层中配有氧化钯、分子筛等以延长真空使用寿命。外壳设计主要用于与内胆形成夹层空间，用于保障内胆的到达最好的绝缘效果，效果越好，LNG在气瓶内储存的时间就越长。

3）内胆用来储存低温液态的LNG，在其外壁缠有多层绝热材料，具有超强的隔热性能，同时夹套（两层容器之间的空间）被抽成高真空，共同形成良好的绝热系统。外壳和支撑系统的设计能够承受运输车辆在行驶时所产生的相关外力。

内胆设计有两级安全阀在超压时起到保护作用，这样使气瓶使用确保安全。

3 LNG气瓶技术要求

（1）车用LNG气瓶必须满足以下基本要求

① LNG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天安全阀不开启；

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气瓶有足够上网气相空间，是压力升高不致过快，以保证LNG气瓶的安装静置时间；

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易发生相对位移和结构变化，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。

4 车用LNG系统的工作原理

（1）液化天然气汽车燃料系统由气瓶、汽化器、缓冲罐、自增压系统、降压调节阀（稳压器）、发动机系统组成；阀门组件图如下图所示：

图1

（2）汽化器主要是利用发动机循环冷却水把液化天然气进行加热汽化，使天然气达到满足发动机使用温度、流量要求。

（3）降压调节阀（稳压器）主要作用是将汽化器汽化后的天然气进行减压，使之满足发动机的使用压力要求，且保持压力稳定。

（4）缓冲罐的作用是储备一定量的气体，以备不时之需。当汽车功率较大，启动时需要较多的天然气时，可以在降压调节阀后配备一只缓冲罐。

（5）自增压系统的作用通过自增压管路热能来增加气瓶压力。

（6）内胆设置了两级安全阀（管路系统中）会在内胆超压时起到保护的作用。在超压情况下主安全阀(Svs)（开启压力为1.59MPa）首先打开，其作用泄放由于绝热层和支撑正常的漏热损失导致的压力上升、或真空遭破坏后以及在失火条件下的加速漏热导致的压力上升。副安全阀(Svp)（开启压力为2.41MPa）的压力设定比主安全阀高，在主安全阀失效或发生堵塞时，副安全阀启动。

图2 流程图代号意义

（7）在夹层超压条件下，外壳的保护是通过一个环形的真空塞来实现的。正常情况下，真空塞被大气压压紧在真空塞座内，使大气与夹层空间隔绝，保证夹层的真空度。由于低温液体或蒸汽受热后体积变化比较大，即使少量的低温液体或蒸汽泄漏进入夹层，也会导致夹层压力迅速升高。当夹层压力超过0.17MPa（表压）左右，真空塞将会打开泄压。

（8）设置了经济阀(Er)，在使用过程中（长时间停驶除外）经济阀能够优先使用气瓶内胆顶部由于自然蒸发被汽化而形成的天然气蒸汽，从而降低气瓶内部的压力，使得只要在使用气瓶的压力就不会升至安全阀的开启压力，因而不用放空。

还设置了过流阀（Ef），当外部管路发生破裂，管路流量大于设定值时，过流阀自动关闭；当关闭过流阀前的液体使用阀后，过流阀自动回位。通过过流阀自动关闭，从而可以有效避免次生危险的发生。

图3 LNG汽车气瓶原理流程图

（9）整套系统中的独到之处是设置了自增压系统。自增压系统包括：增压截止阀（Pv）、增压调节阀（PBr) 、自增压盘管（Pr）及相应的管路。该系统能够保证且稳定地提供气瓶的正常供液压力和流量的要求，仅仅通过与空气进行热交换，而不需额外的能源。稳定的压力是通过调节增压调节阀来控制的，当气瓶顶部的压力低于增压调节阀设定的压力（也就是系统需要的压力）时，液化天然气通过增压截止阀和增压调节阀后进入自增压盘管与空气进行热交换，液体变成蒸汽回到气瓶的顶部。由于液化天然气的液气比较大，因此使得压力升高。当压力等于增压调节阀的压力后，增压调节阀自动关闭，气瓶压力不再继续升高。

4 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，其技术要求和工作原理为发展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。

[1] 顾安忠.液化天然气技术手册.2010.

[2] 马小红.LNG车载气瓶 2011.09.

[3] 罗峰,赵峰.LNG汽车气瓶选型设计2016.09.

[4] 阿里.古巴提.天然气汽车应用技术研究2014.09.

Technical requirements and Working Principle of Liquefied Natural Gas Cylinder for Automoiles

Han Tao, Qi Zenglu, Kang Siyu, Shi Yafeng, Yan Lei
（Shaanxi 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, In order to the better development of LNG vehicle, Now the technical requirement and working principle of LNG vehicle cylinder is instroduced and analyzed.

LNG; Gas cylinder; Technical requirements; Working Principle

U469.7

A

1671-7988 (2017)16-192-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.067

韩涛，就职于陕西重型汽车有限公司。