LNG装载机核心技术研究

杜晓琳 郭文明 钟俊伟 张庆瑞

【摘  要】徐工作为LNG天然气装载机的首推者，针对LNG装载机研发过程中的天然气供气技术、天然气气瓶布置、天然气发动机启停技术等核心技术难题提出解决方案，希望可以为LNG新能源在工程机械上的进一步应用提供经验参考。

【Abstract】As the first pioneer of LNG loader， XCMG proposed solutions to the core technical problems in the research and development of LNG loader， such as natural gas supply technology， natural gas cylinder arrangement， and natural gas engine start-stop technology， hoping to provide experience reference for further application of LNG new energy in construction machinery.

【关键词】LNG装载机;天然气供气技术;天然气气瓶布置;天然气发动机启停技术

【Keywords】LNG loader; natural gas supply technology; natural gas cylinder arrangement; natural gas engine start-stop technology

【中图分类号】TH243                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）10-0156-02

1 引言

面对机械工程行业向低碳经济转型的现状，开发应用清洁能源装备已成为工程机械行业发展的必然趋势。LNG无色、无味、无毒、无腐蚀性，是目前世界公认的清洁能源，主要成分是甲烷，燃烧后的主要成分是水和二氧化碳，不产生有害气体。LNG天然气发动机与柴油发动机相比：颗粒排放PM基本为零;二氧化碳的排放量少25%～30%。按每台装载机每天工作8h一年300天计算，一台天然气装载机比一台柴油装载机每年可少排45t的二氧化碳，社会效益显著。LNG虽然是清洁能源，但徐工作为将天然气发动机应用于装载机的先驱，在研发过程中针对核心技术难题，首创性地提出如下关键技术。

2 稳定、快速的LNG天然气供气技术

LNG装载机的燃气加压供给普遍采用翅片自增压技术，储液罐内的低温液态天然气，通过储液罐的增压截止阀、升压调压阀、螺旋翅的增压汽化器，气化后再进入储液罐，以提高储液罐内燃料压力，具体如图1所示。但传统储液罐自增压装置在机器连续大负荷并且频繁的急加速工作中，很难将储液罐中压力持续稳定在11bar以上，造成燃料供给不足，使机器动力下降或者中途停机，降低工作效率且增压时间长。当储液罐刚充装完毕，储液罐内的压力只有5～7bar，低于正常工作压力11bar，这就需要等待储液罐里的压力建立到11bar以上，这个过程长则需要1～1.5h。

针对上述问题，采用可控的气瓶增压技术（具体原理如图2所示）：储液罐1通过压力切断阀2连接低温电动泵3，低温电动泵3连接电加热总成11，电加热总成内的压力开关9连接预热继电器7的线圈端，保险片6连接预热继电器7的输入端，压力开关9和保险片6分别外接车载电瓶，预热继电器7的输出端分别连接预热容器4中的电阻丝10和与低温电动泵相连的驱动马达8，电阻丝10和马达8并联，电加热总成的预热容器4通过单向阀5回接储液罐1。本系统能够实现通过电预热总成，以及预设压力值自动開闭压力开关，同时在作业过程中可加速液化天然气气化，给储液罐快速加压，保障机器快速进入工作状态，并且满足装载机作业特点的需求，具有节能、节约时间、提高工作效率、安全可靠、操作简便等优点。

3 大视野、安全性LNG天然气气瓶布置技术

受限装载机的散热和结构限制，LNG气瓶多放置在机罩前部驾驶室后部（见图3），而装载机作业需要频繁地倒车，且大部分操作手倒车时习惯回头观察后视情况，因此，高置气瓶结构的后视野较差，严重影响作业安全性，同时还存在加气困难，气瓶固定可靠性差等问题。

针对上述问题，我们设计了一种结构简单、方便维修的气瓶布置结构。

优化散热器结构，设计为双排可旋转打开式结构，减小散热器高度尺寸，综合考虑后车架结构件的结构形式、整体的强度和刚度及制造难度等，经过多次修改、验证最终形成独特的三腔型框架式后车架。LNG气瓶通过底安装板、错位安全销及高强螺栓安装在后车架气瓶安装腔内，发动机变速箱三组合安装在前腔内，汽化器、稳压阀等布置在后腔内，最终形成独特的“后置悬挂式LNG气瓶布置结构”（见图4）。LNG气瓶固定腔与发动机固定仓形成隔离，避免LNG泄压及极端泄漏时LNG进入机舱内，进一步提升使用安全性。为满足LNG气瓶及部件的存放标准，以及日常保养的方便性，供气系统部件的维修口均设计为新型透气防水的布置结构。最终形成徐工专利技术的“天然气装载机气瓶安装布置结构”，有效解决了行业内LNG气瓶高置引起的气瓶重心高、后视野差（直接后视野增加50%以上）、操作不安全等行业难题。

4 LNG天然气发动机的启停技术

装载机由于燃料的特殊性，启动时LNG的电磁阀通电、LNG气化、气路接通等一系列过程需要一定的时间（经测算3～5s），如果急于启动，由于气源的不足将导致发动机无法正常启动，而操作者会通过延长启动时间来增加启动的可能性，使马达寿命严重缩短。

为解决这个难题，我们通过延长气化时间，实现延时起动，具体方案如下（见图5）：在发动机燃料的进气口增加一个压力传感器，测量进气口的压力值，压力信号给控制器，控制器接收整机空档信号，同时控制器输出一路信号到组合仪表，组合仪表有指示灯，当压力值达到设定值时，指示灯亮，这时操作者把档位停在空档就可启动整机，当气化压力达不到设定值时，整机不进行启动，这样即可以保证启动的稳定性和可靠性，也可避免操作手误操作频繁启动造成启动系统故障。

5 结语

徐工系列天然气装载机现已批量生产、销售，在连云港港口、河北迁安、山西鹏飞焦化等施工项目中，始终担当主力，从实际作业效果表明，该系列产品工作效率与同类柴油产品相当，而燃料使用费用成本可降低25%～35%，工作可靠，质量稳定。该系列产品的各项性能指标稳定可靠，使用费用低，为广大用户和业主带来良好的经济效益，赢得了广大用户的交口称赞和好评，产品得到了用户的认可，极大提高徐工装载机的市场竞争力，助推国内天然气装载机行业展开新一轮的研发及技术提升。

【参考文献】

【1】杜晓琳，郭文明，张庆瑞，等.气瓶安装结构及装载机[P].中国专利：CN207449622U，2018-06-05.

【2】杜晓琳，汤志林，郭文明，等.天然气装载机气瓶安装布置结构[P].中国专利：CN204172684U，2015-02-25.