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1、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
2、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 16.50.34MPa 之间，更先进的可达 20.70.17MPa 之间，该压力下其体积比可达 230，所以
3、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
4、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
5、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； 1 0-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
6、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 8090% 。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 56g（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
7、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
8、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
9、90 C，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 X 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。