王岗，申晓霞，孟林昆（陕西重型汽车有限公司， 西安 710200）

LNG-CNG共用系统的设计及试验研究

王岗，申晓霞，孟林昆
（陕西重型汽车有限公司， 西安 710200）

本论文介绍了一种LNG-CNG共用系统，包括LNG、CNG燃料共用及CNG向LNG气瓶增压，解决了寒区LNG重卡暖机速度慢及气瓶压力升压慢或升不上去的问题。论文还针对采用该系统的一款LNG-CNG共用牵引车进行了暖机试验，LNG、CNG切换平顺性试验以及CNG向LNG气瓶增压试验，验证了LNG-CNG共用系统的可行性；通过对LNG及CNG用气量的计算，得到LNG气瓶及CNG气瓶最佳容积匹配。

LNG-CNG共用系统；增压；燃料共用

前言

LNG以其绿色环保性、安全性能高、价格低、储存密度大、续驶里程长等优点［1-3］，广泛应用于重卡行业。然而，LNG重卡也存在着诸多问题需要我们进一步去研究、改进：（1）在气温较低的地区，LNG车由于汽化吸热需要发动机冷却液温较高时才可使用，因此，较CNG车及柴油车起动慢；（2）LNG重卡在加液站刚加完液或气瓶内液量值较低时气瓶压力升压慢或升不上去，在寒区尤为严重。而事实上，西北、东北以及俄罗斯等寒冷地区正是天然气存量大、价格低廉的区域，这两项问题导致目前寒区LNG重卡客户抱怨特别严重。本论文提出一种LNG-CNG共用技术解决上述寒区LNG重卡存在的问题，该技术在常规LNG汽车上增加一个CNG气瓶及相关管路元件，可同时实现CNG向LNG气瓶的快速增压以及CNG替代LNG向发动机进行供气。

1　LNG-CNG共用系统设计

1.1LNG-CNG共用系统设计原则

LNG-CNG共用供气系统采用LNG作为主要燃料，CNG作为快速增压装置及备用燃料，由于CNG在气瓶中主要以常温高压气态形式存储［4］，LNG在LNG气瓶中以低温低压饱和液的方式存储［4-5］，而气体发动机对要求以气态CNG/LNG进行供气，温度在30℃～50℃、压力在0.8MPa～1.2MPa的范围内。因此，LNG-CNG共用系统的主要工作流程如图1所示：

1.1.1LNG、CNG燃料共用技术

在常规LNG汽车上，增加CNG供气系统，于缓冲罐前将LNG、CNG燃气管路进行合并，通过电器元件控制LNG电磁阀与CNG供气减压阀1进行供气方式切换。开启时默认启动CNG方式，保证发动机正常启动，冷却液在水浴汽化器里开始循环，冷却液温度达到预期温度、气瓶压力达到供气压力时，可通过控制电器元件将供气方式切换至LNG模式，两种供气方式实现互锁功能。其余状态，用户可根据需要自行切换供气方式。

1.1.2CNG向LNG气瓶增压技术

在CNG向LNG气瓶增压技术方面，由于国内加液站未配备增压泵，重卡在一般LNG加液站刚卸完液进行加液后，气瓶内压力可能低至0.4MPa～0.5MPa，此时发动机无法启动，或者出现低压报警；如果单靠传统自增压，在寒区需可能增压很长时间，才能勉强达到发动机使用要求；而将高压CNG进行减压后充入LNG气瓶增压，则能大大提高LNG气瓶增压速度。另外，当气瓶内液量为20%以下时，自增压常常无法满足发动机使用，气瓶压力一直呈缓慢下降的趋势，导致发动机出现动力不足的现象，而采用CNG向LNG气瓶增压则可有效避免该项问题。

1.2LNG-CNG共用系统方案设计

考虑到LNG、CNG各自自身物性特点、操作安全性以及维修方便性，LNG-CNG共用系统中需要增压各辅助元器件以实现该系统的正常使用及维护，具体方案如图2所示：

1.2.1LNG、CNG燃料共用工作流程

当LNG供气时，液态LNG从LNG气瓶2中出来，经过内止回阀14、LNG出液阀15、过流阀16，由汽化器17汽化为气态LNG，再通过电磁阀33、缓冲罐35，由稳压器36稳定后进入发动机，若LNG气瓶2内压力高于经济阀压力时，气态LNG也可从LNG气瓶2气相空间出来，与液态LNG形成气液混合物，向发动机供气；当CNG供气时，高压CNG从CNG气瓶28中出来，经过CNG过流阀24、CNG总截止阀20、放空阀25、高压粗滤器26、高压精滤器27，并由CNG供气减压器29减压为低压气体后，进入缓冲罐35，再经过稳压器36进入发动机。LNG与CNG供气切换由LNG、CNG供气切换模块控制电磁阀33及CNG供气减压器29而实现。

1.2.2CNG向LNG气瓶增压工作流程

当CNG向LNG气瓶增压时，高压CNG从CNG气瓶28中出来，经过CNG过流阀24、CNG总截止阀22、放空阀25、高压粗滤器26、高压精滤器27、CNG增压截止阀30，由减压器（CNG-＞LNG气瓶）31减压为低压气体，再通过调压阀（CNG-＞LNG气瓶）32、回气截止阀12进入LNG气瓶气相空间，实现LNG气瓶的增压。其中，CNG向LNG气瓶增压的启闭由CNG总截止阀22、CNG增压截止阀30及回气截止阀12共同控制；调压阀（CNG-＞LNG气瓶）32可保证LNG气瓶压力到达其设定值时，增压自动停止，节约CNG的用量。

1.2.3系统辅助工作流程

液态LNG由重力从LNG气瓶2中出来，经增压截止阀4、自增压调压阀3，由自增压盘管1充分与空气进行热交换成为气态LNG，并通过回气截止阀12实现LNG气瓶的自增压，可对CNG向LNG气瓶增压提供辅助增压，节约CNG的用量；LNG经由LNG加液口11、进液单向阀5进入LNG气瓶2，实现LNG气瓶的加液；CNG经由CNG加气口11、CNG进气截止阀22、单向阀23及CNG过流阀24进入CNG气瓶28，实现CNG气瓶的加气；LNG回气口10可在加液时气瓶压力过高导致加液速度慢或加液加不进去时接通，使LNG气瓶2中气相LNG排出；主安全阀6、副安全阀7、增压管路安全阀9以及供气管路安全阀37可分别在LNG气瓶2、增压管路及供气管路出现压力过高时自动起跳进行减压，保证系统的安全性；LNG气瓶压力表8、CNG气瓶压力表19以及供气管路压力表34可方便用户实时监控LNG气瓶2、CNG气瓶28以及供气管路的压力。

2　LNG-CNG共用系统试验

以某LNG-CNG共用牵引车为研究对象，如图3所示，其驱动形式为6×4，轴距为3775+1400，列车总质量为55T，选用WP12NG400E50发动机、12JSD200T变速器以及MAN13T双级减速桥，前轴采用MAN7.5T前轴，采用12.00R20子午胎，供气系统采用LNG-CNG共用系统。对该牵引车中CNG向 LNG增压效果、CNG供气的暖机效果以及LNG与CNG供气切换平顺性进行试验验证。

2.1暖机试验

通过测量CNG启动待LNG能正常使用时，发动机冷却液温度升高时间、CNG用气量，验证LNG-CNG重卡暖机效果以及此阶段CNG用气量。

在环境温度为-5℃，车辆满载，车速为0-40km/h，发动机初始冷却液温度为0℃，暖机至发动机冷却液温度为50℃时，所需暖机时间为5min，CNG使用量为1.6 Nm3。

2.2CNG、LNG切换平顺性试验

当CNG、LNG均能进行正常供气时，进行CNG、LNG供气切换，验证LNG、CNG供气切换的平顺性，保证车辆在运行状态中可任意切换供气方式。

在环境温度为-5℃，车辆满载，车速为20-60km/h时，每1公里进行一次LNG/CNG供气切换，共试验30次，切换顺利，无任何异常状况出现。

2.3CNG向LNG气瓶增压试验

通过测试LNG-LNG两用牵引车刚加完液，环境温度较低的情况下，LNG自增压时间以及CNG向LNG气瓶增压用气量和增压时间，确定CNG向LNG增压效果。

在环境温度为-5℃，车辆满载，LNG液量为80%、初始压力为0.5MPa时，采用LNG自增压至LNG气瓶压力为0.8Mpa，需进行怠速增压40min，方可使用；而同样初始条件下，采用CNG向LNG气瓶增压，则需要怠速增压5min即可达到行车要求，而由于LNG气瓶内部热交换速度低于CNG增压速度，故在实际使用中，用CNG增压启动后，需继续开启CNG增压模式行驶20min，保证LNG气瓶内部热交换充分，此时，共需要增压用CNG量为3.84Nm3。

3　LNG、CNG气瓶容积匹配计算

上述6×4 LNG-CNG共用牵引车2×450L的LNG气瓶续驶里程 K 为：

其中，η = 0.9，为LNG气瓶充装率；

v为LNG气瓶容积；

e 为该F3000 6×4牵引车气耗。

而用户在实际使用牵引车时，平均行驶速度v约为60km/h，每天工作时间t 约为12小时，每天行驶里程数L为：

L= vt = 60×12 =720km

则该重卡加一次LNG可使用1-2天。由于LNG重卡在停驶12小时以上需暖机，在加液站加液后需CNG向其快速增压。因此，若CNG加气与LNG加液频次相同，则若CNG容量可供该重卡暖机2次，增压2次（两LNG气瓶各一次），可认为其容量匹配合适。

而根据2.1试验结果确定LNG环境温度为-5℃，车辆满载时，CNG暖机至LNG燃料正常使用的使用量E1为

一般LNG加液站刚卸完液的液体温度为-140℃～-120℃，根据深冷液体饱和特性，其对应的饱和压力为0.5MPa以上。因此，可根据2.3试验结果确定CNG单次向LNG气瓶增压用气量E2最多为3.84 Nm3。

因此，每次LNG加液需要的CNG量E为：

而常规单80L CNG气瓶的容量E0为：

其中，η0=0.9，为CNG气瓶使用率；V0=80L，为CNG气瓶容积；P=20MPa，为CNG气瓶加气后瓶内压力；

因此，本LNG-CNG重卡采用80LCNG气瓶匹配2×450的LNG气瓶，即可满足使用要求。

4　结论

本文结合LNG和CNG供气系统自身的优缺点，解决了LNG重卡在寒区启动慢、LNG气瓶升压慢或升不上去而导致发动机动力不足等问题。

突破了LNG供气系统的发展瓶颈，最大化体现LNG和CNG供气系统的特点，极大提高重卡的运输效率，为燃气经济性带来大的经济效益。

［1］冯陈玥等. LNG汽车发展现状及相关问题分析［J］.研究与探讨，2014.2：32-35.

［2］张明锋等. LNG燃料汽车的应用研究［J］.能源研究与管理，2013（2）：49-52.

［3］王永伟等. LNG气瓶的优点及发展现状研究［J］.大众汽车，2013年第19卷第2期：12-14.

［4］李永昌. CNG汽车与LNG汽车的简要比较［J］.城市公共交通，2014（4）：25.

［5］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.

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刘正白：

LNG-CNG共用系统的设计及试验研究具有理论意义和实用价值，为这方面的应用研究提供了一个很好的参考。值得发表。

Design and Experimental Research of a LNG-CNG Shared System

WANG Gang, SHEN Xiao- xia, MENG Lin- kun
（ Shanxi Heavy Duty Automobile Co., Xi'an 710200, China ）

This paper provides a LNG-CNG shared system, including a subsystem of fuel sharing of LNG -CNG and a pressurization subsystem for LNG tank by CNG, to shorten warm-up time of LNG vehicle and solve the problem that the LNG tank pressure boost slow or does not rise up. In order to verify the feasibility of LNG-CNG shared systems, a heavy duty vehicle with the LNG-CNG shared system is used for the experiments of warm-up, switching of LNG and CNG, and pressurization from CNG cylinder to LNG tank. At last, an optimum matching relationship of LNG cylinder and CNG tank is obtained by the calculation of LNG and CNG gas consumption.

a LNG-CNG shared system； pressurization； fuel sharing

U464.136

A

1005-2550（2016）03-0052-04