10 m液化天然气校车设计与开发

2018-04-21李普尉

客车技术与研究 2018年2期

李普尉

(厦门金龙联合汽车工业有限公司, 福建厦门 361023)

天然气以其环保、节能、经济、储量丰富等优点，已成为汽车传统燃料的主要替代能源之一。LNG汽车是未来天然气汽车的发展方向，也是城市规模化发展天然气汽车的理想途径。LNG在城市客车中已经得到广泛应用,但是在校车市场上还很少。厦门金龙10 m LNG校车就是根据市场要求，精心打造的一款设计新颖、布局合理的天然气汽车。

1 整车开发

1.1 车身设计特点

1) 车身造型。充分考虑空气动力学原理，大曲面、小圆角相结合，前围造型饱满使其有亲和力，前大灯张扬且炯炯有神，前部长鼻子造型线条流畅，富有灵性，后围造型整体富有层次而有形。

2) 全承载车身骨架。采用高强度钢、封闭环结构骨架和张拉蒙皮车身，前后围整体式冲压覆盖件，在有效提高车身刚度和强度的同时使整车重量大大降低。采用整车骨架阴极电泳技术，大大延长整车骨架的使用寿命。

3) 驾驶区。整体式仪表台豪华大方，按钮触手可及，可调节豪华驾驶员座椅，根据人机工程学来布置的驾驶区，处处体现出人性化设计，有效地降低驾驶员的工作强度，降低驾驶员长时间驾驶的疲劳感，保证驾车安全。

4) 内饰。车身内饰软化处理，采用阻燃性能好的高品质材料，专用学童座椅，全车安全带，配置高级立体音响和视听设备，提供舒适、优雅的空间。

5) 整体式翻转引擎盖。前围引擎盖采用整体式翻转结构，方便对发动机舱内部进行检修。

6) 主动安全性。搭载TOPVIEW全景环视、车道偏离报警、全车自动破窗器、自动灭火装置、紧急逃生门等一系列主被动安全技术；同时，车辆配备的 “智慧校车运营管理系统”，可以实时对驾驶员、学生、车辆的行为活动进行智能化监控，确保校车运营安全。

1.2 底盘设计特点

1) 配置符合国Ⅳ排放标准的玉柴YC6J210N-40直列、中冷、涡轮增压LNG发动机，装配美国全套进口电控供气装置、点火系统和发动机管理系统，配天然气三元催化排气后处理系统，额定功率/转速为155 kW/2 500 r/min,最大扭矩/转速为710 N·m/1 500 r/min,发动机还配置限速装置，最高车速不大于80 km/h[1]。

2) 校车专用底盘制动器总成，按前盘后鼓形式配置，东风德纳系列前、后桥，主减速器为精磨齿轮；后桥制动蹄片为加宽形式。

3) 前双向阻尼筒式减振器和前后少片簧组合式设计，配合横向稳定杆减噪固定结构，稳定性好，有效降低前悬架噪声，大大提高了整车的驾乘舒适性。

4) 采用双回路气压制动系统(行车制动)，储能弹簧驻车制动，成熟可靠的动力转向器，配置电涡流缓速器(辅助制动)，ABS及制动间隙调整臂，集中润滑系统，提高车辆的主动安全性。

1.3 LNG供气系统

LNG供气系统由LNG钢瓶、电控调压器、汽化器、液位仪、空气滤清器、缓冲罐、安全装置(如过流阀、安全阀和防爆片)以及一系列阀件(如充液阀、截止阀和单向阀等)、混合器等组成，其工作原理如图1所示[2-3]。

图1 LNG供气系统工作原理图

当发动机启动，主安全阀门打开，LNG钢瓶内的LNG通过钢瓶自身的压力，通过控制阀和燃料限流阀进入汽化器中。汽化器通过发动机回水对LNG加热，在汽化器中LNG被汽化成气态天然气。当气体通过调压器时，该系统采用电控调压方式来控制天然气量，最后天然气与经过空气滤清器过滤后的空气在混合器中混合成为发动机的燃料[4-5]。为了增加供气管路上的气体容量，在发动机负荷发生变化时，保持供气压力的相对稳定，在LNG汽车的供气管路上，还装有天然气缓冲罐。

2 设计关键

2.1 车载LNG钢瓶的选择

车用LNG 钢瓶一般分为常规 LNG 钢瓶和增压 LNG 钢瓶。钢瓶最佳使用压力在0.8～1.2 MPa之间，本车选择增压LNG钢瓶，保证钢瓶压力不小于0.8 MPa，钢瓶通常采用高真空多层缠绕绝热型式，如图2所示[6]。

1—一级安全阀; 2—二级安全阀; 3—过流阀; 4—充液单向阀; 5—放空阀; 6—信号盒; 7—回气阀; 8—压力表阀; 9—经济调节器; 10—增压回气软管; 11—增压阀; 12—增压出液软管; 13—升压调节器图2 LNG 钢瓶示意图

钢瓶容积的选择:LNG汽车的续驶里程一般在400～500 km,与燃油汽车相当[7],参考此续驶里程来选择合适的钢瓶。10 m校车主要用于学校接送学生用，每天接送学生两趟，行驶里程约为 140 km，每3天加一次LNG,3天校车行驶里程为420 km，选用的LNG钢瓶容积至少要满足这个续驶里程。10 m校车的百公里CNG气耗量约为35 m3，行驶420 km需要气耗量约为4.2×35=147 m3。压缩天然气(CNG)在- 162 ℃低温下由气态变为液体，其体积仅为气态的1/625[8],则所需LNG量为147 × 1 000 /625=235 L。由于每个钢瓶的LNG都不能使用完，需要有保底容积，因此选用的钢瓶容积要大于235 L。根据钢瓶厂家提供的产品系列型号，选择在 10 m 长左右的LNG 校车上装配275 L 的 LNG 钢瓶。

2.2 LNG钢瓶的布置

LNG钢瓶常用的布置方式有后置和中置两种，XMQ6100AS校车是发动机前置，平地板结构，后围带安全门，钢瓶后置没有空间，所以采用中置方案。车辆左侧布置电瓶和加热器，LNG钢瓶纵向布置在车辆右侧中部，并在钢瓶外部增加防护栏，防护栏内侧增加橡胶垫带；LNG汽化器和LNG缓冲罐组件布置在钢瓶前部，加液面板安装在钢瓶后部，如图3所示。

1—加液面板； 2—LNG钢瓶； 3—汽化器； 4—LNG缓冲罐； 5—发动机总成； 6—防护栏； 7—加热器； 8—电瓶图3 LNG钢瓶右侧纵向布置示意图

此布置方式的优点是整车载荷较平均，且钢瓶的拆装及平时的维护与检查也都比较方便，采用此布置方式也可使加液面板的布置比较合理，使整个供气系统比较紧凑。但是在钢瓶布置和安装过程中需注意以下几点：

1) 钢瓶侧布置纵向安装时，钢瓶的阀门、仪表端应朝向车辆后部，钢瓶安装后任何部分不得超出车辆外部轮廓边缘。考虑到检修问题，钢瓶的阀门、仪表端位置与后部还应保留400 mm以上的可操作空间。

2) 钢瓶与发动机排气管的距离应不小于200 mm；当距离小于200 mm时应有可靠的隔热装置，避免钢瓶直接受热。

3) 钢瓶安装在右侧独立的行李舱内，要考虑内部通风散热问题，钢瓶底部封板要开散热孔，外侧行李舱门也需要开格栅孔，保证通风、换气。

4) 加液面板应安装牢固，固定构件应具有足够的强度和刚度，应能满足加气枪、回气枪正常的对接和分离操作。加液口的位置和高度要考虑安全防护要求并且便于加液操作,加液口离地高度应不低于500 mm而不高于1 300 mm，加液口与车辆外廓边缘的距离应不小于50 mm[9]。

5) 利用发动机冷却水作为汽化器的加热源，安装时应当注意LNG进口与冷却水的进口方向一定要相同(并流方式)，否则汽化器出口的温度可能过高,或者冬天汽车启动时汽化器结霜甚至结冰。汽化器的安装位置应尽量离钢瓶出液口近，最远不大于 3 m，否则可能造成汽化能力下降。

6) 钢瓶在充装前应当检查低温进液口内是否有水分、杂质等，如有水分，在充液时，水分会迅速凝结成冰块。而冰块有可能堵塞进液阀和低温进液口甚至进入瓶内。堵塞造成低温进液口和进液阀等关闭不严而产生泄露，甚至造成密封面的损坏。如果冰块进入钢瓶内部，可能会在出液过程中堵塞在出液阀处，造成供液不畅，使得发动机动力不足甚至无法启动。如有杂质，杂质进入发动机则有可能造成发动机的损坏。所以在充液前，应当确保水分和杂质被完全清除干净。另外还要查看钢瓶压力表是否为0，如果为0，应当对钢瓶进行吹扫，气密性重检后再进行充装。如果发现钢瓶外表有结露或结霜现象，则不能充装，必须把钢瓶返厂维修。