LNG清洁能源在商用车上的技术发展与应用

2020-08-13李珍珍王建京杨军社姜斌韩利

汽车实用技术 2020年14期

李珍珍王建京杨军社姜斌韩利

摘要：文章针对液化天然气这一低温清洁能源在商用车上的应用，根据技术开发的深入和供气系统的不断升级，分别经历了饱和蒸汽压阶段、自增压阶段、低温潜液泵主动供气（LPP）阶段及高压直喷（HPDI）阶段，阐述了液化天然气清洁能源的技术开发及应用的发展，并针对每一阶段的现状，提出存在的问题及改进方向，最后提出了清洁能源在商用车上未来发展的方向及展望。

关键词：低温清洁能源;LNG;商用车;自增压;LPP;HPDI

中图分类号：U461.99 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2020）14-240-03

Abstract： The liquefied natural gas， a low temperature clean energy for commercial vehicles， is being developed in depth based on the technology and the continuous upgrading of the gas supply system， the development of technology and application of liquefied natural gas clean energy is described in this paper， which includes saturated steam pressure stage， autopressurization stage， low temperature submersible pump active gas supply （LPP） stage and high pressure direct injection （HPDI） stage. At last， the future development of clean energy in commercial vehicle is put forward and the prospect of clean energy in commercial vehicle is put forward.

Keywords： Low-temperature clean energy; LNG; Commercial vehicle; Self pressurization; LPP; HPDI

CLC NO.： U461.99 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2020）14-240-03

1 引言

隨着世界经济的飞速发展，汽车持有量的急剧增加在给人们带来极大便利的同时，由于其消耗大量的石油资源、排出大量的有害气体，对人类的生存环境造成较大的危害，成为城市的主要污染源。为解决这一问题，人们一直在寻求改变能源结构、采用低公害的汽车代用燃料的途径。目前，各类商用车包括在客车以及重型汽车上，大量采用液化天然气清洁能源（LNG）。由于一次充液后行驶里程可达 500 公里以上，原料价格低廉等较多优点，目前发展势态良好[1-3]。

2 液化天然气供气系统在商用车上的应用

从LNG清洁能源发展的历程来看，LNG车用供气系统共经历了四个阶段：①采用饱和蒸气技术;②采用自增压技术;③采用LPP技术;④采用HPDI技术。目前市场上在大量生产和采用的是第二代技术，即自增压式技术的供气系统。LPP技术国内已经在进行国产化研制，并有小批量的投入应用。HPDI技术目前国外已经较成熟运用，但国内仍处于研制阶段。

2.1 饱和蒸气压技术

采用饱和蒸气技术的供气系统原理见图1。该技术的工作原理是利用瓶内气体的饱和蒸气压，采用挤压方式将LNG挤出，为发动机提供燃料。这种系统的优点是结构简单，且维护方便。但由于气瓶工作压力偏低，所能提供的气量有限，对发动机的性能有较大影响，且不能满足大功率发动机需求。目前此供气系统在商用车上已很少使用。

2.2 自增压技术

自增压技术[4-5]的工作原理与饱和蒸气式供气系统不同，当LNG充装到车用瓶后进行自增压;而当气瓶内压力高于设定压力时，可自动关闭自增压系统。自增压式供气系统的工作原理见图2，该系统改善了LNG汽车的行驶性能，受到了市场的认可，迄今为止，国内绝大部分LNG商用车均采用该技术。

自增压式供气系统由气瓶、汽化器、管路各调压阀、发动机系统组成。气瓶用于LNG燃料的存储。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。管路各调压阀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。缓冲罐的作用是储备一定量的气体，以在供气时保持以稳定的流量进入发动机，避免因流量不稳定造成发动机性能不稳定。

如果按照管路的布置来看，系统可以分为进液管路、出液管路，增压管路，经济回路以及安全系统管路。进液管路由低温进液口（C1）、进液单向阀（FCV）以及连接的管道组成，加气站用加气枪的机械力量把低温进液口（C1）顶开，液化天然气被加气站装备的低温泵泵入加气管道。自增压管路由增压截止阀（Pv）、升压调节阀（PBr）、自增压盘管（Pr）组成。开启增压截止阀（PV），低温液体通过升压调节阀（PBr），然后经过自增压盘管（Pr）被加热成饱和蒸汽，进入气瓶气相空间（顶部），从而使得气瓶的压力升高，当气瓶压力升至升压调节阀的设定压力时，升压调节阀（PBr）自动关闭，气瓶压力不再升高，压力维持稳定。出液管路由出液单向阀（DCv）、出液截止阀（Vu）、过流阀（Ef）组成。汽车进行燃气供给时，开启出液截止阀（Vu），液化天然气通过出液单向阀（DCV）然后流经出液截止阀（Vu）和过流阀（Ef）进入供气系统。经济回路由经济阀（Er）、出液截止阀（Vu）、过流阀（Ef）组成。当瓶内压力高于经济阀Er设定压力时，如果处于用气状态，经济阀Er开启。随着气体的不断使用，瓶内压力会逐渐降低至经济阀Er的设定压力，此时，经济阀Er关闭，又回到液体供液状态。安全系统主要由主安全阀（Svp）、副安全阀（Svs）、气瓶压力表（P1）、液位计（LG）、手动放空口（Vv）组成。

自增压系统管路和阀门较多，部分阀门需要手动操作，需要驾驶员了解使用和维护方法，且对于阀门的可靠性要求较高，因为阀门一旦失效会造成系统功能不能实现。另外，因为没有发动机的反馈系统，仅仅是被动供气模式，所以在车的动力操作性上不如人意。

2.3 LPP技术

LPP系统采用低温潜液泵主动供气，工作压力为0.8～1.8MPa，流量不大于120Kg/h。由低温潜液泵泵出的液化天然气，经汽化器气化后，进入高压缓冲罐稳压，最后进入发动机。其工作原理见图3。该供气系统的核心部件是低温潜液泵及控制单元TCU。该系统与自增压系统对比，最大的不同在于改变了气瓶压力升高后被动供气模式，由泵往复运动工作后主动供气，且不受加液站供液压力的限制，气瓶安全性更高。所以，在加液后，车辆无需等待罐中压力提升即可行驶。低温泵的启停由缓冲罐的压力通过TCU信号控制，当缓冲罐中的压力过高时，压力信号通过ECU控制液压泵停止工作，从而使低温泵停止运行;当缓冲罐中的压力偏低时，压力信号通过ECU控制液压泵启动，液压泵泵出的液压油经由换向阀，驱动低温泵运行。其输出流量则由从发动机端传来的ECU信号控制，属于负反馈系统，自动化、智能化程度高。这样能够实现燃料自动按需供给，消除人为操作误差、环境变化等引起的燃料浪费，使LNG车的经济性进一步提高。若发生紧急情况，无需像第一代和第二代技术通过手动关闭截止阀来切断系统，系统安全性也得到了提高。

2.4 HPDI技术

从目前国内外天然气发动机及相关产品的技术发展趋势来看，HPDI技术[6-10]是目前国内外最先进的天然气发动机技术，采用的是缸内高压直喷发动机。该技术是在压缩冲程上止点前喷入约5%的柴油作为引燃剂，形成火焰后，约95%的天然气以30MPa的压力喷射，成为主要燃料。

HPDI发动机压缩比基本能够达到柴油机水平，且燃烧效率也较高。相对比于前几代供气系统，其优势明显。与第三代LPP技术对比来说，虽然都是采用的低温往复动作柱塞泵，但在压力、制造技术上大大不同，能够达到30MPa高压力喷射压力;其次，第二代产品在动力性能上有所欠缺，尤其是爬坡和加速性能上，而HPDI技术其动力性上大大增强，相关车载道路试验表明，其爬坡性能和高海拔地区的适应性能非常好，与柴油机动力性能基本一致。从经济性上来看，在相同载荷、相同实验项目、相同路面、相同驾驶员的条件下，HPDI发动机与柴油机相比，动力相当，100km 成本却下降约 25%～34%。从推广应用及环保性来看，HPDI 重型商用车与柴油车相比，一氧化碳排量降低 60%，二氧化碳降低 20%，碳氢化合物降低 70%，氮氧化合物降低 45%，颗粒物排放降低 70%，有利于实现汽车工业对能源环境的可持续发展。据相关信息报道，近两年来HPDI技术的发动机已经在国内研制成功，并實现批量化生产，市场也很火爆，甚至出现一机难求的情况。从成本上来看，HPDI技术的整车成本会较大程度高于前几代技术的清洁能源用商用车，所以在短期内预计还不能大规模普及。

3 展望

LNG清洁能源商用车供气系统的发展，是技术发展的一次次进步和提升。虽然目前国内市场上正大量使用的是第二

代自增压技术，但HPDI技术发展势头极好，随着今后加工工艺的不断进步，在成本能够得到良好控制时，HPDI技术的优势会不断凸显，第二代自增压技术也可能逐渐会退出历史。当然，随着世界能源的开发和减少，以及对于环保的重视与日俱增，技术的不断进步，今后也必将开发出更优更好的商用车 LNG供气系统。

参考文献

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[4] 贺立奎，范建鹏，李文进，王子全.车用LNG供气系统介绍[J].汽车实用技术， 2019（01）：116-118.

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