低温与超导 制冷技术 Ｃｒｙｏ．＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ． 第４１卷第１２期 Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｖ０１．４１ Ｎｏ．１２ 车载ＬＮＧ气瓶稳定供气及自增压气化量分析 金树峰，陈叔平，姚淑婷，于春柳，罗天龙 （兰州理工大学石油化工学院，兰州７３００５０） 摘要：ＬＮＧ汽车供液系统主要采用自增压方式输送液体。考虑到车载ＬＮＧ气瓶内液位下降而引起供液动力 不足，致发动机燃料无法稳定供给，提出了气瓶稳定供气的条件。并建立了稳定供气过程中，空温式气化器气化量 与发动机燃料流量的关系式，为ＬＮＧ汽车自增压系统设计提供了参考。 关键词：ＬＮＧ汽车；自增压；稳定供气；气化量 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｇａｓ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｓｅｌｆ——ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＬＮＧ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｊｉｎ Ｓｈｕｆｅｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｓｈｕｐｉｎｇ，Ｙａｏ Ｓｈｕｔｉｎｇ，Ｙｕ Ｃｈｕｎｌｉｕ，Ｌｕｏ Ｔｉａｎｌｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｌｆ—ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＬＮＧ ｖｅｈｉｃｌｅｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｃｌｉｎｅ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｉｎ ＬＮＧ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｗｉｌｌ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｌａｃｋ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｆｅｅｄ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｌｅａｄ ｔｏ ｕｎｓｔａｂｌｅ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｆｕｅｌ，ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｓｔａｂｌｅ ｆｕｅｌ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ａｉｒ—ｈｅａｔｅｄ ｖａｐｏｒｉｚｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｅｌ ｆｌｏｗ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ Ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｅｌｆ—ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＬＮＧ ｖｅｈｉｃｌｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＮＧ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，Ｓｅｌｆ—ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ，Ｓｔａｂｌｅ ｇａｓ ｓｕｐｐｌｙ，Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉ￣ １ 前言 是对经典自增压系统的改进，气化后的热气不直 接返回气瓶的气相空间，而是返回气瓶内的换热 随着世界天然气技术发展步伐的加快，液化 盘管，与气瓶内的液体进行热交换后，再返回气化 天然气（ＬＮＧ）作为当今世界公认的绿色能源，在 器，经气化器再热后进入发动机。真空型是利用 很多领域得到了广泛应用。其中，在汽车工业中 捕获器吸附或脱附气瓶内外胆间的气体，改变内 的发展尤为突出，ＬＮＧ汽车的研制开发对节约能 外胆间的真空度，控制气瓶的漏热，使气瓶内的液 源、改善城市大气质量具有重要意义¨ Ｊ。 体受热气化，从而达到增压的目的。 气瓶是ＬＮＧ汽车的燃料储存设备，在气瓶为 此外，空温式气化器的气化量大小决定了自 发动机提供稳定燃料供给的前提下，汽车才能够 增压系统的工作能力，而气瓶内液位差，即自增压 循环的动力，以及管路中的流阻都会影响自增压 稳定行驶。随着气瓶连续给发动机输送ＬＮＧ，气 气化器气化量的大小。因此，本文通过分析目前 瓶内液位下降，气相空间增大，使气瓶内压力逐渐 常用的经典型自增压系统，拟提出车载ＬＮＧ气瓶 下降，以致不能满足发动机的供气压力。这就需 稳定供气条件，并对稳压供气过程中，空温式气化 要外部给气瓶增压来保证燃料的稳定输送，即气 器气化量与发动机燃料流量之间的关系进行探 瓶的自增压系统。目前常见的自增压系统包括经 讨，为汽车自增压系统设计提供参考。 典型、电加热型、回气型和真空型四类 Ｊ：经典自 增压系统将气瓶内部分ＬＮＧ排出，经过气化器气 ２稳定供气条件 化后，再返回到气瓶的气相空间，以达到增压的目 的；电加热型自增压系统是在气瓶内部设置电加 ２．１ 自增压原理 热器，由车上配置的电池提供电源；回气增压系统 图１所示为目前常用的车载ＬＮＧ气瓶经典 收稿日期：２０１３—０９—０９ 通讯作者：陈叔平。第一作者简介：金树峰（１９９０一），男，在读硕士，研究方向：低温储运与传热。 ・６０・ 制冷技术 型自增压系统，车载ＬＮＧ气瓶采用自压的方式送 出液体，气瓶自压力源于液相静压和气相压力。 气瓶在向发动机供气时，气瓶内液位下降，气相空 间增大，导致瓶内液相静压和气相压力下降，即气 瓶供气压力下降。为此在供气过程中，还必须依 靠自身配备的增压气化器对气瓶进行稳压，以确 保供气压力在规定的工作压力范围内。 图１车载ＬＮＧ气瓶自增压系统图 Ｆｉｇ．１ Ｓｅｌｆ—ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＬＮＧ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ 如图１所示，空温式气化器Ｐｒ取用气瓶内 贮存的ＬＮＧ，吸收空气中的热量使之气化，输送 至气瓶后使气相空问压力上升以满足气瓶排液所 需压力。调节阀Ｖ２用于控制空温式气化器Ｐｒ的 工作，当瓶内压力小于调节阀Ｖ２设定压力时，调 节阀Ｖ２自动打开，经过空温式气化器Ｐｒ气化，产 生的气体流经气相管补充到气瓶内；气体的不断 补充使得气瓶内压力回升，当压力回升到调节阀 Ｖ２设定值以上时，调节阀Ｖ２关闭。出现意外工 况时，手动关闭截止阀Ｖ１，整个系统停止工作。 在气瓶内压力过高时，打开放空阀Ｖ３直至压力 降低到安全压力。 ２．２稳定供气条件 气瓶自增压系统包括了增压气体与气瓶内气 体的混合过程、气瓶内气液界面上的传热传质过 程、气瓶内气体与内胆内壁面之间的热交换以及 在壁面上的凝结过程、气瓶内液体与内胆内壁面 之间的热交换以及液体的排出过程 ｊ。此外，除 了气瓶内部发生的一系列传热传质过程，气化器、 增压管路中也将经历加热气化和过热过程。特别 是增压管路的长度及流阻将决定气瓶自增压速度 的快慢以及增压流量的大小。 ＬＮＧ在气瓶内气相压力的作用下向空温式 气化器自流供液，忽略液体管路和气体管路上吸 收的环境漏热，ＬＮＧ在增压系统内的流动压降可 分为液相段、气化器和气相段三部分，具体分别如 Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ 第１２期 Ｆ： （１）液相段流动压降△ｐ 假设液体在管内的流动速度不变，则有： △ｐ ：（Ａ 了ｌＬ＋∑ ） （１） ¨￡ 式中，Ａ 为液相段沿程损失系数； 为液相 段局部损失系数；ｆ 为液相管长度，ｍ；ｄ 为液相 管直径，ｍ；ｐ 为液化天然气密度，ｋｇ／ｍ ；“ 为液 相段液体流速，ｍ／ｓ。 （２）空温式气化器内流动压降△ｐｎ ＬＮＧ在光滑管内流动，忽略摩擦压降，则有： △ｐ ｇ （ 一 ）十∑ 。 （２） 式中，ｇｎ为空温式气化器的质量流量，ｋｇ／ｓ； Ｐ 为天然气的气体密度，ｋｇ／ｍ ； ｈ为气化器换热 管局部损失系数；ｐ为均匀流动时气液两相流平 均密度，ｋｇ／ｍ ； 为均匀流动时的气液两相流平 均速度，ｍ／ｓ。 （３）气相段流动压降△ｐ 假设气体在管内的流动速度不变，忽略动量 压降，则有： △ｐ ｌＧ＋∑ （３） 式中，Ａ。为气相段沿程损失系数； 为气相 段局部损失系数；Ｚ 为气相管长度，ｍ；ｄ。为气相 管直径，ｍ；ｕ。为气相段气体流速，ｍ／ｓ。 根据气瓶自增压原理，若气瓶内液体在最低 液位ｈ时，气瓶仍能够向空温式气化器自流供液， 那么需满足在最低液位时的静压力大于各管段流 阻损失压降之和，亦即： ＰＬｇｈ＞却￡＋△ｐ Ｐｒ＋△ｐＧ （４） 而要保证气瓶能够给发动机稳定输送液体， 气瓶内压力Ｐ还应满足气瓶内液位在最低高度ｈ 时，供液动力大于送液管路上的压降△ｐ，，即： Ｐ＋ｐ￡ｇｈ＞△ｐ， （５） 式中，Ａｐ，的计算方法同自增压系统压降计 算方法一样，也可分为液相段、水浴式气化器和气 相段。由上述计算推导可知，气瓶内气相压力Ｐ 在满足式（５）时，自增压系统在工作和非工作状 态下，都能满足发动机燃料的稳定供给。此外，由 式（２）可知，影响空温式气化器内流动压降的主 要因素为气化器的气化量ｑｍ气化量的增大可使 第１２期 制冷技术 Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ・６１・ 气化器内的流动压降成倍增大。因此，在气瓶能 够稳定供气的基础上，气化量大小的合理取值也 尤为重要。 系统为简单可压缩系统，则ｄ 的普遍关系式 为：ｄｕ＝ＣＶｄＴ＋（ 旦一Ｐ）ｄｖ ＫＴ （１２） 式中，ｃ 为比定容热容，Ｊ／（ｋｇ．Ｋ）； 为体积 ３气化量与供气量关系 ３．１供气量 膨胀系数，Ｋ～；Ｋ 为定温压缩系数，Ｐａ～。 把（１２）式代入（１１）式得： ｄＴ１ＴＩ，ＣＶ 发动机的每小时油耗ｇ 为 ： ：＋（Ｔ －ｐ） ＋ｕ警－ｈｃ警＋ｐ （１３） ＋（ｇ 卵 ∞ＵＵｕＵｕ＋ ７６￣卵ｂＧｆｕｃｎＡ ２ａ０ ｇ ∞ｕｕｕＵｕｏｏ） （Ｌ６）０， 气瓶内气体体积随时间的变化量等于液体体 积的变化量，即： ｄＶ ｄ ＋ｑ Ｐｒ 一式中，ｇ 为发动机每小时油耗，ｋｇ／ｈ；ｂ为汽 车的燃油消耗率，ｇ／（ｋＷ．ｈ）；７／ 为传动系效率；Ｇ 为汽车总重力，Ｎ 为道路滚动阻力系数；ｃ。为空 气阻力系数；Ａ为迎风面积，ＩＴＩ。；ｕ 为汽车车速， ｋｍ／ｈ。 ｄｔ ＝一Ｐ￡ （１４） 气体质量随时间的变化量等于进入气化器内 的液体质量流量，即ｄｍ／ｄｔ＝ｑ ，气瓶内气体温度 不变，即ｄＴ／ｄｔ：０，把（１４）式带人（１３）式得： ． ，【ｒ 根据汽油与ＬＮＧ的热值，可以换算得到以 ＬＮＧ为燃料时的发动机燃料流量ｇ 为： ｑＰ・ＪＰ ｇ ３—６００—Ｊ￣ｃ ＋（ 一 ）ｇｈ：０ （１５） ／，，、 由（１５）式简化可得气化器燃料流量与发动 机燃料流量的关系式，其中： “一ｈＧ＝一ｐ Ｇ 式中， 为ＬＮＧ汽车发动机燃料流量，ｋｇ／ｓ； ．， 为汽油的热值，为４．８×１０’Ｊ／ｋｇ；Ｉ，Ⅲ为液化天 然气的热值，为５．６×１０ Ｊ／ｋｇ。则发动机燃料流 量ｑ ＝２．３８×１０一ｑ 。由式（６）可知，在汽车最高 行驶速度下，可计算得到发动机燃料流量的最大 值。 则：ｑＰｒ＝—— ，（ｒＰ ＰＬ ｑ （１６） ａＴ ＰＧ 由此式可看出，稳定供气时，在发动机燃料流 ３．２气化量与供气量关系 取图ｉ所示气瓶内气相空间为热力系，则： 一 ２ 量ｑ 一定的情况下，空温式气化器气化量ｑ 随着 Ｋｒ、ｐＬ、ｐ Ｔ、Ｐ的变化而变化，而 、Ｋｒ、ＰＬ、ＰＧ均 可由发动机燃料工质与Ｔ、Ｐ确定。由此可见，发 动机燃料工质确定时，影响气化器气化量变化的 、８Ｑ＝ｄＥｃ ＋（ｈ。 ＋ 丝＋ｇｚ。Ⅲ）８ｍ。 一（ｈ ＋ 主要因素为气瓶气相空间的温度 和压强Ｐ。在 Ｔ、Ｐ确定不变的情况下，气化器气化量与发动机 ｑＰｒ＝ａｑ （１７） 孕＋ ）８ｍ ６ 忽略气体的动能和位能，则： ８Ｑ＝ｄＥｃ ＋ 。Ⅲ８ 。 一ｈｉ．８ｍ ＋８ （８） 燃料流量满足线性关系，即： （９） 其中，０＝ｐＧ （ＫｒｐＬＰ—ＰＧａＴ），发动机燃料 流量ｑ 由式（７）计算得到。由（１７）式可知，在发 动机燃料流量为最大值，即汽车在最高行驶速度 稳定供气条件下，将其认为绝热过程，８Ｑ＝ ０；系统只有进气，故８ｍ。 ＝０，ｈ ＝ｈ。；进入的气 体量等于控制体积内气体质量增加，８ｍ ＝ｄｍ； 控制体积的动能差和位能差忽略不计，故有： ｄＥｃ ＝ｄＵｃ ＝ｍｄｕ＋ｕｄｍ 时，便可求得空温式气化器的最大气化量。此外， 当流体为理想气体时，即，ｃ ／ａＴ：１，式（１６）与 １９９０年符锡理以状态方程所推导的计算公式 相同。因此，式（１７）不仅适用于理想气体，还适 用于实际气体，具有更广的适用范围。 ３．３计算示例 贝０：Ｏ＝ｍｄｕ＋ｕｄｍ一 ｃｄｍ＋ｐｄＶ 对（１０）式两边同除以 ，得： （１０） ｍ ＋警＋ ＋ 一警＋ ＝ ：Ｐ－ｇ －Ｕ０ ｍ（１１）现以某ＬＮＧ汽车为例，利用以上公式计算汽 ・６２・ 制冷技术 Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ 第１２期 车发动机燃料流量以及空温式气化器的气化量。 公式（１７）计算的气化器气化量与配置气化器的 最大气化量比较接近。造成两者误差的原因是目 前国内没有明确计算ＬＮＧ汽车自增压气化器热 负荷的方法，通常是由制造厂家根据经验得到气 化器的热负荷。该公式由发动机燃料流量直接计 算得出气化器气化量值，通过热量衡算得到气化 器的热负荷，因而得到的气化量值较准确。 其中，天然气定温压缩系数Ｋ 可由对比压缩系数 ，ｃ 确定，即，ｃ ＝，（，／ｐ 。天然气体积膨胀系数Ｏｌ＝ ０．１ＺＴ／ｐＴｏ，Ｚ为天然气压缩因子。计算结果如表 １和表２所示。 由表２可知，计算得到的空温式气化器气化 量ｇＰ 为４．２４×１０～ｋｇ／ｓ。而该ＬＮＧ汽车配置的 气化器最大气化量为５．０８×１０一ｋｇ／ｓ。可见，由 表１ 发动机燃料流量计算参数及结果 Ｔａｂ．ｔ Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ’Ｓ ｆｕｅｌ ｆｌｏｗ 表２气化器气化量计算参数及结果 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｖａｐｏｒｉｚｅｒ’Ｓ ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ４结论 通过分析车载ＬＮＧ气瓶自增压原理，提出了 稳定供气条件，确定了气瓶气相空间必须达到的 工作压力以及气瓶内ＬＮＧ应保持的最小液位。 由稳定供气条件的推导可知，增压管路的长度、流 阻与气瓶压力决定了气瓶自增压速度的快慢以及 增压回气流量的大小。 参考文献 ［１］马小红，陈叔平，等．ＬＮＧ车载气瓶［Ｊ］．煤气与热 力，２０１１，３１（９）：Ｂ１４一Ｂ１８． ［２］Ｓａｔｉｓｈ Ｋｕｍａｒ，Ｈｙｏｕｋ—Ｔａｅ Ｋｗｏｎ，Ｋｗａｎｇ—Ｈｏ Ｃｈｏｉ，ｅｔ ａ１．ＬＮＧ：Ａｎ ｅｃｏ—ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ ｆｕｅｌ ｆｏｒ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ，２０１１，８８（１２）：４２６４ —４２７３ ［３］顾安忠，等．液化天然气技术［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００３． 此外，建立了空温式气化器气化量与发动机 燃料流量的关系式，确保了气化器给气瓶提供的 ［４］叶莹，汪顺华，杨晓东．ＬＮＧ燃料汽车储罐自增压即 供气特性［Ｊ］．低温工程，２００９（４）：５５—５９． ［５］余志生．汽车理论［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２ｏｏ１． 气体流量既具备推动液面做功的能力，又不必造 成额外的液体蒸发，且供气温度维持饱和温度，为 气瓶自增压系统空温式气化器的设计提供了参数 依据。 ［６］符锡理．液氢液氧挤压加注用汽化器的设计原理和 计算［Ｊ］．低温工程，１９９０．