浅谈LNG发动机的车辆驾驶操作(一)
责任编辑:cnlng    浏览:1393次    时间: 2020-01-08 00:20:37      

摘要:一、前言   近年来,随着我国交通的飞速发展,石油供不应求、价格飞涨的矛盾愈发突出,严重制约了公路运输的发展。传统的依靠原油资源的大量消耗和对环境的压力所暴露出的种种弊端也日益明显,如何通过转变能源消耗结构和提高公路交通能源利用率,在提高企业经济效..

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一、前言

  近年来,随着我国交通的飞速发展,石油供不应求、价格飞涨的矛盾愈发突出,严重制约了公路运输的发展。传统的依靠原油资源的大量消耗和对环境的压力所暴露出的种种弊端也日益明显,如何通过转变能源消耗结构和提高公路交通能源利用率,在提高企业经济效益的同时,提高节能减排水平,实现社会经济、资源与环境的协调发展,成为广大道路运输企业在发展过程中所面临的重大课题。

  随着经济和技术的发展,我国日益重视利用LNG技术和发展混合动力等先进技术,将对优化中国的能源结构,有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题,实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。随着近几年公路运输业的高速发展,以及LNG作为发动机燃料的技术日益成熟,LNG发动机的优点也日益显现,市场上配置LNG发动机的各种车辆也越来越多,类型遍布公交、公路客运、工程机械、物流运输等公路运输的方方面面。可以预见,在未来的10~20年之内,LNG公路运输车辆将成为中国天然气市场的主力军。

  在公路运输企业的节能减排工作中,驾驶员是主体,驾驶员若能熟练掌握LNG车辆的技术知识和驾驶操作技能,将LNG汽车与其运行条件密切配合,提高其适应性,充分发挥LNG车辆的技术优势,就可以大幅度的降低燃料消耗,进一步提高节能减排的效率。

  二、LNG车辆的基础知识及基本结构

  1.LNG的基本知识

  LNG的概念:所谓LNG实际上是英文LiquefiedNaturalGas的缩写,简称LNG,主要成份为甲烷(CH4),也可称为液化天然气,在标准状态下它是无色、无味、无毒且无腐蚀性的低温液体(-162°C到-125°C,沸点为-162.5℃,熔点为-182℃,着火点为650℃,爆炸浓度范围:上限为15%,下限为5%)。也就是说,在常温常压下,天然气冷却至约-162℃时,由气态变成了液态,是天然气经过净化(脱水、脱烃、脱酸性气体)后,采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的。

燃料种类

天然气(CH4)

柴油(C16H34为代表)

汽油(C8H18为代表)

常态下密度kgm-3

0.75~0.8(气态)

830

720~750

沸点℃

-161.5

170~350

30~190

理论空燃比(kg/kg)

17.2:1

14.3:1

14.8:1

爆炸极限(体积比)

5~15%

0.5~4.1%

1~7.6%

低热值 MJ(kg)-1

49.81

42.50

43.90

热值(kcal/ m3)

~9260

~10670

~11270

辛烷值(RON)

130

23~30

80~99

十六烷值

0

40~60

27

层流火焰传播速度V cms-2

31.5

-

35.0~47.0

自然温度(常压下)T ℃

537

250

390~420

闪点 ℃

-43

-187

60

  表1:LNG与其他燃料的比较

项 目

技术指标

高位发热量,MJ/m3

>31.4 ≈ 7500大卡

总硫(以硫计),mg/m3

≤200

硫化氢,mg/m3

≤15

二氧化碳yco2,%

≤3.0

氧气yo2,%

≤0.5

水露点,℃

在汽车驾驶的特定地理区域内,在最高操作压力下,水露点不应高于-13℃;当最低气温低于-8℃,水露点应比最低气温低5℃

  表2:LNG的技术指标

  注:本标准中气体体积的标准参比条件是101.325kPa,20℃

  LNG具有以下的物理特征:

  1)一般环境条件下,当空气中天然气的体积小于5%,或者大于15%都不会燃烧,当然也就不会爆炸,相对其他燃料较安全;

  2)燃烧后对空气污染非常小,产物主要就是二氧化碳和水,而且放出热量大,是比较清洁的能源(CH4+2O2--2H2O+CO2+38MJ/m3);

  3)LNG气体、液体都无色、无味、无毒且无腐蚀性,不溶解于水;

  4)常温常压环境下具有极低的温度,在-162℃左右;

  5)仅少量液体就能转化为大量气体。1体积液化LNG大致能够转化成600~625体积LNG气体;

  2.LNG车辆各部件系统介绍

  LNG作为车辆燃料使用,其系统有别于传统的汽柴油系统,为便于理解,因此特地将其系统分为存储系统、供应系统和使用系统。

  存储系统就是气瓶,其主要作用是燃料的存储;供应系统是管路,作用是提供燃料给发动机使用;使用系统即燃气发动机,对外输出动力。

图1:LNG车辆部件系统图

  图1:LNG车辆部件系统图

  (1)存储系统

  存储系统就是LNG车辆的气瓶,其作用相当于汽柴油车的油箱,但也有相当大的区别,其中比较关键的技术就涉及到LNG的饱和度概念。

  LNG车用瓶就是利用LNG低温液体的饱和概念,在使用时将高饱和低温的LNG加上一定的压力,加入气瓶内部,通过气液的饱和度原理,使气瓶自主达向外供气,并且通过一系列的调节方法,达到发动机所需要求的供气压力,保持源源不断的气源供应,使发动机正常运转。

  注:如果在一密闭的容器中未充满液体,则部分液体分子将进入上部空间,称为"蒸发"。随着空间内蒸气分子数目增加,它所产生的蒸气压力也提高,到一定的时候,空间内的蒸气分子数目不再增加,此时,离开液体的分子数与从空间返回液体的分子数达到了动态平衡,也叫达到了"饱和状态"。这时蒸气所产生的压力叫"饱和压力"。对同一种物质,饱和压力的高低与温度有关。温度越高,分子具有的能量越大,越容易脱离液体而气化,相应的饱和压力也越高。一定的温度,对应一定的饱和压力,二者不是独立的。因此,在饱和状态下,饱和压力所对应的温度也叫"饱和温度"。

表3:LNG饱和蒸汽压和发动机工作的关系

  表3:LNG饱和蒸汽压和发动机工作的关系

  根据上图对LNG饱和蒸汽压力曲线描述,我们可以得出结论:要使LNG发动机正常工作,加入LNG气瓶的液体需要将LNG的温度提升到-135℃以上。因此,在车辆加气前,加液站需要将待加入LNG气瓶的LNG液体升温至-135℃以上(LNG气液饱和度保持在5.0左右)。此时不管气瓶是否晃动、摇动,气瓶内的压力将始终保持在此饱和压力之上(但如果因瓶内压力过低,发动机无法使用饱和的LNG液体,就可以使用气瓶自带的自增压管路,实现气瓶自我增压,以满足发动机正常使用的压力需求)。所以,目前的LNG车用气瓶都是使用这种饱和蒸汽技术。

  不带有自增压系统的LNG气瓶结构(图2)。

图2:LNG气瓶结构示意图

  图2:LNG气瓶结构示意图

  自增压系统的工作原理如图3所示(蓝色箭头代表低温LNG液体,红色箭头表示加热过的的LNG气体:

图3:LNG气瓶自增压系统工作原理示意图

  图3:LNG气瓶自增压系统工作原理示意图

  当气瓶压力过低(一般低于7bar)时,就需要使用自增压管路。自增压管路的使用方法是:首先打开截止阀1,一般情况下开至最大后回转90°,然后根据需要开启截止阀2,实现气瓶增压,在关闭自增压系统时注意先关闭截止阀2,再关闭截止阀1,顺序不能颠倒,否则安全阀将会打开,影响用气安全。

图

  图4:LNG气瓶结构示意图

  目前LNG车辆上使用的气瓶大体结构基本相同(见图4),都配有自增压管路。由于市场占有量较大的是常州产查特深冷气瓶(图5),因此以下介绍都为查特气瓶。

图5:常州查特LNG气瓶外部结构示意图

  图5:常州查特LNG气瓶外部结构示意图

  在LNG气瓶系统中需要驾驶员操作调节的阀门一般有两个,一个是刚才所述的自增压系统,另一个就是气瓶经济压力调整,也就是经济调压阀,简称经济阀(图5、6)。

 图6:常州查特LNG气瓶经济调压阀

  图6:常州查特LNG气瓶经济调压阀

  当发动机工作时,如果瓶内的压力高于经济调压阀设定的压力时,该调压阀会自行打开经济回路,直接向发动机提供气瓶内的高压气体,将瓶内气体压力快速降低到经济调压阀设定的压力下。如图红色箭头所示供气方向(图7)。

图7:常州查特LNG气瓶经济调压阀工作示意图

  图7:常州查特LNG气瓶经济调压阀工作示意图

  由于气瓶的供气压力直接影响发动机的经济性和动力性,也就是说和节气操作密切相关,因此,在气瓶使用过程中,驾驶员需要根据不同季节、环境以及自身不同驾驶习惯、车辆配置对气瓶的经济调压阀进行调整,达到节约燃气的目的。在调整经济调压阀时,要注意调整的方向和大小。顺时针向上旋紧调整螺母,是升高气瓶的压力,同时也是增加发动机供气端的供气压力,可以提高燃气供应量,从而提高发动机的动力,当然也会增加燃气的消耗量;反之就是降低气瓶压力,降低发动机的供气量,降低发动机的动力输出。调整时要注意只能做微小幅度的调整,调整后要待发动机运行一段时间后,再观察气瓶压力表数值的变化,并且根据发动机的动力性、驾驶员的适应性等方面的需要再行调整。

  由于LNG气瓶不同于燃油箱,因此在使用过程中需要注意以下几点:

  1)停驶状态的车辆,其气瓶所有阀门应均处于关闭状态,严禁开启任何阀门泄放内部压力。

  2)不得开启气瓶的抽真空接头(同时是外容器防爆口),否则气瓶的真空将丧失,气瓶将失去保温作用。

  3)安全阀铅封不得随意解除,安全阀超过法规规定的检验期限的,需要技术监督部门进行检验。

  4)所有部件的防水胶带以及防尘装置不得随意开启,否则可能会因为空气的进入在使用过程中产生堵塞;由于粉尘颗粒的进入,在使用过程中引起阀门泄漏、发动机受损。

  5)所有部件应当远离腐蚀环境,存放地点尽量避免在露天让太阳暴晒。

  如果不按照上述规定操作,可能引起冰堵阀门或管路、造成气瓶真空丧失、损坏等故障。

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