汽車用LNG熱力學特性的正確應用-

1、汽車用LNG熱力學特性的正確應用一. 汽車發(fā)動機對LNG燃料系統(tǒng)的基本要求汽車發(fā)動機對LNG燃料系統(tǒng)最基本和最重要的要求是獲得流量充足的、壓力穩(wěn)定的天然氣供應:流量: G 發(fā)動機進氣量要求;壓力: P = 發(fā)動機進氣壓力要求(穩(wěn)定地。二. LNG的熱力學特性LNG作為一種深冷液體,它具備深冷液體所具備的熱力學方面的基本特性:1. 飽和特性深冷液體(150的液體,LNG的臨界溫度是162貯存在一個容器中,當與外界環(huán)境達到相對的熱平衡后,容器中液相與其上部的氣相之間達到相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài),這時液相物質(zhì)揮發(fā)成氣態(tài),與氣相物質(zhì)凝聚為液態(tài)的量達到相對平衡。此時,該容器中深冷液體的液相(飽和液體與氣相(飽

2、和氣體的溫度(飽和溫度與壓力(飽和壓力達到相對穩(wěn)定的對應關(guān)系。通常,可以從深冷液體物性參數(shù)表中查得各種飽和狀態(tài)下飽和壓力與飽和溫度對應的參數(shù)關(guān)系。例如,LNG飽和液體、蒸汽物性參數(shù)摘錄如下:飽和溫度 飽和壓力162 0.1MPa152 0.2MPa138 0.5MPa134 0.6MPa127 0.86MPa注:在較高飽和溫度下的LNG液體,可以稱其為高飽和態(tài)LNG液體,相反稱其為低飽和態(tài)LNG液體。2. 物態(tài)變化特性液態(tài)物質(zhì)(包括深冷液體吸收熱量并積聚到相變潛熱所需要的量值時,從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。在此相變化過程中,物態(tài)發(fā)生了變化。溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)幾乎不變。而氣態(tài)物質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)壓力、溫度及容積

3、相互間的變化關(guān)系需遵循克拉貝龍方程,即:PV=nRT.三. 為什么汽車用LNG燃料系統(tǒng)采用“高飽和態(tài)”LNG液體1.國外車用LNG相關(guān)標準 歐美等國家將LNG用作汽車燃料已有近20年歷史,在汽車用LNG燃料系統(tǒng) 中,均采用了“高飽和態(tài)”的LNG液體。此做法是依據(jù)最基本的熱力學原理,依據(jù)LNG深冷液體的物態(tài)變化特性而做出的必然的選擇結(jié)果。 美國國家防火協(xié)會制定頒布的NFPA 57液化天然氣(LNG車輛燃料系統(tǒng),及美國工程師協(xié)會頒布的SAE J2343LNG動力重型車輛等標準中,都明確要求采用符合汽車發(fā)動機供氣壓力要求的LNG飽和液體。2.采用高飽和態(tài)LNG液體的汽車上燃氣供氣特性 飽和工序根據(jù)汽

4、車發(fā)動機對天然氣“供氣壓力要求”,在LNG汽車加液站上向車用LNG燃料瓶加液之前,LNG貯液大罐應完成“飽和工序”,將LNG貯液罐內(nèi)的LNG液體適度加熱,并達到與“供氣壓力”相對應的高飽和液體溫度。對國內(nèi)公交車來講,此飽和溫度通常達到134左右即可(飽和工序如下圖示意。 供氣壓力車用LNG燃料瓶灌裝這種高飽和溫度的LNG液體后,車輛運行時,LNG液體流經(jīng)“相變汽化器”獲得外部熱量后完成相變,從液相變成氣相。該氣體壓力穩(wěn)定地達到0.6MPa,滿足汽車發(fā)動機對天然氣“供氣壓力要求”。 供氣流量車用LNG燃料系統(tǒng)的“供給流量”取決于車用LNG燃料瓶供液的口徑,以及LNG 燃料瓶內(nèi)氣相飽和壓力。在供液

5、口徑一定的情況下,“供氣流量”取決于LNG燃料瓶內(nèi)的氣相的飽和壓力。壓力越高,供氣流量越大(見下圖示意。高飽和態(tài)LNG液體能夠穩(wěn)定地維持氣相飽和壓力(0.6Mpa,維持其壓力的能量來自高飽和液體自身的熱焓。此能量是在灌裝進LNG燃料瓶之前的“飽和工序”中預先給予的。3.采用低飽和LNG液體的缺陷 供氣壓力低飽和態(tài)LNG液體,如152飽和溫度的LNG液體,其對應的飽和氣體壓力為0.2MPa 。在車輛運行時,這種低飽和態(tài)LNG液體流經(jīng)相變汽化器獲得外部熱量后,完成相變,從液相變?yōu)闅庀?。該氣體壓力只有0.2MPa,不能滿足汽車發(fā)動機對天然氣“供氣壓力的要求”(如下圖所示 供氣流量因低飽和態(tài)液體(15

6、2的飽和蒸汽壓為0.2MPa,如前所述,因氣相壓力較低,LNG燃料瓶供液口處的流量會較小,結(jié)果使供氣流量不夠。四. 車用LNG燃料瓶采用“自增壓”系統(tǒng)是否可行中國市場上出現(xiàn)的公交車用LNG燃料箱加自增壓器設(shè)計并附加緩沖罐設(shè)計為發(fā)動機供氣是一種極不穩(wěn)定的供氣系統(tǒng),是不符合熱力學基本原理的。都只能臨時解決某一個病癥,而不能從根本上解決瞬時動力不足問題,卻反而增加了安全隱患。用戶真正需要解決的是:怎樣在不增加緩沖罐的條件下,改善動力不足的現(xiàn)象。燃料箱系統(tǒng)設(shè)計的原則如下:1. 必須符合熱力學原理2. 必須考慮“安全第一”因素假設(shè)“自增壓”系統(tǒng)有足夠的自增壓能力,可以提供穩(wěn)定的0.6MPa氣源給車用LNG燃料瓶的氣相空間提供壓力。在此條件下,LNG燃料瓶仍不能向發(fā)動機提供穩(wěn)定的壓力和流量,原因如下: 汽車在運動過程中,LNG燃料瓶中氣、液兩相熱量交換激烈,152的低飽和態(tài)液體不斷地將進入氣相空間的0.6MPa的氣體冷凝降壓,使氣相壓力無法維持在0.6MPa,很快會降至0.30.4Mpa. 從LNG燃料瓶中流出的LNG液體仍然是152的低飽和態(tài)液體。當其流經(jīng)“相變汽化器”后,完成相變,從152的低飽和態(tài)液體相變成飽和蒸汽后的壓力只能是0.2MPa,不能滿足汽車發(fā)動機的供氣壓力要求(如下圖所示。 上述假設(shè)“自增壓”系統(tǒng)有足