CN110185556A - Lng汽化放空回收利用及补气增压一体化装置及控制方法 - Google Patents

Lng汽化放空回收利用及补气增压一体化装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种LNG汽化放空回收利用及补气增压一体化装置，包括：换热器(20)、单向阀(12)、电磁阀(13)、HC传感器(14)、两用储气罐(15)、压力传感器(16)、放空阀(17)、低压滤清器(18)、稳压器(19)、低压电磁阀(21)、电控调压器(22)、单向阀(26)和电磁阀(31)，本发明解决了废气涡轮增压器的增压延迟问题并避免压气机喘振。充分利用发动机涡轮增压的能量，在这一基础上添加打气增压装置，显著改善增压器迟滞，从而对整车的动力性产生明显提升效果。

Description

LNG汽化放空回收利用及补气增压一体化装置及控制方法
技术领域
本发明属于气体燃料低温液化储存放空回收及发动机增压领域，具体涉及一种LNG汽化放空回收及补气减小增压延迟的一体化装置。
背景技术
近年来，我国众多地方雾霾频发，治理雾霾已成为国家当前面对的难题。研究表明我国大城市空气中的PM2.5颗粒主要来源于柴油汽车。天然气燃烧清洁，碳烟排放低，研究认为天然气替代柴油作为车用燃料是治理城市雾霾的重要措施之一。此外，天然气是低碳能源，主要成分是甲烷，燃烧释放的CO2要比柴油少20％以上，NOx减少39％，更贴合国家节能减排的政策导向。因此推广汽车采用LNG(Liquefied Natural Gas)/CNG(CompressedNatural Gas)发动机对减排有着极为重要的意义。
LNG液态密度为425kg/m3，其体积是气态标准状态下的1/625,也就是说1体积的液态LNG可以气化成625体积的标准状态的天然气。同样容积的LNG车用储罐装载的天然气是CNG储气瓶的2.5倍。为了提高汽车的行驶里程,当前采用天然气作为燃料的重卡,基本上都以LNG形式储存。然而，目前国内很多地区LNG加气站少，网络未形成，为了保证足够的续航里程，当前很多LNG重卡的储液罐做的越来越大，有些已采用近1000升的液瓶。
通常车辆停运及发动机需停运检修等期间，LNG液瓶剩余的燃料因LNG罐体从环境中吸热，部分LNG会受热而汽化，致使罐内压力不断上升，当超过安全阀限压值(一般的1.5-2.0Mpa之间)，安全阀自动打开放空部分气态天然气，维持管内压力处于安全范围之下。特别是在高温天气，LNG罐放空的量会更大。在顾安忠等编著《液化天然气技术》一书中提到气瓶的设计日气化率应小于2％。因此LNG液瓶容积越大，其排放量也增大。尽管LNG罐每次的放空量小于2％，但对LNG重卡整个生命周期来说，这种天然气的放空量还是相当可观的，此方式既不环保，又浪费能源。而且，甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍。在车载LNG燃料罐放空回收再有效利用方面，目前还未见相关专利的公开。
此外，在以LNG作为燃料的发动机为了提高发动机的升功率,通常采用废气涡轮增压的方式来提高进气压力。然而，受废气涡轮增压器增压延迟的影响，汽车在加速及爬坡工况下由于前期发动机排气流量小,瞬态响应差强人意,导致发动机输出动力不足,车辆的加速性能变差。为了减小增压延迟,业界已提出众多技术方法,如两级增压、可变截面增压等增压技术，但是都难以彻底解决延迟问题。也有采用补气增压来消除增压延迟的方式，但其补气装置功能单一，由于车辆的可利用空间有限，该方式空间利用率小，如CN201420529738所提出的方案。
发明内容
针对上述两个问题，本发明在深入分析了重卡车辆的使用特性、LNG燃料罐的放空特性和废气涡轮增压器的工作特性，提出了一种LNG燃料罐汽化放空回收利用与补气增压一体化装置及控制方法，即包含LNG汽化放空回收利用系统与补气增压系统。本发明的目的有三个方面，一是回收并充分利用LNG汽化而放空的天然气，二是解决废气涡轮增压器的增压延迟问题并避免压气机喘振，三是尽可能减少车辆附件，减轻整车质量，充分利用车辆的有限空间。
为实现上述三个目的，本发明提出了一种LNG汽化放空回收利用及补气增压一体化装置，包括：换热器、单向阀、电磁阀、HC传感器、两用储气罐、压力传感器、放空阀、低压滤清器、稳压器、低压电磁阀、电控调压器、单向阀和电磁阀，其特征在于：
在LNG燃料罐和两用储气罐的连接管路上依次装有换热器和电磁阀；HC传感器、压力传感器、放空阀设置于两用储气罐上；低压滤清器的输入端与两用储气罐相连、输出端与稳压器的输入端相连；稳压器的输出端与低压电磁阀的输入端相连；低压电磁阀的输出端电控调压阀的输入端相连；电控调压阀的输出端与进气总管相连。
在空压机和两用储气罐的连接管路上依次装有单向阀和电磁阀；电磁阀、HC传感器、压力传感器、低压电磁阀、电控调压器和电磁阀均与车辆ECU相连，通过ECU控制其工作。
本发明的有益效果：
1、由于现在的LNG供应点分布较分散，LNG供应网络尚未完全建立，且现在LNG重卡汽车燃料罐容积不断增大，有些都增加到1000L，LNG卡车司机为了便利一般会选择加满。回收并充分利用LNG汽化而放空的天然气，无需担心LNG重卡长时间不用LNG气化导致的安全问题和浪费问题。
2、一个装置两用，高度的集成，尽可能减少了车辆附件，减轻整车质量，充分利用车辆的有限空间。
3、解决废气涡轮增压器的增压延迟问题并避免压气机喘振。充分利用发动机涡轮增压的能量，在这一基础上添加打气增压装置，显著改善增压器迟滞，从而对整车的动力性产生明显提升效果。
4、该装置还在一定程度上解决LNG发动机在冷启动时，冷却液温度较低，汽化器因供热量小，LNG汽化量不足导致冷起动困难的问题。
5、发动机低速扭矩的提升使得整车有更多的时间在高档下运行，减少换档次数，因而整车经济性也得以明显改善。该增压辅助系统对于改善气体机的扭矩有明显效果。
6、该系统相对简单、独立，无需修改原车ECU(控制器)，因此可用于其它类型的增压发动机上。综上，本发明结构简单，想法新颖，成本较低，具有较强的实用性和广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明设计的LNG汽化放空回收利用及补气增压一体化装置；
图2是本发明应用实施例系统图。
1.放空阀，2.补气点，3.压力表，4.经济调压阀，5.压力传器，6.过流阀，7.LNG燃料罐，8.液体阀，9.热交换器，10.燃气表，11.电磁阀，12.单向阀，13.电磁阀，14.HC传感器，15.两用储气罐，16.压力传感器，17.放空阀，18.低压滤清器，19.稳压器，20.热交换器，21.低压电磁阀，22.电控调压器，23.电子节气门，24.发动机，25.空压机，26.单向阀，27.增压器，27a.压气机，27b.涡轮机，28.氧传感器，29.空气滤清器，30.燃气混合器，31.电磁阀，a.发动机LNG供给系统，b.发动机进气系统，c.空气压缩系统。
具体实施方式
以下将结合附图1-2对本发明的方案进行详细说明。
如图2所示，该实施例提供了一种LNG汽化放空回收利用及补气增压一体化装置，包括：换热器20、单向阀12、电磁阀13、HC传感器14、两用储气罐15、压力传感器16、放空阀17、低压滤清器18、稳压器19、低压电磁阀21、电控调压器22、单向阀26和电磁阀31。
回收的天然气的管路连接为：在LNG燃料罐7和两用储气罐15的连接管路上依次装有换热器20、单向阀12和电磁阀13。HC传感器14、压力传感器16、放空阀17设置于两用储气罐15上。
回收的天然气进行利用的管路连接为：低压滤清器18的输入端与两用储气罐15相连、输出端与稳压器19的输入端相连；稳压器19的输出端与低压电磁阀21的输入端相连；低压电磁阀21的输出端电控调压阀22的输入端相连；电控调压阀22的输出端与进气总管相连。
给两用储气罐15打气的管路连接为：在空压机25和两用储气罐15的连接管路上依次装有单向阀26和电磁阀31。
给增压器27补气的管路连接与回收的天然气进行利用的管路连接是一样的，即为本案所提出的两种功能的装置共用部分。
所述电控元件包括电磁阀13、HC传感器14、压力传感器16、低压电磁阀21、电控调压器22和电磁阀26均与车辆ECU相连，通过ECU控制其工作。
为了在一套装置上有效实现LNG汽化放空回收利用与补气增压两种功能，本发明提出了一套相应的控制方法。为了便于判断，要求在两用储气罐15罐体上分别安装了一个HC传感器14和压力传感器16，分别用于检测罐内天然气的浓度和压力，便于后续的控制。LNG燃料罐7也安装有压力传感器5，用于判断是否放空，以及电磁阀13的开闭。ECU与各种压力传感器实时通讯。
具体的控制模式分以下几类：
第一模式-LNG汽化放空回收模式。当车辆在一定时间内未运营时，LNG燃料罐7罐体会从环境中吸热，致使罐内的部分LNG会汽化，罐内压力会升高，直到达到警戒压力(一般小于2.0MPa)时才需要放空。当ECU通过压力传感器5探知LNG燃料罐7压力达到放空的压力时，ECU会先探测两用储气罐15内天然气的浓度和压力(p)，其控制又分为以下几种情况：
(1)如且p≤0.2MPa，认为两用储气罐15是空罐，则打开电磁阀13，直接将LNG燃料罐7需要放空的天然气直接回收至两用储气罐15中。
(2)如且p>0.2MPa，认为两用储气罐15里面是压缩空气，则应先先打开放空阀17，将两用储气罐15中的压缩空气放尽，打开电磁阀13，将LNG燃料罐7需要放空的天然气直接回收至两用储气罐15中。
(3)如且p≤2.0MPa，认为两用储气罐15中天然气未充满，则直接打开电磁阀13，将LNG燃料罐7需要放空的天然气回收至两用储气罐15中。
(4)如且p>2.0MPa，认为两用储气罐15中已充满天然气，没有空间回收，则直接打开放空阀1，将LNG燃料罐7中的天然气放如大气中。
第二模式-回收天然气利用模式。为了充分及时使用完两用储气罐15中回收的天然气，以便于现实车辆在后续行驶中需要补气增压。在发动机运转时，HC传感器14和压力传感器16对探测到的信息进行分析，判断两用储气罐15内气体的类别。如发生LNG汽化放空回收，则发动机一般是停运一段时间，因此在起动时是冷起动模式，则会优先利用回收的天然气。其控制又分为以下几种情况：
(1)如且p>0.2MPa，认为两用储气罐15中回收有天然气，则作为燃料供给系统，替代原有LNG供给系统。ECU会先关闭电磁阀11，切断LNG供给系统，再打开电磁阀21，释放两用储气罐15中的天然气，其流量的大小通过电控调压器22来控制，最后被喷入压气机27a的入口处。ECU通过采集原发动机24上的过量空气系数信号来调节喷射量。
(2)如且p>0.2MPa，认为两用储气罐15里面是压缩空气，没有可使用的天然气，则转换至第三控制模式。
(3)如p<0.2MPa，认为两用储气罐15是空罐，没有可使用的天然气，则转换至第三控制模式。
第三模式-空压机25给两用储气罐15打气模式。为了让车辆在加速或爬坡时，两用储气罐15应储存足够的空气用于补气增压。在发动机运转时，为了不让回收的天然气在没有使用完时用作补气，HC传感器14和压力传感器16对探测到的信息进行实时分析，判断两用储气罐15内气体的类别。其控制又分为以下几种情况：
(1)如且p<2.0MPa，认为两用储气罐15里面是压缩空气，没有可使用的天然气。则ECU控制空压机25起动，打开电磁阀31，直接将压缩空气打入两用储气罐15中。
(2)如且p≥2.0MPa，认为两用储气罐15里面压缩空气是满罐状态，无需向两用储气罐15打气，并控制空压机25停止工作，并告知ECU可以进入第四模式工作。
(3)如且p>0.2MPa，认为两用储气罐15中仍储存有天然气，应优先利用完回收的天然气，则转换至第二控制模式。
(4)如且p≤0.2MPa，认为两用储气罐15中回收的天然气已用完，则ECU控制空压机25起动，打开电磁阀31，直接将压缩空气打入两用储气罐15中。
第四模式-发动机补气增压模式。为了让车辆在加速或爬坡时，两用储气罐15应能快速给发动机补气增压，提高了发动机的充气量，进而提高输出动力，消除增压器迟滞现象。在车辆加速或爬坡时，HC传感器14和压力传感器16对探测到的信息进行分析，判断两用储气罐15内气体的类别。其控制又分为以下几种情况：
(1)如且p≥2.0MPa，认为两用储气罐15里面有足够多的压缩空气，为补气增压状态。ECU打开低压电磁阀21，压缩空气流经低压滤清器18、稳压器19、低压电磁阀21和电控调压器22，流入进气总管给压气机27a补气增压。
(2)如且p<2.0MPa，且发动机未处于加速提升负荷工况下，则进入第三控制模式。
(3)如且p>0.2MPa，则进入第二控制模式。
(4)如且p≤0.2MPa，则进入第三控制模式。
考虑到LNG储液罐内的压力一般小于2.0MPa，而发动机空压机的最高供气压力一般为1.6MPa，本发明中提出的两用储气罐的工作压力在0.1～2.0MPa之间。既满足LNG放空回收的压力，又满足空压机的工作压力。
本发明的工作原理如下：
因LNG的储存温度为-162°，容易受热汽化，尽管储液罐具有优良的隔热性，但无法达到绝热条件。LNG汽车停运一段时间后，储液罐内的LNG部分会热手热气，当罐内压力达到一定限定值时，就需要放空。废气涡轮增压发动机都存在增压延迟问题，补气增压是一种有效解决手段，其需要设计一套专门的补气系统。其结构特点与LNG汽化放空回收系统有较大的相似性，本案提出的设计装置兼顾了两种功能的实现。主要部件包括：换热器20、单向阀12、电磁阀13、HC传感器14、两用储气罐15、压力传感器16、放空阀17、低压滤清器18、稳压器19、低压电磁阀21、电控调压器22、单向阀26和电磁阀31。
在发动机启动时，首先通过ECU判断是否回收天然气，优先将两用储气罐中回收的天然气作为供给燃料。当ECU判断两用储气罐中回收的天然气用完后，ECU再切换到采用LNG储液罐供气。当发动机需要快速提升负荷时，ECU将泵气阀门打开，给两用储气罐打入压缩空气。在车辆加速时，两用储气罐给发动机的进气系统快速补气，由于压缩空气的压力较高，相当于提高了压气机进口压力，进而提高增压的压力，保证了动力的快速提升。由于发动机的进气流量全部通过压气机，避免了增压器喘振的发生。
本发明所述的两用储气罐15是指用于回收放空的天然气储气罐与用于补气增压用的压缩空气储气罐是同一个气罐。但两种功能在时间上不会相冲突，原因是当该装置在回收LNG储液罐7放空的天然气时，发动机是处于停机状态；而当该装置在补气增压时，发动机24处于热机运行状态。发动机24从停机状态启动时，暖机需要一段时间，ECU会判断两用储气罐15内是否回收足够的天然气，作为优先供给燃料。在发动机24运行过程中，LNG液罐不存在放空现象，该两用储气罐15只起储存压缩空气的作用。在发动机24停机过程中，LNG液罐需要放空减压时，ECU首先通过CH传感器判断两用储气罐15内是否储存天然气，如罐内是压缩空气，则首先将空气排出，直至管内压力与大气压力一致，再回收放空的天然气。只要LNG液罐内7的压力要高于两用储气罐15的压力，放空的天然气就能回收到两用储气罐15中。
两种功能共用一个气罐，高度的集成，无需占用过多空间，便于在整车上安放。该装置的作用一方面是避免浪费能源，减少车辆的HC排放；另一方面还可以提高发动机的动力性，改善整车的加速性能。本发明补气位置可以位于中冷器后、涡前、燃气混合气前等，不同位置的效果不一样，但都应属于本发明的权力要求范围内。
因此，本发明不限于以上描述，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对本发明所作的各种变型、改型及等效方案虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种LNG汽化放空回收利用及补气增压一体化装置，包括：换热器(20)、单向阀(12)、电磁阀(13)、HC传感器(14)、两用储气罐(15)、压力传感器(16)、放空阀(17)、低压滤清器(18)、稳压器(19)、低压电磁阀(21)、电控调压器(22)、单向阀(26)和电磁阀(31)，其特征在于其特征在于其特征在于：
在LNG燃料罐(7)和两用储气罐(15)的连接管路上依次装有换热器(20、单向阀(12)和电磁阀(13)；HC传感器(14)、压力传感器(16)、放空阀(17)设置于两用储气罐(15)上；低压滤清器(18)的输入端与两用储气罐(15)相连、输出端与稳压器(19)的输入端相连；稳压器(19)的输出端与低压电磁阀(21)的输入端相连；低压电磁阀(21)的输出端电控调压阀(22)的输入端相连；电控调压阀(22)的输出端与进气总管相连；
在空压机(25)和两用储气罐(15)的连接管路上依次装有单向阀(26)和电磁阀(31)；电磁阀(13)、HC传感器(14)、压力传感器(16)、低压电磁阀(21)、电控调压器(22)和电磁阀(26)均与车辆ECU相连，通过ECU控制其工作。
2.根据权利要求1所述的LNG汽化放空回收利用及补气增压一体化装置，其特征在于：两用储气罐(15)罐体上分别安装了一个HC传感器(14)和压力传感器(16)，分别用于检测罐内天然气的浓度和压力；LNG燃料罐(7)安装有压力传感器(5)，用于判断是否放空，以及电磁阀(13)的开闭。
3.根据权利要求1所述的LNG汽化放空回收利用及补气增压一体化装置的控制方法，其特征在于：其具有以下控制模式：
第一模式-LNG汽化放空回收模式：当车辆在一定时间内未运营时，LNG燃料罐(7)罐体会从环境中吸热，致使罐内的部分LNG会汽化，罐内压力会升高，并在到警戒压力时放空；
第二模式-回收天然气利用模式：为了使用完两用储气罐(15)中回收的天然气，以便车辆在后续行驶中补气增压，在发动机运转时，HC传感器(14)和压力传感器(16)对探测到的信息进行分析，判断两用储气罐(15)内气体的类别，当发生LNG汽化放空回收，则发动机停运一段时间；起动时是冷起动模式时，则优先利用回收的天然气；
第三模式-空压机(25)给两用储气罐(15)打气模式：车辆在加速或爬坡时，两用储气罐(15)储存足够的空气用于补气增压；
第四模式-发动机补气增压模式：车辆在加速或爬坡时，两用储气罐(15)给发动机补气增压，提高发动机的充气量，进而提高输出动力，消除增压器迟滞现象。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：第一模式-LNG汽化放空回收模式下：表示天然气的浓度和p表示天然气压力；
(1)如且p≤0.2MPa，认为两用储气罐(15)是空罐，则打开电磁阀(13)，直接将LNG燃料罐(7)需要放空的天然气直接回收至两用储气罐(15)中；
(2)如且p>0.2MPa，认为两用储气罐(15)里面是压缩空气，则应先先打开放空阀(17)，将两用储气罐(15)中的压缩空气放尽，打开电磁阀(13)，将LNG燃料罐(7)需要放空的天然气直接回收至两用储气罐(15)中；
(3)如且p≤2.0MPa，认为两用储气罐(15)中天然气未充满，则直接打开电磁阀(13)，将LNG燃料罐(7)需要放空的天然气回收至两用储气罐15中；
(4)如且p>2.0MPa，认为两用储气罐15中已充满天然气，没有空间回收，则直接打开放空阀(1)，将LNG燃料罐(7)中的天然气放如大气中。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：第二模式-回收天然气利用模式下：表示天然气的浓度和p表示天然气压力；
(1)如且p>0.2MPa，认为两用储气罐15中回收有天然气，则作为燃料供给系统，替代原有LNG供给系统；ECU会先关闭电磁阀(11)，切断LNG供给系统，再打开电磁阀(21)，释放两用储气罐15中的天然气；
(2)如且p>0.2MPa，认为两用储气罐(15)里面是压缩空气，没有可使用的天然气，则转换至第三控制模式；
(3)如p<0.2MPa，认为两用储气罐(15)是空罐，没有可使用的天然气，则转换至第三控制模式。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：第三模式-空压机(25)给两用储气罐(15)打气模式下：表示天然气的浓度和p表示天然气压力；
(1)如且p<2.0MPa，认为两用储气罐(15)里面是压缩空气，没有可使用的天然气；则ECU控制空压机(25)起动，打开电磁阀(31)，直接将压缩空气打入两用储气罐(15)中；
(2)如且p≥2.0MPa，认为两用储气罐(15)里面压缩空气是满罐状态，无需向两用储气罐(15)打气，并控制空压机(25)停止工作，并告知ECU可以进入第四模式工作；
(3)如且p>0.2MPa，认为两用储气罐(15)中仍储存有天然气，应优先利用完回收的天然气，则转换至第二控制模式；
(4)如且p≤0.2MPa，认为两用储气罐(15)中回收的天然气已用完，则ECU控制空压机(25)起动，打开电磁阀(31)，直接将压缩空气打入两用储气罐(15)中。
7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：第四模式-发动机补气增压模式下：表示天然气的浓度和p表示天然气压力；
(1)如且p≥2.0MPa，认为两用储气罐(15)里面有足够多的压缩空气，为补气增压状态；ECU打开低压电磁阀(21)，压缩空气流经低压滤清器(18)、稳压器(19)、低压电磁阀(21)和电控调压器(22)，流入进气总管给压气机(27a)补气增压；
(2)如且p<2.0MPa，且发动机未处于加速提升负荷工况下，则进入第三控制模式；
(3)如且p>0.2MPa，则进入第二控制模式；
(4)如且p≤0.2MPa，则进入第三控制模式。
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