汽车用LNG热力学特性的正确应用
一． 汽车发动机对LNG燃料系统的基本要求
汽车发动机对LNG燃料系统最基本和最重要的要求是获得流量充足的、压力稳定的天
然气供应：
流量: G≥ 发动机进气量要求；
压力： P = 发动机进气压力要求（稳定地）。
二． LNG的热力学特性
LNG作为一种深冷液体，它具备深冷液体所具备的热力学方面的基本特性：
1. 饱和特性——深冷液体（≤‐150℃的液体，LNG的临界温度是‐162℃）贮存在一个
容器中，当与外界环境达到相对的热平衡后，容器中液相与其上部的气相之间达到
相对稳定的平衡状态，这时液相物质挥发成气态，与气相物质凝聚为液态的量达到
相对平衡。此时，该容器中深冷液体的液相（饱和液体）与气相（饱和气体）的温
度（饱和温度）与压力（饱和压力）达到相对稳定的对应关系。
通常，可以从深冷液体物性参数表中查得各种饱和状态下饱和压力与饱和温度——
对应的参数关系。例如，LNG饱和液体、蒸汽物性参数摘录如下：
饱和温度 饱和压力
‐162℃ —— 0.1MPa
‐152℃ —— 0.2MPa
‐138℃ —— 0.5MPa
‐134℃ —— 0.6MPalng汽车
‐127℃ —— 0.86MPa
注：在较高饱和温度下的LNG液体，可以称其为高饱和态LNG液体，相反称其为低饱和态LNG液体。
2. 物态变化特性——液态物质（包括深冷液体）吸收热量并积聚到相变潜热所需要的
量值时，从液态变为气态。在此相变化过程中，物态发生了变化。温度、压力等状
态参数几乎不变。
而气态物质的状态参数——压力、温度及容积相互间的变化关系需遵循克拉贝龙方
程，即：PV=nRT.
三． 为什么汽车用LNG燃料系统采用“高饱和态”LNG液体
1.国外车用LNG相关标准
▲ 欧美等国家将LNG用作汽车燃料已有近20年历史，在汽车用LNG燃料系统 中，均采用了“高饱和态”的LNG液体。此做法是依据最基本的热力学原理，依
据LNG深冷液体的物态变化特性而做出的必然的选择结果。
▲ 美国国家防火协会制定颁布的NFPA 57《液化天然气(LNG)车辆燃料系统》，及美国工程师协会颁布的SAE J2343《LNG动力重型车辆》等标准中，都明确要求
采用符合汽车发动机供气压力要求的LNG饱和液体。
2.采用高饱和态LNG液体的汽车上燃气供气特性
▲ 饱和工序
根据汽车发动机对天然气“供气压力要求”，在LNG汽车加液站上向车用LNG燃料瓶加液之前，LNG贮液大罐应完成“饱和工序”，将LNG贮液罐内的LNG液体适度加热，并达到与“供气压力”相对应的高饱和液体温度。对国内公交车来讲，此饱和温度通常达到‐134℃左右即可（饱和工序如下图示意）。
▲ 供气压力
车用LNG燃料瓶灌装这种高饱和温度的LNG液体后，车辆运行时，LNG液体流经“相变汽化器”获得外部热量后完成相变，从液相变成气相。该气体压力稳定地达到0.6MPa，满足汽车发动机对天然气“供气压力要求”。
▲ 供气流量
车用LNG燃料系统的“供给流量”取决于车用LNG燃料瓶供液的口径，以及LNG 燃料瓶内气相饱和压力。在供液口径一定的情况下，“供气流量”取决于LNG燃料瓶内的气相的饱和压力。压力越高，供气流量越大（见下图示意）。
高饱和态LNG液体能够稳定地维持气相饱和压力（0.6Mpa），维持其压力的能量来自高饱和液体自身的热焓。此能量是在灌装进LNG燃料瓶之前的“饱和工序”
中预先给予的。
3.采用低饱和LNG液体的缺陷
▲ 供气压力
低饱和态LNG液体，如‐152℃饱和温度的LNG液体，其对应的饱和气体压力为
0.2MPa 。在车辆运行时，这种低饱和态LNG液体流经相变汽化器获得外部热量
后，完成相变，从液相变为气相。该气体压力只有0.2MPa，不能满足汽车发动
机对天然气“供气压力的要求”（如下图所示）
▲ 供气流量
因低饱和态液体（‐152℃）的饱和蒸汽压为0.2MPa，如前所述，因气相压力较
低，LNG燃料瓶供液口处的流量会较小，结果使供气流量不够。
四． 车用LNG燃料瓶采用“自增压”系统是否可行
中国市场上出现的公交车用LNG燃料箱加自增压器设计并附加缓冲罐设计为发动机供气是一种极不稳定的供气系统，是不符合热力学基本原理的。都只能临时解决某一个病症，而不能从根本上解决瞬时动力不足问题，却反而增加了安全隐患。用户真正需要解决的是：怎样在不增加缓冲罐的条件下，改善动力不足的现象。
燃料箱系统设计的原则如下：
1． 必须符合热力学原理
2． 必须考虑“安全第一”因素
假设“自增压”系统有足够的自增压能力，可以提供稳定的0.6MPa气源给车用LNG燃料瓶的气相空间提供压力。在此条件下，LNG燃料瓶仍不能向发动机提供稳定的压力和流量，原因如下：
▲ 汽车在运动过程中，LNG燃料瓶中气、液两相热量交换激烈，‐152℃的低饱和态液体不断地将进入气相空间的0.6MPa的气体冷凝降压，使气相压力无法维持在
0.6MPa，很快会降至0.3~0.4Mpa.
▲ 从LNG燃料瓶中流出的LNG液体仍然是‐152℃的低饱和态液体。当其流经“相变汽化器”后，完成相变，从‐152℃的低饱和态液体相变成饱和蒸汽后的压力只能
是0.2MPa，不能满足汽车发动机的供气压力要求（如下图所示）。
▲ 上述‘假设“自增压”系统有足够的自增压能力‘，实际上，因为在汽车上没有足够的热源供给，加上不能有足够长的汽化管长度，而且卧置的燃料瓶无法给自增
压用的液体足够的液压头。因此，所谓’自增压’系统不能提供发动机所需要的燃
气压力和流量。
徐惠新
2011年2月
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