利用LNG低温特性给卡车空调制冷的可能性分析

杨源，史澄辉，余谦，郭杜鹏

（西安德森新能源装备制造有限公司技术部，陕西 西安 710021）

利用LNG低温特性给卡车空调制冷的可能性分析

杨源，史澄辉，余谦，郭杜鹏

（西安德森新能源装备制造有限公司技术部，陕西 西安 710021）

文章简要的介绍了LNG(液化天然气)在重型卡车空调制冷上的应用，利用LNG温度维持在-163℃的特点，分析了其代替汽车空调压缩机的可实施性，提高重型卡车空调制冷效率。

道路运输；新能源；LNG；空调

CLC NO.: U473.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-67-02

前言

中国地域辽阔，随着改革开放与经济的发展，物流运输行业蓬勃向上。时代的进步与人民生活水平的提高，机动车保有量不断增长，机动车排放环保问题日益凸显，新的清洁能源则不断受到重视。随着LNG 汽车的迅速增长，车用LNG消费量的激增[1]，冷能回收问题变得日益迫切。回收这部分冷量，不仅能有效利用能源[2]，而且减少了机械制冷的大量电能消耗，具有非常重要的技术经济及环保利用价值但常规汽车空调因其自身工作原理的限制，导致其占用汽车发动机部分动力用于制冷工作，且无法在熄火的状态下制冷[2]。因此，本文希望利用LNG自身的低温特性，替代常规空调压缩机制冷的方式，达到不占用发动机动力，熄火状态下亦可使用的效果。

1 LNG在重卡上的使用特点

1.1 LNG自身特点

LNG（Liquefied Natural Gas的缩写），液化天然气低温液体。LNG与汽油、柴油相比，HC含量降低了70%以上，CO含量降低了90%以上，NOx含量降低了35%，尤其是柴油车特有的固体颗粒物含量几乎降低了100%，减排二氧化碳90%，综合减排80%；同时LNG燃点高于汽油燃点223℃，安全性更高；LNG相比汽油和柴油，使用成本降低30%、动力持平[3]。因此在中远途物流市场上颇受欢迎。

1.2 LNG气瓶

LNG在重型卡车的使用上，储存于车用液化天然气气瓶中，气瓶作为LNG重型卡车的“燃料箱”，能够自动提供连续稳定的气体，且具有可重复充装功能。气瓶整体可在环境温度（-40℃～60℃）下使用，因内胆灌装有LNG，内部温度通常在-163℃左右，工作时内部压力通常为0.6MPa～1.2MPa（5）。

2 常规重卡空调使用状态

柴油卡车在行驶的状态中，发动机带动空调压缩机运转，压缩机压缩制冷剂，制冷剂经过高压、热交换等物理变化，产生冷气[4]。但压缩机的运转，必然会造成一部分动力的损失。据测试，在车辆正常行驶的条件下，影响车辆能耗的各种部件中，车用空调是高能耗的附属配件，占车辆能耗中的10% - 20%（与车辆速度有关），而其中50%用于空调压缩机的驱动（5）。在停车休息时，考虑到功耗、噪音、尾气污染等，无法一直让发动机运转来带动空调压缩机制冷。所以在热天休息时，车厢内无法降温的问题凸显严重。

为了解决停车时驾驶室内制冷问题，应运而出了多种非官方零部件改装方案。常见的有：（1）在驾驶室后加装单缸柴油机直接驱动空调压缩机，价格便宜、容易安装、经济性好；（2）加装单独开发的柴油压缩机成品，结构更加紧凑，但成本稍高；（3）加装小型家用空调压缩机，同时加装一个柴油发电机组。

1）温度传感器感受冷排温度，温度低于设定温度，直接启动风扇。

2）若温度高于设定温度，电磁阀A1关闭，A2开启，B1关闭，B2关闭，B3开启。

3）因罐内本身存在压力，使得LNG液体通过出液口进入电磁阀A2路。

4）冷排上的温度传感器感受到温度降低后，电磁阀A1、A2、B1、B2、B3关闭。

5）管路内部LNG逐渐升温，部分汽化，导致管路内压力升高到一定值（如2.5MPa）时，电磁阀B2开启，降压到一定值（如1.9MPa）时，电磁阀B2再次关闭。

6）循环步骤4），直至冷排温度传感器感受温度已经达到驾驶室设定温度，保留汽化后的LNG，待驾驶时温度升高后再制冷使用，或发车后用于驱动。

7）若一次进液未达到设定温度，则管道内与气瓶内压力相同且≤1.9MPa(主安全阀起跳压力)，LNG无法通过压力传送至冷排。温度传感器感受温度接近/等于车内温度传感器温度，则重复 步骤1）- 步骤5）。

在车辆停止时使用该空调系统，需要考虑到LNG使用量。部分LNG需要直接排向大气中，虽然对环境没有直接污染、很快散逸[5]，但是因为是易燃品，所以过大的消耗量依旧不是最佳选择。

总体设计上如果所有LNG都经过冷排再进入各个管道，可以取消电磁阀A。但电磁阀A的设计，主要考虑是在不使用空调时，大量LNG经过冷排，会使冷排长期处于冷冻状态，可能导致冷排大量结冰堵塞，甚至影响冷排的使用寿命。但如果冷排本身材料达到常冷也不损坏，则会有以下优点：1）节约一副管路和电磁阀；2）开启空调时，冷排本身温度就低，空调制冷效果快；3）冷排直接与空气接触，可以促进LNG的汽化效果。

在所有的环节中，LNG依旧处于卡车供气管道中，不需要借助任何的载冷剂，空气直接与冷排接触，只存在温度的改变，不存在任何的相变，完成整个循环[6]。

2.1 系统在各种工况下切换的模式分析

还需要考虑车辆在几种工作状态交替的情况下，系统的设计是否存在缺陷。以下是可能遇到的各种转换情况：1、开车时使用空调，停车后，空调依然开启。2、开车时使用空调，停车后关闭空调。3、开车时不使用空调，停车后开启空调。4、开车时不使用空调，停车后也不开启空调。

经过3.1.2中叙述的理论进行推导，未发现可能会出现的失效或失控现象，可以满足车辆在各种工况中的使用。

LNG卡车行驶过程中，供冷量随着耗气量的增加而增加，随着风量的增加而增加。在室内干球温度为35℃，湿球温度为24℃下，风机风量为482m3/ h，LNG耗气量为10kg/h时，产出制冷量为4.0kW[7]。而现有传统气体压缩式汽车空调制冷量为3.0kW时，即可满足汽车空调绝大部分热负荷[8]。

2.2 LNG空调系统优点

LNG自身温度低至-163℃，依靠LNG作为冷源，有以下优点：1、不消耗发动机所产生的能量，提高发动机功率利用率；2、夜间停车熄火后依然可以制冷，没有噪音；3、超过车载空调压缩机的制冷能力，有更高的制冷效率；4、使用时几乎是“0成本”；5、智能化控制，操作简便。

4 结论

重型卡车是现代物流必不可少的重要组成部分，在全球物流中起到了中流砥柱的作用。在近年严禁超载的交通政策下，更多的司机、车辆加入了物流行业。随着车辆的增加，环保、能耗、司机舒适度的优化和改进都更加迫切。

LNG相对于目前大量应用的石油能源，拥有更广阔的市场前景。通过理论论证，利用LNG进行制冷可以实现，填补了目前市场空白，而且具备如下优点：减少了车辆所需装配的空调压缩机成本，提升了LNG利用率，增加了LNG气化效率，节省发动机动力，拥有更高的经济效益，车辆熄火时也可继续使用空调制冷。

[1] 王强,厉彦忠,张朝昌.液化天然气( LNG) 冷能回收及其利用［J］.低温工程,2002(4): 28-31.

[2] 张平.汽车空调系统工作原理以及具体结构解析[J].企业技术开发,2015,34（14）:19-21.

[3] 顾安忠,石玉美,汪荣顺.中国液化天然气的发展［J］.石油化工技术经济,2004(1): 1-7.

[4] 刘雁俊,孙恒五.LNG重卡特性及其应用环境研究[J].科技博览，2014（32）:244.

[5] 刘雁俊,孙恒五.LNG重卡特性及其应用环境研究[J].科技博览,2014（32）：244.

[6] 肖星.一种利用LNG 冷能的空调系统研究［D］.武汉: 华中科技大学,2012.

[7] 邓冬,陈江平,张胜昌,肖国平.LNG重卡冷能被汽车空调系统使用试验研究[J].制冷与空调,2016,16(05):87-91.

[8] 王武,孙文涛.重型卡车空调系统设计[J].汽车实用技术,2012(8)：25-31.

Analysis on the viability of LNG-aiding air-conditioning

Yang Yuan, Shi Chenghui, Yu Qian, Guo Dupeng
( Xi’an DESEN New Energy Equipment Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710021 )

A general introduction on the practicality of using LNG in the traditional air conditioning systems within heavy trucks, as a more efficient substitute given its low temperature(-163 degree Celsius). In this paper, we proved that taking the cold energy of LNG from heavy trucks for automobile air-conditioner and increase the refrigeration efficiency.

Transportation; New Energy; LNG; Vehicle Air Conditioning

U463.6 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-67-02

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.023

杨源，工程师，就职于西安德森新能源装备制造有限公司，主要从事新能源汽车、LNG气瓶设计与制造。