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低温技术
Cryogenics
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车用小型液化天然气燃料罐及其关键技术研究
李娟，魏蔚，汪荣顺
(上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海，200030)
摘要：随着世界资源和环境问题的日益突出，以天然气作为汽车代用燃料的技术越来越受到人们的重视。液化天
然气汽车(LNGⅣ)是天然气汽车的一个重要发展方向，同时该技术对LNG燃料罐提出了更高的要求。本文对目前液
化天然气汽车的发展现状、小型车用LNG燃料罐的结构、功能以及国内外LNG燃料罐的技术基础进行了总结，重点介
绍了近年来世界车用天然气燃料罐的关键技术。
关键词：液化天然气，燃料罐，高真空多层绝热，内支承，加注，液位显示
1引言
近年来，随着经济的发展和汽车保有量的增加，环境问题日益突出，其中汽车排放是城市大气污染的
重要因素。推广和应用天然气汽车(NGV)是解决严峻形式的一个很好的途径。天然气汽车以其有害污染
物排放少、安全可靠性高、抗暴震性能好、燃料辛烷值高等特点，成为各种代用燃料汽车的首选，被誉为”绿
色汽车”。据调查，目前全世界大约有80万辆天然气汽车在试运行。美国天然气协会预计到2010年，天然
气汽车可能会增至200万辆[1]。
液化天然气(LNG)存储方式因体积能量密度高、压力低、重量轻等优势，使得LNG汽车技术近年来取
得了长足的发展。但同时由于LNG燃料罐存在一定的蒸发损失，以及液化天然气的绝热、支承、加注和液
位显示等问题，导致LNG汽车的发展和应用受到一定限制。本文以小型轿车用55升LNG燃料罐为例，
对LNG燃料罐的关键技术进行了介绍。
2液化天然气汽车(LNGV)的发展
天然气汽车分为液化天然气汽车(LNGV)，压缩天然气汽车(CNGV)[2]和吸附天然气汽车(ANGV)。
其中CNGV的车用系统发展比较成熟。但从使用效果来看，LNGV弥补了CNGV的许多不足之处[3]：(1)
液化天然气是将天然气冷冻至沸点一162℃以下，在饱和蒸汽压接近常压的情况下进行储存，其储存容积
可减小约625倍，能量存储密度为CNG的两倍多。(2)天然气在液化前经过了严格的预处理，杂质含量远
低于CNG，使得汽车尾气排放可满足更加严格的标准。(3)LNG燃料罐在低压下运行，避免了Q寸G因采
用高压容器带来的潜在危险，同时大大减轻了容器自身的质量。(4)LNG的冷量还可用于汽车空调或冷藏
运输。由此可见，LNG是一种比较理想的汽车燃料储存方式。
LNG汽车技术发展较快的是美国，其LNG汽车技术已完全进入实用阶段。美国Chart公司是目前国
际上生产LNG燃料罐实力最雄厚的公司，其子公司NexGenFueling可提供LNG汽车燃料供应系统所必
须的几乎所有设备，并获得LNG计量分配许可证书[4]。日本国际贸易和工业管理部以及日本气体协会从
1996年至2000年集中力量发展了LNG汽车及其燃料站建设，到1998年底，日本已开发制成了多辆LNG
燃料汽车原型车及燃料站。
我国液化天然气汽车技术起步相对较晚。2002年11月，河南中原绿能高科有限责任公司成功改装了
国内第一辆LNG汽车；上海交通大学与上海申沃客车有限公司于2003年成功联合研制出国内第一辆
LNG单燃料城市客车。国家科技部对发展LNG汽车已立项攻关，2003年选定长沙、乌鲁木齐作为发展
收稿日期：2005一04—18
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LNG汽车的示范城市。2002年底，北京五家企业和研究所联合成立了北京LNG产业化联盟，负责车用和
民用LNG项目的总体协调、技术支持、设备生产、燃料供应和车辆改装等。
3小型车用LNG燃料罐
3．1燃料罐的结构、功能和基本要求
LNG汽车燃料系统主要由LNG燃料罐、连接管路、汽化装置、减压装置、安全装置及控制系统等组
成，如图1所示。从图中可以看出，LNG燃料罐是LNG车载燃料系统的核心部件，其作用是储存并供给
燃料。当液化天然气汽车工作时，燃料罐中的液态天然气在自身压力的作用下，从液体排出管路中流出
LNG燃料罐，经燃料切断阀和过流阀进入汽化器内被加热汽化，供汽车使用。
图1LNGV车用燃料系统示意图
1一LNG气瓶2一第二级安全阀3一主安全阅
4一手动放气阀5一节气调节阀6一液体喷淋管
7一蒸汽排出管8一止回阀9一限流阀10一液体排出管
11一燃料切断阀12一液位信号接口13一液位变送器
14一燃料指示表15一汽化器16一放气管接口
17一燃料加注接口18一燃料气瓶压力表
LNG燃料罐是LNG车载燃料系统的核心部件。
燃料罐一般由内胆、外壳、绝热结构、支承系统和刚性
组件组成。内胆通过支承件与外壳连接，用以盛装燃
料，内部有加注喷淋管、液位探头等。外壳和内胆之
间是密闭的真空空间。外壳保护内胆并对整个罐体
起支撑作用。具有高强度及良好绝热性能的支承系
统将内胆悬挂在外壳之内。
根据LNG的特性，燃料罐除需要有良好的绝热
性能外，一般来讲，还应满足以下基本要求：良好的抗
冲击性能；合理的液体充装率；操作安全可靠；液位和
压力指示灵敏、准确，抗干扰能力强等。其关键技术
问题在后面详细介绍。
3．2国内外车用LNG燃料罐产品与技术现状
围绕车用LNG燃料罐的各个方面，国内已在绝
热技术、真空技术、支撑结构和管道等方面具有了一
定的技术基础。目前国内主要的生产厂家有四川空
分、中集圣达因等。四川空分于1997年引进日本低
温高真空绝热气瓶技术先后研制了4台三种规格的
LNG气瓶，提供中原油田100升LNG气瓶装车试
用，在羚羊汽车上使用55升LNG气瓶做行驶试验共行驶385公里，经检测LNG气瓶达到设计指标，满足
行驶要求。四川空分研制的LNG气瓶与Chart生产的LNG气瓶的日蒸发率指标相近，并拟在2006年将
建成年产LNG气瓶5000台的两条生产线。
美国Chart公司是世界车用LNG燃料罐的主要制造商。Chart公司NexGen分公司生产的车用LNG
燃料罐是目前应用最多的产品j其市场占有率超过80％以上。该公司采用了基于气液热力动态平衡的专
表1美国商用LNG汽车燃料气瓶的技术数据(Chart公司)
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利技术，其加注业务获得了LNG计量分配许可证书(WM)。表1列出了目前美国Chart商用LNG燃料罐
的有关技术数据[4|。
4车用LNG燃料罐的关键技术
小型车用LNG燃料罐由于受到燃料蒸发损失、内支承系统的结构设计、燃料加注配套措施、燃料罐内
压力显示等方面的影响，使得LNG的发展受到一定限制。为进一步促进LNG的应用，一些技术难点亟待
解决。
4．1小间距高真空多层绝热结构
在不使用任何外部冷源的情况下，LNG燃料罐必须完全绝热。已有的LNG燃料罐曾采用真空粉末
绝热，绝热性能低，绝热空间大，且在使用过程中容易出现珠光砂等绝热材料的下沉，影响绝热性能。为了
达到高的绝热效果，目前生产的燃料罐均采用高真空多层绝热结构，夹层达到10_3Pa左右的真空度，又称
为超级绝热[5]。对55升燃料罐而言，尤其要求绝热间距较小，高真空多层绝热的夹层间距仅20一25mm，
漏热量仅为真空粉末绝热的1／10左右。
对于高真空多层绝热的LNG燃料罐来讲，热量主要通过残余气体导热、辐射和固体导热传人内胆。
提高层间真空度是抑制残余气体导热的根本途径。辐射受到材料的发射率、吸收系数、散射系数、厚度等
影响。同时由固体材料的缠绕造成的压缩负荷随着层间密度的增加而增大，且导致热导率增加。在每一
温度下都存在一个最佳层密度，在最佳层密度下，多层绝热的热导率达到最小值，燃料的蒸发损失达到最
低。因此，必须有良好的多层绝热材料和合理的缠绕工艺，才能保证小间距多层绝热的效果。
4．2内支承系统
内支承系统将内容器悬挂在外壳之内。由于汽车在运行过程中面临各种复杂情况，LNG燃料罐一般
应能承受4～69的冲击，同时要求支承件的绝热性能良好，以尽可能降低外界热量的传人：因此，内支承
系统必须同时具有高机械强度和低热导率，这对结构设计和材料选择提出了更高的要求。
设计燃料罐的内支承结构时，一般在满足强度要求的情况下选择热导率小的材料，并尽量采用增加传
热途径的有效长度、减小构件的横截面积、采用高接触热阻的结构形式等方法。奥氏体不锈钢和环氧玻璃
钢等纤维复合材料都是可选的支承材料。NexGen燃料罐的支撑结构全部使用不锈钢[4|，保证LNG车载
燃料罐可使用多年而没有性能损失。
我国高校科研人员对抗强冲击储罐进行了研究[6]，在常规低温储罐内外简体和支撑结构的基础上，全
新设计了抗强冲击的强化方案，并首次系统地把有限元分析引入低温储罐结构设计分析中，取得了良好效
果。该设计方法同样适用于LNG燃料罐的结构与传热设计。
4．3燃料罐的允许充注量
燃料罐在充注LNG时，应考虑液体受热后的体积膨胀而出现液位超高。通常，LNG燃料罐设计有一
个最高液位限，燃料罐内的液位不得超过此限，否则液体将从溢出管排出[7]。
在大型低温储罐上采用溢流管和溢流阀来保证加注时不过满，而小型55升LNG车载罐上不适用，需
要靠加注管的结构和加注工艺来保证，采取分析和试验来确保该技术的实施。美国NFPA59A标准确定
了LNG充注量，操作人员可根据燃料罐排放阀设定的工作压力和充注时气相空间的压力来确定允许的实
际充注量。
NexGen生产的燃料罐在加注过程[4]中，LNG喷嘴钩在车辆上的插孔上。输配按钮揿下后，LNG开
始通过喷嘴和止回阀流人喷淋头。当LNG从喷头喷出，非常冷的液雾使罐内微温的蒸气冷凝。蒸气冷凝
体积减小，使得罐内压力降低。这一过程称之为”压头损失”。随着压头损失的发生，燃料液面继续升高，
直到液面达到喷淋头，此时压头迅速升高，加注站感受到此压力后将关闭燃料供应。其超量加注最普遍的
原因是在加注即将结束时快速升压的初始阶段，没有关闭唯一的加注软管。另外基于气液热力动态平衡
．】7．
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的专利技术，燃料罐加注时无需对罐内残余的气相做放空处理，可使用单管加注系统，省去了加注站放空
管线。还可采用了通气加注等方法。
4．4液位显示器
LNG燃料罐内液面的高低要在驾驶室内显示出来。在汽车行驶的晃动和振动情况下，以及在车辆加
速、刹车、转弯或爬坡等瞬变工况条件下，都要保证测量准确性。研制出理想的LNG液面显示器是目前的
难点所在。
美国NexGenFueling公司提供的液位显示器由两部分组
成：燃料计量发送器和燃料液位接收器。发送器的功能是将燃
料罐内部燃料液面探测器的电信号转化成与燃料液位接收器
相兼容的信号。发送器准确反映燃料罐内的实际含量，且不受
状态、压力或温度的限制。此显示器可读出从空到满的所有状
态，精度为燃料罐的土1／16th。
图2Ne婀。n公司的液位显示器上海交通大学设计研制的低温燃料罐电容液位计‘81，通过
分析灵敏度和变介电系数，保证了最小的极板间距，其特点是与液面无接触，可以减少热漏，有利于保温。
5总结
本文对目前液化天然气汽车的发展现状进行了概述，以小型车用55升LNG燃料罐为例，介绍了小型
车用LNG燃料罐的结构、功能，重点阐述了近年国内外车用LNG燃料罐的技术难点。我国车用LNG燃
料罐技术近年来刚刚起步，与国际水平相比还存在较大差距，有待提高。
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(hstituteofRefrigerationandCryogenicEngineering，shanghaiJ渤toIlgUniversity，Shanghi200030，(mi舰)
Abshct：AstheenergyandenvirD珈=IlentalproblemInoreandnloreworseintheworld，peoplepaymuchattentiontothe
useofmturalgasasasubstitutefuelofvehicl&Liquefiedmturalgasvehicle(LNGV)isanhportantdevelopingdirection；
however，itputsforwardmorerequirementstotheLNGfueltaIlkThedevelopingstatusquoofLNGV，structure锄dfunc‘
tionofsmallsizeonboardLNGfueltank，andtechmqueat}lorneandabroadaresuInmarizedinthispaper，se、他raltechJlique
difficultieSaboutonboardLNGfueltankinrecentyearsareintroducedasaIlemphasis．
Keywords：LiquefiedNaturalGas，Fueltank；Multi—layerinsulation，irulersupport，Fuellingsyst锄，1iquid1evel
作者简介：李娟，女，1982年生，上海交通大学在读博士生，主要从事低温绝热和小型移动式低温压力容器方面的研究。
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车用小型液化天然气燃料罐及其关键技术研究
作者：李娟，魏蔚，汪荣顺，LiJuan，WeiWei，WangRongshun
作者单位：上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海,200030
刊名：低温与超导
英文刊名：CRYOGENICSANDSUPERCONDUCTIVITY
年，卷(期)：2005,33(4)
被引用次数：2次
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5.高鲁嘉;鲁雪生天然气汽车燃料加注的几个问题[期刊论文]-能源工程2001(1)
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7.BSKim;BHKim;JBKim;CRJoetStudyonthedevelopmentofcompositeCNGpressurevessels[外文期
刊]1998
8.唐小东天然气汽车的储气技术1997(04)
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7.叶莹.汪顺华.杨晓东.YeYing.WangShunhua.YangXiaodongLNG燃料汽车储罐自增压及供气特性[期刊论文]-
低温工程2009(4)
8.思俊鹤.SiJunhe卧式高真空多层绝热低温容器无损贮存规律[期刊论文]-低温工程2006(4)
引证文献(2条)
1.史永万现代汽车技术的发展趋势[期刊论文]-天津科技2007(3)
2.曹书荣LNG汽车燃料储存系统的研究[学位论文]硕士2006
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dwycd200504004.aspx
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