LNG供应系统的制作方法

本实用新型涉及发动机领域，尤其涉及一种大功率LNG-柴油双燃料发动机的天然气供应系统。

背景技术：

目前矿用卡车、火车机车或船舶使用的大功率发动机为柴油机。不仅运营成本较高，而且排气污染物含有大量的氮氧化物、颗粒、硫化物等，难于治理，造成环境污染。

分别在2011年和2014-2015年生效的美国环保局Tier4i(过渡)和Tier4(最终)规定了更严格的排放标准，对矿用大型发动机没有免除要求。发动机公司必须研究新的技术，在不影响整机厂商和最终用户的设备、操作与生产成本的前提下，使发动机的排放能满足更严格的法规要求。

我国铁路运输是国内柴油消耗大户之一。越来越严格的节能环保要求，对内燃机车及其柴油机的要求不断提高，寻找替代能源的任务变得越来越迫切。

船舶对环境的污染逐渐得到关注，各方对船舶环保要求不断提升，我国也出台了船舶排放控制区实施方案，旨在减少船舶排放对大气造成的污染。

目前，天然气是替代传统发动机燃料(柴油、汽油)的最佳选择。天然气有良好的节能环保效果，抗爆性好，燃烧完全，不结碳。天然气资源丰富，是世界上产量增长最快的能源。天然气经济性好，其成本低于传统发动机燃料。天然气安全性好，由于密度小，一旦发生泄露，会很快在空气中消失。天然气经压缩冷却成为LNG(液化天然气)，可大大提高能量密度，便于运输。

通过文献检索，发现目前与大功率LNG-柴油双燃料发动机天然气供应系统有关的专利，大部分是船用的，或涉及天然气供应系统的一部分，或涉及功率较小的发动机。国内LNG-柴油双燃料发动机天然气供应系统在小功率设备上已有应用及相关的报道，但大功率系统依然处于初创阶段，在矿山、铁路等领域的应用还是空白。并且现有专利还没有给大功率LNG-柴油双燃料发动机提供一套完善的天然气供应系统，也没有对发动机运行过程实现全程多方位监控，因而不利于发动机安全稳定地工作。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种大功率LNG-柴油双燃料发动机的天然气供应系统，该系统能保证发动机的原有性能，并使大功率LNG-柴油双燃料发动机成功应用于矿山、铁路、船舶等领域。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种大功率LNG-柴油双燃料发动机的天然气供应系统，包括储存系统、供给系统和控制系统，其中，储存系统与供给系统连接，供给系统同时与储存系统以及发动机连接，控制系统分别与储存系统、供给系统以及发动机通信连接；

其中，控制系统包括LNG控制器，以及分别与LNG控制器连接的传感器、显示器、开关；储存系统包括LNG储罐，以及分别与LNG储罐连接的LNG电磁阀、LNG液位传感器、LNG压力传感器，LNG电磁阀、LNG液位传感器和LNG压力传感器分别通信连接至LNG控制器；供给系统包括依次顺序连接的气化器、天然气温度传感器一、放散阀、天然气流量计、天然气电磁阀、手动切断阀、调压器、滤清器、天然气温度传感器二、天然气压力传感器、智能计量阀、集成节气门、混合器以及柴油流量计，其中天然气温度传感器一、天然气流量计、天然气电磁阀、天然气温度传感器二、天然气压力传感器、智能计量阀、集成节气门以及柴油流量计分别通信连接至LNG控制器。

进一步地，控制系统的开关控制柴油模式或者双燃料模式的选择。

进一步地，在双燃料模式下，LNG控制器与发动机自带的电控单元配合工作，采集计算天然气参数和发动机运行参数。

进一步地，LNG控制器自动控制LNG电磁阀、天然气电磁阀、智能计量阀以及集成节气门的开关和开度。

进一步地，控制系统的传感器包括进气压力传感器、增压压力传感器、进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器、冷却液温度传感器、曲轴转速传感器、凸轮轴转速传感器、排气温度传感器、爆震传感器。

进一步地，进气压力传感器、增压压力传感器、进气歧管压力传感器、进气歧管温度传感器均为两个。

进一步地，供给系统的气化器、天然气温度传感器一、集成节气门、混合器均为两个。

进一步地，储存系统的LNG储罐、LNG电磁阀、LNG液位传感器、LNG压力传感器均为两个。

进一步地，LNG储罐配备安装有压力调节模块、充装模块、液位测量模块、供液模块和真空爆破模块。

进一步地，供给系统还包括天然气管路和冷却液管路。

在矿用卡车或者火车机车等大型设备上加装本实用新型的大功率LNG-柴油双燃料发动机的天然气供应系统，改装简单，初始投入低。

本实用新型的天然气供应系统具有显著的经济效益。在中国天然气价格比柴油低很多，当天然气供应系统广泛应用于大功率矿山设备、铁路机车(内燃机车)、船舶、石油系统设备等大型柴油发动机相关设备，能为企业节约大量的燃油成本。据调查了解中煤集团在中国最大的露天煤矿平朔安太堡露天煤矿每年柴油消耗量达到15亿元，如果使用本实用新型的天然气供应系统，根据目前的LNG和柴油的价格，假定利润率为20％，那么每年就可以节约3亿元柴油成本。

本实用新型的天然气供应系统具有显著的社会效益。因为天然气燃烧几乎不产生颗粒物，应用天然气供应系统的发动机的排气污染可以大大降低。同时碳排放量也随之降低。根据BP中国碳排放计算器提供的资料，每辆LNG-柴油双燃料车比纯汽油车、柴油车每年可减少CO₂排放约60吨，如按照8年使用期计算，每辆车可减少CO₂排放约480吨。

附图说明

图1为本实用新型的大功率LNG-柴油双燃料发动机的天然气供应系统的示意图；

图2为本实用新型的大功率LNG-柴油双燃料发动机的天然气供应系统的LNG储罐的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供的大功率LNG-柴油双燃料发动机的天然气供应系统(以下简称为天然气供应系统)，包括储存系统、供给系统和控制系统。其中，储存系统与供给系统连接，供给系统同时与储存系统以及发动机连接，控制系统分别与储存系统、供给系统以及发动机通信连接。其中，控制系统包括LNG控制器，以及分别与LNG控制器连接的传感器、显示器、开关；储存系统包括LNG储罐，以及分别与LNG储罐连接的LNG电磁阀、LNG液位传感器、LNG压力传感器，LNG电磁阀、LNG液位传感器和LNG压力传感器分别通信连接至LNG控制器；供给系统包括依次顺序连接的气化器、天然气温度传感器一、放散阀、天然气流量计、天然气电磁阀、手动切断阀、调压器、滤清器、天然气温度传感器二、天然气压力传感器、智能计量阀、集成节气门、混合器，以及柴油流量计。其中天然气温度传感器一、天然气流量计、天然气电磁阀、天然气温度传感器二、天然气压力传感器、智能计量阀、集成节气门以及柴油流量计分别通信连接至LNG控制器。

以下结合附图，对本实用新型的天然气供应系统进行详细描述。如图1所示，储存系统包括LNG储罐-左1和LNG储罐-右2、LNG电磁阀-左3和LNG电磁阀-右6、LNG液位传感器-左4和LNG液位传感器-右7、LNG压力传感器-左5和LNG压力传感器-右8。其中，LNG储罐-左1分别与LNG电磁阀-左3、LNG液位传感器-左4、LNG压力传感器-左5连接，而LNG电磁阀-左3、LNG液位传感器-左4、LNG压力传感器-左5分别通信连接至控制系统的LNG控制器45；LNG储罐-右2分别与LNG电磁阀-右6、LNG液位传感器-右7、LNG压力传感器-右8连接，而LNG电磁阀-右6、LNG液位传感器-右7、LNG压力传感器-右8分别通信连接至控制系统的LNG控制器45。其中，LNG电磁阀-左3和LNG电磁阀-右6分别受控制系统的LNG控制器45的控制。LNG储罐-左1和LNG储罐-右2储存高压低温的LNG作为燃料，LNG储罐-左1和LNG储罐-右2的外面分别设置有起保护作用的罐箱(未示出)。

LNG储罐-左1和LNG储罐-右2具有相同的配置。结合图2，仅以LNG储罐-左1为例进行说明。LNG储罐-左1配备安装有压力调节模块、充装模块、液位测量模块、供液模块和真空爆破模块。其中，压力调节模块包括LNG压力传感器-左5、经济阀PCV-1、主安全阀PSV-1、副安全阀PSV-2、管路安全阀TSV-1、回气接口CN-1、放散接口CN-2、回气截止阀HCV-1、压力表PG-1、压力表PG-2。LNG压力传感器-左5测量LNG储罐-左1内的压力并将测量的压力传输至LNG控制器45；经济阀PCV-1的使用可以节省LNG；三个安全阀在管路压力超过一定限值时通过回气截止阀HCV-1、回气接口CN-1、放散接口CN-2放气，保障系统安全；两个压力表显示管路压力。充装模块包括充装接口CN-3、充装截止阀HCV-2、充装止回阀CV-1。操作人员将LNG加注枪连接到充装接口CN-3，打开充装截止阀HCV-2，即可向LNG储罐-左1充装LNG。充装止回阀CV-1防止LNG从LNG储罐-左1倒流出来。液位测量模块包括LNG液位传感器-左4(图2中LS-1)和液位显示器LL-1，LNG液位传感器-左4测量LNG储罐-左1内的LNG液位并将测量的LNG液位传输至LNG控制器45，同时在液位显示器LL-1上显示。供液模块包括供液止回阀CV-2、过流阀EFV-1、LNG电磁阀-左3(图2中超低温电磁阀SV-1)、供液接口CN-4。打开LNG电磁阀-左3之后，LNG储罐-左1内的LNG在压力作用下，通过上述各零件流向供给系统的气化器-左9。供液止回阀CV-2防止LNG倒流回LNG储罐-左1。过流阀EFV-1限制LNG的流率。真空爆破模块包括真空塞BD-1。其主要作用是在对LNG储罐-左1抽真空时用作接口。另外，万一LNG泄露到真空层，它可以起到泄压的作用。LNG储罐-右2具有与LNG储罐-左1完全相同的配置，在此不再叙述。

如图1所示，供给系统包括气化器-左9和气化器-右10、天然气温度传感器一-左11和天然气温度传感器一-右12、放散阀13、天然气流量计14、天然气电磁阀15、手动切断阀16、调压器17、滤清器18、天然气温度传感器二19、天然气压力传感器20、智能计量阀21、集成节气门-左22和集成节气门-右23、混合器-左24和混合器-右25，以及柴油流量计28。气化器-左9一端与LNG储罐-左1连接，另一端与放散阀13连接。气化器-左9加热气化从LNG储罐-左1流入到其中的LNG。气化器-右10一端与LNG储罐-右2连接，另一端与放散阀13连接，气化器-右10加热气化从LNG储罐-右2流入到其中的LNG。放散阀13、天然气流量计14、天然气电磁阀15、手动切断阀16、调压器17、滤清器18、智能计量阀21依次连接。智能计量阀21连接集成节气门-左22和集成节气门-右23，集成节气门-左22和集成节气门-右23分别连接混合器-左24和混合器-右25，混合器-左24和混合器-右25分别连接至相应增压器。其中，天然气温度传感器一-左11和天然气温度传感器一-右12、天然气流量计14、天然气电磁阀15、天然气温度传感器二19、天然气压力传感器20、智能计量阀21、集成节气门-左22和集成节气门-右23、柴油流量计28分别通信连接至LNG控制器45，并且天然气电磁阀15、智能计量阀21、集成节气门-左22和集成节气门-右23受控制系统的LNG控制器45控制。

供给系统还包括天然气管路26。天然气的流动方向如图1中分别从LNG储罐-左1和LNG储罐-右2出发的箭头走向所示。天然气管路26包括：分别从LNG储罐-左1和LNG储罐-右2至气化器-左9和气化器-右10的连接管路，气化器-左9和气化器-右10各自至放散阀13的连接管路，放散阀13至天然气流量计14、天然气流量计14至天然气电磁阀15、天然气电磁阀15至手动切断阀16、手动切断阀16至调压器17、调压器17至滤清器18、滤清器18至智能计量阀21的连接管路，从智能计量阀21分别至集成节气门-左22和集成节气门-右23的连接管路，集成节气门-左22至混合器-左24、混合器-左24至发动机的增压器的连接管路，以及集成节气门-右23至混合器-右25、混合器-右25至发动机的增压器的连接管路。天然气管路26将储存系统的LNG以天然气的形式输送至发动机。其中，天然气温度传感器11、12、19和天然气压力传感器20设置在气化器-左9和气化器-右10至智能计量阀21的连接管路上，分别测量管路内天然气的温度和压力并分别将测量的温度和压力传输至LNG控制器45。

供给系统还包括冷却液管路。冷却液的流动方向如图1中从发动机出发的箭头走向所示。冷却液管路包括从发动机分别至气化器-左9和气化器-右10的入口的连接管路，以及从气化器-左9和气化器-右10的出口分别至发动机的连接管路。利用发动机的冷却液分别加热气化器-左9和气化器-右10中的LNG，使之气化为常温的天然气。如图1所示，冷却液通过一条管路从发动机流出后，中途通过该条管路分支出的两条管路分别通过气化器-左9和气化器-右10的入口进入气化器-左9和气化器-右10，然后冷却液分别从气化器-左9和气化器-右10的出口流出，流经两条回流管路，在中途该两条回流管路合并为一条管路，冷却液最后通过该条管路流回发动机。在另一实施例中，冷却液通过两条管路从发动机流出后分别进入气化器-左9和气化器-右10，然后冷却液分别从气化器-左9和气化器-右10的出口流出，通过两条管路流回发动机。流经两个气化器的冷却液各自形成一循环回路。

供给系统主要调节天然气的流量、压力和温度。其中，智能计量阀21控制天然气的总流量并且预防爆震。集成节气门-左22和集成节气门-右23分别控制流向发动机一侧的天然气流量。混合器-左24和混合器-右25沿着周长以及在中心都有开孔。如果天然气压力超过限值，放散阀13会打开，排空留在管路中的天然气，以策安全。

控制系统包括LNG控制器45、传感器(进气压力传感器-左29和进气压力传感器-右30、增压压力传感器31和32、进气歧管压力传感器33和34、进气歧管温度传感器35和36、冷却液温度传感器37、曲轴转速传感器38、凸轮轴转速传感器39、排气温度传感器40、爆震传感器41)、显示器42、开关43和线束44。线束44这里指LNG控制器45与各传感器以及上面所提到的和下面将提到的部件之间的连接线。其中，进气压力传感器-左29安装在混合器-左24的进空气管路上并且通过线束44与LNG控制器45连接，进气压力传感器-右30安装在混合器-右25的进空气管路上并且通过线束44与LNG控制器45连接。进气压力传感器-左29和进气压力传感器-右30分别测量进入混合器-左24和混合器-右25的空气的压力并分别将测量的压力传输至LNG控制器45；增压压力传感器31和32、进气歧管压力传感器33和34、进气歧管温度传感器35和36、冷却液温度传感器37、曲轴转速传感器38、凸轮轴转速传感器39、排气温度传感器40、爆震传感器41安装在发动机上，并分别通过线束44将各自测量的信息传输至LNG控制器45。开关43控制柴油模式或者双燃料模式的选择。

控制系统是本实用新型的天然气供应系统的整个技术的核心与难点。操作者可以利用开关43来手动选择柴油模式或者双燃料模式，也可以通过LNG控制器45自动地控制开关43以选择柴油模式或者双燃料模式。在双燃料模式下，LNG控制器45与发动机自带的电控单元46配合工作，采集计算天然气参数和发动机运行参数。无论车辆是电力驱动或者机械驱动，电控单元46都能采集相应的负荷数值。LNG控制器45根据发动机转速和负荷得出理想的替代率。在不同工况(转速和扭矩)下，LNG控制器45可以自动控制LNG电磁阀-左3和LNG电磁阀-右6、天然气电磁阀15、智能计量阀21以及集成节气门-左22和集成节气门-右23的开关和开度，再加上预设的调压器17的压力，LNG控制器45能够稳定精确地控制天然气的流量、压力和温度，从而获得理想的替代率。无论被改装的柴油机状态(新旧、性能差异等)如何，本实用新型的天然气供应系统都能获得最合理的替代率。最高替代率可以达到70％。替代率定义为当发动机在柴油和双燃料模式下以相同的转速和功率运行时，双燃料模式下柴油消耗率与柴油模式下柴油消耗率相比而减少的百分比。

LNG控制器45除了如上所述获得理想的替代率，还监测所有传感器和仪表的输入及输出，确保各参数都在允许的范围内。在任何不正常的情况下，例如天然气压力过高或者天然气泄露，LNG控制器45都会立即关闭天然气系统，使发动机回到纯柴油模式。并且双燃料模式和纯柴油模式之间的切换非常顺畅，发动机的转速和功率几乎没有波动。在此情况下，操作者在关机前不能强行用开关43使发动机回到双燃料模式，这是额外的安全措施。在紧急情况下，放散阀13会打开，排空留在管路中的天然气，以策安全。

显示器42安装在车辆驾驶室(未显示)，实时显示天然气供应系统的所有关键参数。这样司机可以随时了解车辆的运行状况。一旦发生故障，显示器42会自动报警。

在本实用新型的天然气供应系统的一优选实施例中，本实用新型的天然气供应系统成功应用于一台240吨矿车的V形大功率发动机上。矿车用大功率发动机多数为V形。

首先，根据矿车的实际负荷循环，适当设计柴油箱以及LNG储罐-左1和LNG储罐-右2，保证每次换班时，同时充装柴油和LNG，以节省时间并且提高工作效率。发动机排量为76升，额定转速为1900rpm，额定功率为1865kW。在中间转速以及中高负荷下运行双燃料模式。双燃料模式下的发动机动力性能和效率与纯柴油模式下的相同。发动机的其它参数，例如排气温度、冷却水温度、机油温度等都在发动机厂商设定的范围内。

其次，主要装配工作包括：安装专用的较小容量的柴油箱，在液压油箱外面加装LNG储罐-左1和气化器-左9，在柴油箱外面加装LNG储罐-右2和气化器-右10。在发动机上安装集成节气门-左22和集成节气门-右23、混合器-左24和混合器-右25、柴油流量计28、进气压力传感器-左29和进气压力传感器-右30、增压压力传感器31和32、进气歧管压力传感器33和34、进气歧管温度传感器35和36、冷却液温度传感器37、曲轴转速传感器38、凸轮轴转速传感器39、排气温度传感器40、爆震传感器41。在车架(未示出)上并且在增压器上游安装天然气温度传感器11和12以及19、放散阀13、天然气流量计14、天然气电磁阀15、手动切断阀16、调压器17、滤清器18、天然气压力传感器20、智能计量阀21。在驾驶室内安装LNG控制器45、显示器42、开关43。在发动机、车架、驾驶室布置线束44。本实用新型的天然气供应系统对发动机本身的零部件的改动非常小。发动机原有的所有设定，例如喷油正时、气门正时、压缩比等，都保持不变。

在双燃料模式下，LNG电磁阀-左3和LNG电磁阀-右6、天然气电磁阀15、手动切断阀16被打开后，LNG在压力作用下从LNG储罐-左1和LNG储罐-右2分别流入相连的气化器-左9和气化器-右10，并分别在气化器-左9和气化器-右10中加热气化为天然气。天然气依次流经放散阀13、天然气流量计14、天然气电磁阀15、手动切断阀16、调压器17、滤清器18、智能计量阀21、集成节气门-左22和集成节气门-右23、混合器-左24和混合器-右25、增压器、进气歧管，最后进入发动机气缸(未显示)。智能计量阀21控制天然气的总流量并且预防爆震。集成节气门-左22和集成节气门-右23分别控制流向发动机一侧的天然气流量，这样发动机的两侧可以平衡。混合器-左24和混合器-右25沿着周长以及在中心都有开孔。而且，增压器压缩机的叶片转速非常高。这些都使得天然气和空气能良好地混合。

在双燃料模式下，LNG控制器45与发动机自带的电控单元46配合工作，采集计算天然气参数和发动机运行参数。在不同工况(转速和扭矩)下，LNG控制器45可以自动控制LNG电磁阀-左3和LNG电磁阀-右6、天然气电磁阀15、智能计量阀21以及集成节气门-左22和集成节气门-右23的开关和开度，再加上预设的调压器17的压力，LNG控制器45能够稳定精确地控制天然气的流量、压力和温度，从而获得理想的替代率。同时LNG控制器45还监测所有传感器和仪表的输入及输出，确保各参数都在允许的范围内。在任何不正常的情况下，例如天然气压力过高或者天然气泄漏，LNG控制器45都会立即关闭天然气系统，使发动机回到纯柴油模式。双燃料模式和纯柴油模式之间的切换非常顺畅，发动机的转速和功率几乎没有波动。在此情况下，操作者在关机前不能强行用开关43使发动机回到双燃料模式，这是额外的安全措施。在紧急情况下，放散阀13会打开，排空留在管路中的天然气，以策安全。

驾驶室内安装的专用显示器42，实时显示天然气系统的所有关键参数。司机可以随时了解矿车的运行状况。一旦发生故障，显示器42会自动报警。

本实用新型的天然气供应系统应用于矿车用大功率发动机上的最大替代率为70％。整个负荷循环的平均替代率为30-40％，这意味着如果原柴油机柴油耗为100千克/小时，则双燃料发动机的柴油耗为60-70千克/小时。节省的柴油的成本减去使用的天然气的成本，即为节省的燃料成本。双燃料发动机的燃料成本比原柴油发动机可减少20％-30％。

本实用新型的大功率LNG-柴油双燃料发动机的天然气供应系统，实现了模块化，对原设备(包括发动机)的改动非常小。

本实用新型中为了清楚起见，使用的左、右的表达方式是为了简单描述相邻部件之间的相对连接关系，如LNG储罐-左1、气化器-左9是为了表明气化器-左9与LNG储罐-左1连接；而集成节气门-左22、混合器-左24是为了表明集成节气门-左22与混合器-左24连接，并且在从智能计量阀21之后分支的两个管路中的一条管路上，并不表示与气化器-左9对应连接。此外，公开的连接方式是本实用新型的优选实施方式，本实用新型并不限于公开的连接方式。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。