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雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計(jì)
[摘要]面對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機(jī)等問(wèn)題，于是就出現(xiàn)了一種以天然氣和柴油為燃料的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。它是在原有柴油機(jī)的基礎(chǔ)上改裝而成的，采用柴油引燃天然氣的方式來(lái)工作。由于只需要加裝一套天然氣供給系統(tǒng)，適當(dāng)改變一下燃料供給系統(tǒng)，對(duì)原柴油機(jī)不必作什么改動(dòng)，所以改裝簡(jiǎn)單、成本低。但改裝后天然氣替代率高，因此發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能得到了明顯改善。
本次論文所設(shè)計(jì)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供給系統(tǒng)在保留原有柴油機(jī)的燃料供給系統(tǒng)不變的情況下，增加了天然氣燃料供給系統(tǒng)。天然氣從氣瓶出來(lái)后經(jīng)減壓器和過(guò)濾器，通過(guò)一組噴嘴噴射至混合器與增壓中冷后的空氣混合形成可燃混合氣，最后隨著進(jìn)氣進(jìn)入燃燒室燃燒。且通過(guò)加裝相關(guān)傳感器，精確控制柴油引燃量和天然氣的供給量，來(lái)提發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性。具體來(lái)說(shuō)，是按照天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的幾部分構(gòu)成進(jìn)行深入仔細(xì)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行計(jì)算，論證設(shè)計(jì)方案的可行性，以便使系統(tǒng)能更好的可靠并且高效的運(yùn)作。
[關(guān)鍵詞] 柴油機(jī)； 天然氣； 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)； 供氣系統(tǒng)
The design of dual fuel engine' fuel system
Abstract: Facing the increasingly serious environmental pollution and energy crisis and other issues, hence there is a dual fuel engine with natural gas and diesel oil as fuel. It is on the basis of the original diesel engine refitted, and adopt the way of diesel ignition gas to work. Due to need only add a natural gas supply system, Just change the fuel of feed system, what changes are made on the original diesel engine don't have to, so mods is simple and low cost. But modified gas replacement rate is high, so the engine emissions performance is significantly improved.
In this paper the dual fuel engine fuel supply system designed in retain the original diesel engine fuel supply system of constant, increases the natural gas fuel supply system. Gas from the cylinder after the pressure reducer and filter, through a set of nozzle jet mixer to form a combustible mixture mixed with air after turbocharged inter-cooled, finally with the air inlet into the combustion chamber combustion. Sensors, and by adding the accurate control of diesel pilot quantity and natural gas supply, to enhance the economy and emissions of engine. To be specific, It is according to natural gas - diesel oil double fuel engine fuel system parts constitute a further careful design, focus on the system's main components are calculated, the demonstration of the feasibility of design scheme, in order to make the system better and reliable and efficient operate.
Key words: Diesel engine; Natural gas; Dual-fuel diesel engine; Gas supply system.
目 錄
1. 緒論 1
1.1 選題的目的及研究意義 1
1.1.1 選題的目的 1
1.1.2 研究意義 1
1.2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的概念及其優(yōu)缺點(diǎn) 1
1.2.1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的概念 1
1.2.2雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 2
1.3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 3
2. 燃料系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 4
2.1 燃料系統(tǒng)的構(gòu)成 4
2.2 系統(tǒng)的工作原理 4
2.3各部件的功用 6
2.3.1 氣瓶 6
2.3.2 壓力調(diào)節(jié)器 6
2.3.3 氣體流量閥 7
2.3.4 電子控制單元 7
2.3.5 油門(mén)位置傳感器 7
2.3.6 柴油油量控制器 7
2.3.7 冷卻水溫度傳感器 8
2.3.8 控制面板 8
3. 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 9
3.1系統(tǒng)整體改裝方案 9
3.2 柴油機(jī)改裝雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案 9
3.2.1 基本要求 9
3.2.2 改裝策略 10
3.3 所選用的原始數(shù)據(jù) 10
4. 系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計(jì) 12
4.1 柴油噴射系統(tǒng) 12
4.2 天然氣供給系統(tǒng) 13
4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料控制系統(tǒng) 15
4.3.1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料控制系統(tǒng)的分析 15
4.3.2 燃料控制系統(tǒng)的控制原理及特點(diǎn) 16
4.4 天然氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17
5. 系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì) 18
5.1 氣瓶設(shè)計(jì) 18
5.1.1 材料選擇 18
5.1.2 儲(chǔ)氣壓力確定 18
5.1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
5.1.4 尺寸設(shè)計(jì) 19
5.2截止閥的設(shè)計(jì) 20
5.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20
5.2.2閥桿的設(shè)計(jì) 21
5.3 氣瓶閥的設(shè)計(jì) 24
5.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
5.3.2泄放直徑校核 25
5.4 充氣閥設(shè)計(jì) 26
5.5天然氣加熱器的設(shè)計(jì) 27
5.6 燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器 27
5.6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
5.6.2 閥口設(shè)計(jì) 28
6. 小結(jié) 31
致謝 32
參考文獻(xiàn) 33
II
1. 緒論
1.1 選題的目的及研究意義
1.1.1 選題的目的
汽車保有量的激增,使世界的石油資源越來(lái)越稀缺,發(fā)動(dòng)機(jī)的排放也造成了日益嚴(yán)重的環(huán)境污染。為了解決環(huán)境污染問(wèn)題和能源問(wèn)題,世界各國(guó)在制定各種嚴(yán)格的汽車尾氣排放法規(guī)規(guī)范汽車生產(chǎn)和使用的同時(shí),開(kāi)始發(fā)展替代燃料汽車。由于天然氣在環(huán)保、資源、成本等方面的優(yōu)勢(shì)，促使天然氣汽車的發(fā)展、汽車改裝、氣體存儲(chǔ)和加氣站的全方位技術(shù)也日趨成熟。近年來(lái),中國(guó)的天然氣汽車的研究和發(fā)展也迅速成長(zhǎng)。然而由于氣體點(diǎn)火溫度較高,發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮過(guò)程中缸中的氣體溫度達(dá)不到自燃點(diǎn),所以我們必須依靠電火花點(diǎn)火或噴少量的柴油,柴油燃燒再次點(diǎn)燃?xì)怏w。天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是基于在原柴油機(jī)基礎(chǔ)上改裝的既可以燃用天然氣( 以少量柴油引燃) 又可以用柴油作為單一燃料的一種發(fā)動(dòng)機(jī)。
1.1.2 研究意義
雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有使用燃料靈活、碳煙排放少、發(fā)動(dòng)機(jī)改動(dòng)小、改動(dòng)成本低等特點(diǎn)，可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、排放和噪聲等。我國(guó)若將目前的柴油機(jī)改為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī), 可以有效地改善碳煙排放對(duì)環(huán)境的污染, 適應(yīng)我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r和需要。
1.2 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的概念及其優(yōu)缺點(diǎn)
1.2.1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的概念
雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是指氣缸內(nèi)的氣體燃料是通過(guò)少量噴入的柴油經(jīng)然后引燃的。即采用柴油引燃的方式，也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作的同時(shí)要用兩種燃料，一般滿負(fù)荷是柴油用量為全柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的20%~30%或更小。
具體到壓縮天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。是以壓燃少量噴入氣缸的柴油作為“引燃燃料”，天然氣作為主要燃料。天然氣與空氣在氣缸外的混合器內(nèi)混合，形成比較均勻的混合氣再進(jìn)入氣缸。活塞在壓縮行程接近上止點(diǎn)時(shí)，柴油被壓燃點(diǎn)火，在與柴油機(jī)中的情形類似。由于空氣和天然氣已在缸外預(yù)先混合，因而天然氣-空氣混合氣的著火與燃燒，與火花點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)相似。
天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)既可用柴油引燃天然氣工作，也可用100%的柴油燃料工作。大多數(shù)的柴油機(jī)只增加一套供氣系統(tǒng)，而不必對(duì)柴油機(jī)做很大的變動(dòng)，就可使用天然氣代替大量的柴油（80%以上)。它與改裝成火花點(diǎn)燃的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，可以節(jié)省大量的改裝費(fèi)。
天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)在各種類型汽車上的運(yùn)行試驗(yàn)證明，它們與柴油機(jī)汽車相比具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)：由于使用了空氣與天然氣的混合氣，能代替85%左右的柴油；排氣中的煙度減少2/3~4/5；固態(tài)微粒排放較少；發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲降低1.5~3.0dB。
天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣供給方式有混合預(yù)混式、缸外進(jìn)氣閥處天然氣噴氣式和缸內(nèi)噴氣式等。后兩種方式需要專用的氣體噴射器，目前還處于研究階段。
1.2.2雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)如下：
① 柴油機(jī)壓縮比高，而天然氣的辛烷值也很高，這樣可充分利用天然氣良好抵抗抗爆震性能，獲得滿意的動(dòng)力性能。
②它保持了柴油機(jī)的高壓縮比，因而具有較高的熱效率。
③采用柴油引燃，點(diǎn)火能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于火花點(diǎn)火時(shí)的能量，從而有利于保證著火穩(wěn)定，避免失火，并加快天然氣相對(duì)較慢的火焰?zhèn)鞑ニ俣?；可以降低未燃天然氣的排放量，提高?dòng)力性。
④柴油引燃?xì)怏w燃料的能量比火花塞點(diǎn)燃的能量大得多，那么對(duì)點(diǎn)火正時(shí)的控制要求可以降低，能夠在較寬的空燃比范圍內(nèi)工作，對(duì)稀燃很有利，可實(shí)現(xiàn)較稀薄燃燒。
⑤可大大降低 柴油機(jī)的排氣煙度，改善柴油機(jī)的微粒等排放。
存在的問(wèn)題：
①低負(fù)荷時(shí)氣體燃料燃燒不完全，排氣中碳?xì)浜鸵谎趸紳舛容^高；
②高負(fù)荷時(shí)可能出現(xiàn)工作粗暴或敲缸傾向。
1.3 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
目前,雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā),是在深度方向不斷發(fā)展。柴油機(jī)改裝為雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo):發(fā)動(dòng)機(jī)變化小,與原機(jī)相比,性能保持不變或略有增加;減排目標(biāo)要大大提高,具有良好的安全性和可靠性?，F(xiàn)在大多數(shù)的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料量是根據(jù)原來(lái)的機(jī)械燃油泵控制,只會(huì)增加一套氣體供應(yīng)系統(tǒng),而不必做很多變化就可以實(shí)現(xiàn)雙燃料柴油機(jī)操作。國(guó)內(nèi)的研究由一個(gè)簡(jiǎn)單的改裝匹配工作已經(jīng)發(fā)展到對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、參數(shù)、工作過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，以及燃燒特性、電控技術(shù)等方面的研究。
發(fā)展趨勢(shì)：
(1)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)、動(dòng)力性能與原柴油機(jī)相當(dāng)。
(2)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)更有害污染物排放少,排放符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定。
(3)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該有較高的工作可靠性且使用壽命更長(zhǎng)。
(4)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造費(fèi)用低。
2. 燃料系統(tǒng)的簡(jiǎn)介
2.1 燃料系統(tǒng)的構(gòu)成
天然氣-柴油雙燃料雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)的組成 雙燃料雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)由四部分組成：柴油噴射、發(fā)動(dòng)機(jī)的控制與保護(hù)、天然氣的調(diào)節(jié)和供給、天然氣的儲(chǔ)存。
燃料供給系統(tǒng)包括：天然氣的混合器、天然氣供氣量控制閥以及燃油供給機(jī)構(gòu)。
發(fā)動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)系統(tǒng)包括：天然氣供給控制閥門(mén)的傳動(dòng)裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)從燃用純柴油轉(zhuǎn)換為燃用雙燃料工況的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及天然氣供給閉鎖裝置，該裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，切發(fā)動(dòng)機(jī)切斷兩種燃料向發(fā)動(dòng)機(jī)供給；發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)天然氣氣瓶壓力不足時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)換使發(fā)動(dòng)機(jī)燃用柴油；當(dāng)使用減速制動(dòng)時(shí)，則關(guān)閉天然氣的供給，采用中心控制單元控制。
天然氣的調(diào)節(jié)和供給系統(tǒng)包括：壓縮天然氣的高壓減壓閥、低壓減壓閥、天然氣濾清器及開(kāi)關(guān)閥、天然氣加熱器等，以便為發(fā)動(dòng)機(jī)提供合適的天然氣。
天然氣的儲(chǔ)氣系統(tǒng)包括：壓縮天然氣氣瓶、壓力表、氣瓶充氣供氣閥等。
2.2 系統(tǒng)的工作原理
天然氣-柴油雙燃料雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)的控制方式有機(jī)械式和電子式。目前國(guó)內(nèi)柴油機(jī)大部分采用機(jī)械式燃料供給控制方式。如下圖2-1是采用機(jī)械控制式的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2-1 天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖
1-車載壓縮天然氣氣瓶 2-氣瓶壓力表 3-高壓輸氣管路 4-氣瓶充氣閥 5-儲(chǔ)氣瓶供氣閥6-天然氣加熱器 7-高壓減壓閥 8-天然氣中壓管路報(bào)警裝置 9-中壓管段限壓閥 10-天然氣濾清器及開(kāi)關(guān)閥 11-天然氣低壓供氣管 12-天然氣供氣量控制閥 13-混合器 14-低壓減壓器 15-高壓油泵供油量限位器 16-燃料轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 17-發(fā)動(dòng)機(jī) 18-高壓油泵
打開(kāi)氣瓶供氣閥5，氣瓶中的天然氣向發(fā)動(dòng)機(jī)供氣。由于進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣是經(jīng)過(guò)減壓的低壓天然氣，因此天然氣在供給發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程中，因膨脹要吸收大量的熱，由此將造成輸氣管路及其他零部件的凍結(jié)，使供氣系統(tǒng)不能正常工作。所以在供氣系統(tǒng)中加設(shè)了天然氣加熱器6，靠發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的循環(huán)所提供的熱源加熱天然氣。被加熱的天然氣經(jīng)過(guò)高壓減壓閥7，使其壓力降低到1.0~1.2MPa。在高壓減壓閥后的管路中，設(shè)置的天然氣中壓管路報(bào)警裝置8和中壓管段限壓閥9，是為了保證供氣系統(tǒng)工作中的可靠性。當(dāng)高壓減壓閥工作失常，造成中壓管路壓力超過(guò)允許值時(shí)，避免造成后端系統(tǒng)元器件的損壞；當(dāng)壓力值超值時(shí)，開(kāi)啟限壓閥，將中壓管路內(nèi)的天然氣排出系統(tǒng)之外，確保后端元器件是安全；當(dāng)中壓管段發(fā)生斷裂或其他因素引起中壓管路中天然氣壓力很底，不能保證供氣系統(tǒng)正常工作時(shí)，中壓管路報(bào)警裝置8發(fā)出壓力不足警報(bào)，通知駕駛員關(guān)閉供氣系統(tǒng)，檢查管路，排除故障。為了確保天然氣供氣系統(tǒng)滿足工作要求，在進(jìn)入低壓減壓閥14之前，中壓管路中設(shè)置了天然氣濾清器及開(kāi)關(guān)閥10，不僅對(duì)供給發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣進(jìn)行過(guò)濾，而且有接通和斷開(kāi)向低壓減壓閥供氣的功能。當(dāng)駕駛員要求發(fā)動(dòng)機(jī)按天然氣-柴油雙燃料模式工作時(shí)，開(kāi)關(guān)閥10處于通路狀態(tài)，向低壓閥14供給天然氣；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以純柴油作為燃料時(shí)，開(kāi)關(guān)閥10處于關(guān)閉狀態(tài)，確保天然氣不參與工作。天然氣通過(guò)濾清器及開(kāi)關(guān)閥10后，進(jìn)入低壓減壓閥14內(nèi)，進(jìn)行再次減壓，使供給發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣壓力符合發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。由低壓減壓閥減壓后的天然氣，經(jīng)過(guò)天然氣供給量控制閥12（由駕駛員操縱）進(jìn)入混合器13.在混合器中天然氣與空氣進(jìn)行預(yù)混合，然后由進(jìn)氣道進(jìn)入燃?xì)馐摇Ｓ捎陔p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程是主燃料天然氣由柴油著火引燃，所以發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，除了要有天然氣的供給系統(tǒng)參加工作外，柴油供油系統(tǒng)也要參加工作，供給發(fā)動(dòng)機(jī)一定量的引燃柴油，但是其供油量受到一定的限制。為了便于駕駛員的操作，在原發(fā)動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)高壓油泵18上加裝了高壓油泵供給量限位器15，以此來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)柴油量的供給。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于雙燃料工作狀態(tài)時(shí)，高壓油泵供給量限位器限制高壓油泵的供油量，使得駕駛員踩加速踏板時(shí)，主要控制天然氣供給量，而柴油供給量限制在引燃油量范圍內(nèi)，當(dāng)天然氣氣瓶中天然氣壓力低于1MP時(shí)，系統(tǒng)的工作難以正常進(jìn)行，需要加氣，由加氣站提供的20~25MPa壓縮天然氣，通過(guò)氣瓶的加氣嘴和氣瓶充氣閥4注入氣瓶。
2.3各部件的功用
2.3.1 氣瓶
氣瓶?jī)?chǔ)存壓力為20Mpa的壓縮天然氣，在其后先后接有氣瓶閥、充氣閥、手動(dòng)關(guān)閉閥及壓力表等。氣瓶閥在必要時(shí)封住瓶?jī)?nèi)氣體及防止瓶?jī)?nèi)壓力過(guò)高損壞氣瓶；充氣閥是在儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)壓力不足時(shí)向儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)充入天然氣；手動(dòng)關(guān)閉閥是當(dāng)天然氣汽車因加氣、修理、入庫(kù)停車時(shí)，用來(lái)截止氣瓶到燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器之間的氣路聯(lián)接。壓力表用于表針加氣時(shí)天然氣是否加足。
2.3.2 壓力調(diào)節(jié)器
燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器的作用：將天然氣的壓力從20MPa降到0.5 Mpa左右，并且在壓力調(diào)節(jié)器上裝有壓力傳感器在與駕駛室內(nèi)控制面板相連后，這樣在駕駛室內(nèi)即可通過(guò)壓力值了解氣瓶?jī)?nèi)天然氣的儲(chǔ)量。在壓力調(diào)節(jié)器前分別安裝有加溫器和過(guò)濾器。其中加溫器是為了給天然氣加熱，以避免因天然氣壓力降低吸收熱量而使壓力調(diào)節(jié)器凍結(jié)。過(guò)濾器是為了濾除氣體中的雜質(zhì)，以避免減壓器閥口被堵塞。燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器后連接電磁閥，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障或發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，電磁閥自動(dòng)切斷天然氣的供給。
2.3.3 氣體流量閥
氣體流量閥可精確控制雙燃料工作狀態(tài)下的燃?xì)饬髁?。其?nèi)有一小容積室，與燃?xì)鈬娚淦?、天然氣壓力傳感器和溫度傳感器相連，2個(gè)傳感器分別測(cè)出容積室中天然氣的壓力和溫度。電子控制單元(ECU)將實(shí)測(cè)天然氣壓力與存儲(chǔ)在ECU內(nèi)的目標(biāo)壓力值相比較，根據(jù)二者的差值調(diào)整容積室的容積，保證確的天然氣噴射量。天然氣以1O～80 Mpa的噴射壓力噴入時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)，與空氣充分混合后進(jìn)入氣缸。燃?xì)鈬娚淦鞯膰娍着c空氣的流向相反，使天然氣與空氣充分混合。
2.3.4 電子控制單元
ECU是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的控制核心，它接受8個(gè)傳感器的信息，通過(guò)計(jì)算分析處理后，向柴油油量控制器及氣體流量閥等主要執(zhí)行器發(fā)出指令，控制雙燃料狀態(tài)下的柴油量以及燃?xì)獾牧髁?，進(jìn)而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。ECU具有故障自診斷功能。當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)時(shí)，ECU自動(dòng)記錄錯(cuò)誤信息，并將錯(cuò)誤代碼在控制面板上顯示出來(lái)。它可自動(dòng)記錄天然氣流量、柴油流量天然氣溫度和壓力、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力等3O余個(gè)參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，并進(jìn)行分析。
2.3.5 油門(mén)位置傳感器
油門(mén)位置信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)是決定燃料MAP和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度MAP的主要參數(shù)。油門(mén)位置傳感器固定在噴油泵的油門(mén)操縱桿上，并通過(guò)油門(mén)拉線與油門(mén)踏板連接，由駕駛員直接控制。ECU根據(jù)它的信號(hào)確定天然氣、空氣和柴油的供給量。
2.3.6 柴油油量控制器
柴油油量控制器安裝在噴油泵的后端。發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料工作狀態(tài)時(shí)，ECU 按照其內(nèi)設(shè)定的燃料MAP，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的行程從而控制噴油泵齒條的位移量來(lái)控制在雙燃料工作狀態(tài)的柴油油量。在純柴油工作狀態(tài)時(shí)，柴油油量控制器不起作用，由噴油泵調(diào)速器直接控制發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油噴射量。
2.3.7 冷卻水溫度傳感器
冷卻水溫度傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的出水管上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度在65 c以上和轉(zhuǎn)速超過(guò)900 r／min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到雙燃料的工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器安裝在齒輪室罩蓋一飛輪殼上測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其信號(hào)是決定燃料MAP和節(jié)氣門(mén)開(kāi)度MAP的主要參數(shù)。
2.3.8 控制面板
控制面板固定在駕駛室內(nèi)的儀表板上?？刂泼姘迳嫌锌刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，還可以顯示雙燃料工作狀態(tài)下的天然氣替代率及氣瓶?jī)?nèi)的天然氣儲(chǔ)量。當(dāng)雙燃料工作狀態(tài)下出現(xiàn)故障時(shí)，控制面上的故障顯示燈就會(huì)提醒駕駛員，同時(shí)可以通過(guò)外接設(shè)備端口把故障的原因打印出來(lái)。
3. 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)整體改裝方案
本文是根據(jù)原機(jī)配備一套氣體供應(yīng)系統(tǒng),系統(tǒng)圖如圖3-1,雙燃料開(kāi)關(guān)控制器可以實(shí)現(xiàn)天然氣和柴油的切換,可以根據(jù)排氣溫度、進(jìn)氣壓力信號(hào)、油門(mén)開(kāi)度信號(hào)反饋來(lái)控制步進(jìn)電機(jī),控制天然氣的量,以確保天然氣和柴油在適當(dāng)?shù)谋壤逻M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)少量的柴油引燃工作。
混合器
步進(jìn)電機(jī)
天然氣
排氣溫度信號(hào)
發(fā)動(dòng)機(jī)
進(jìn)氣壓力信號(hào)
雙燃料控制器
油門(mén)開(kāi)度信號(hào)
油門(mén)
圖3-1 系統(tǒng)圖
3.2 柴油機(jī)改裝雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案
3.2.1 基本要求
總原則要達(dá)到以下的實(shí)際應(yīng)用效果：
(1) 低成本; (2) 合適的技術(shù)指標(biāo); (3) 實(shí)際操作使用性能。
(1) 低成本
從經(jīng)濟(jì)型角度看, 過(guò)高的成本改裝方案毫無(wú)市場(chǎng)應(yīng)用前景。成本主要包括雙燃料供給系統(tǒng)、改裝成本和使用維護(hù)成本。所以, 盡可能采用現(xiàn)有成熟技術(shù), 簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是降低成本的有效措施。
(2) 合適的技術(shù)指標(biāo)
雙燃料方案不可能解決所有問(wèn)題, 因此對(duì)于改裝的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)提出合適的技術(shù)指標(biāo)。一般而言, 要求大幅度降低碳煙排放, 經(jīng)濟(jì)性有所改善,而動(dòng)力性和操縱性能不應(yīng)有顯著下降。
(3) 實(shí)際操作性能
除了保證良好的過(guò)渡工況性能外，還應(yīng)不應(yīng)該改變司機(jī)人員的操作習(xí)慣。
3.2.2 改裝策略
考慮到結(jié)構(gòu)，不改變?cè)瓉?lái)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，將其改造成雙燃料，而不是單獨(dú)燃用氣體燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)如天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以根據(jù)市場(chǎng)情況而定，不必要求建立過(guò)多的天然氣加氣站。燃料系統(tǒng)的控制方式可以選擇電子控制，也可以選擇機(jī)械控制。電子控制的方式已經(jīng)在柴油機(jī)領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展, 但是對(duì)于機(jī)械控制的傳統(tǒng)柴油機(jī)還是不太適合, 而且昂貴的電控系統(tǒng)也造成改裝成本過(guò)于高昂。
還有一種簡(jiǎn)單的控制方式是電控加上機(jī)械, 這種方式在雙燃料狀態(tài)運(yùn)行時(shí)以少量柴油作為引燃油,柴油的量是固定的, 只控制天然氣供給量。這種方式難以優(yōu)化整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)的柴油/天然氣比。此外，該系統(tǒng)的成本還是很高的。簡(jiǎn)單的機(jī)械控制方案, 采用杠桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)將柴油供給量與油門(mén)相聯(lián)接。這種方式不能應(yīng)用于實(shí)際改裝，是由于其無(wú)法實(shí)現(xiàn)柔性控制天然氣-柴油比例。
基于上面的分析和討論, 確定改裝的策略是:非電控柴油機(jī)的改裝采用合適的機(jī)械控制方式的雙燃料供給系統(tǒng)。不以追求單純降低煙度或者柴油替代率為目標(biāo), 而是考慮實(shí)際的使用效果, 使得改裝后的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)滿足綜合的技術(shù)指標(biāo),并且具有良好的操作使用性能，當(dāng)然成本也應(yīng)該適當(dāng)?shù)氐忘c(diǎn)。因此, 提出一種以型板為特征的機(jī)械控制式雙燃料供給系統(tǒng)。
3.3 所選用的原始數(shù)據(jù)
圖3-2 所選用的柴油機(jī)
玉柴YC6M280
系列：YC6M
發(fā)動(dòng)機(jī)形式：立式、直列六缸、水冷、四沖程
最大輸出功率：206KW
額定功率轉(zhuǎn)速：2100RPM
最大扭矩：1180N.m
最大扭矩轉(zhuǎn)速：1600r/min
燃油消耗率：193g/kw.h
4. 系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計(jì)
4.1 柴油噴射系統(tǒng)
柴油機(jī)噴射系統(tǒng)與原柴油機(jī)的柴油噴射系統(tǒng)是基本相同的，如圖4-1是一種柴油噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。高壓柴油泵通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)后端的齒輪箱中的油泵驅(qū)動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)，油泵轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的1/2，發(fā)動(dòng)機(jī)工作相位與供油順序?qū)?yīng)為1-5-3-6-2-4，供油相位角由位于油泵驅(qū)動(dòng)軸上的提前器控制。高壓油泵輸出的高壓柴油通過(guò)高壓油管輸送到噴油器，在每個(gè)氣缸的壓縮上止點(diǎn)附近，在高壓柴油的壓力影響下，噴油器開(kāi)啟，柴油機(jī)的燃油噴入燃燒室。
圖 4-1 柴油噴射系統(tǒng)
柴油噴射系統(tǒng)中，柴油燃料噴射量控制機(jī)構(gòu)由兩套構(gòu)成，一種方式是位于油泵后端的油量執(zhí)行器(步進(jìn)電機(jī))，一種方式是原高壓油泵前端的調(diào)速器，兩套控制機(jī)構(gòu)都直接與油泵的油量控制齒條連接。兩者的差別在于油量執(zhí)行器僅僅與齒條端面接觸，只能夠減小齒條位置，不能夠增大。而調(diào)速器與齒條連接，既能增大齒條的位置，也能夠減小。
調(diào)速器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、油門(mén)位置開(kāi)度和增壓后空氣壓力控制油泵齒條位置，進(jìn)而控制柴油噴射量。油量執(zhí)行器受ECU控制，根據(jù)其指令動(dòng)作控制齒條位置，以純柴油狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，ECU停止油量執(zhí)行器動(dòng)作，油泵的工作特性與純柴油完全相同。在雙燃料狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，通過(guò)計(jì)算控制油量執(zhí)行器動(dòng)作，進(jìn)而控制齒條的位置。綜上所述，油量執(zhí)行器的作用是減小油量，因此，雙燃料狀態(tài)下的齒條位置將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同等發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的柴油機(jī)齒條位置。也就是說(shuō)，在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下，齒條位置同時(shí)受調(diào)速器和油量執(zhí)行器控制，但由于油量執(zhí)行器控制的齒條位置遠(yuǎn)小于調(diào)速器控制的齒條位置，實(shí)際上油泵的齒條位置由油量執(zhí)行器控制。
4.2 天然氣供給系統(tǒng)
為滿足上述改裝原則，所采取的技術(shù)方案是對(duì)原車結(jié)構(gòu)不作任何改動(dòng)，只在原車上增加一套天然氣供給系統(tǒng)。天然氣從進(jìn)氣管以預(yù)混合的方式進(jìn)入氣缸，并以簡(jiǎn)單的機(jī)械方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)各工況的天然氣供給量。
天然氣供給系統(tǒng)如圖4-2所示。天然氣由儲(chǔ)氣瓶經(jīng)手動(dòng)截止閥流至減壓器，在減壓器中，天然氣的壓力從20MPa降至一0. 1kPa +0. 05kPa，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水由一支路經(jīng)過(guò)減壓器，提供天然氣膨脹時(shí)所需的熱量以免減壓器產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。在柴油機(jī)進(jìn)氣管負(fù)壓作用下，膨脹后的天然氣經(jīng)負(fù)荷調(diào)節(jié)器進(jìn)入進(jìn)氣管上的文杜里混合器，并在此與空氣混合后被吸入氣缸，由噴入缸內(nèi)的柴油引燃。
圖4-2 天然氣供給系統(tǒng)
天然氣供給量隨柴油機(jī)負(fù)荷變化的調(diào)節(jié)由一個(gè)與柴油機(jī)油門(mén)相隨動(dòng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。負(fù)荷調(diào)節(jié)器由天然氣調(diào)節(jié)閥、型板等組成，它與柴油機(jī)油門(mén)之間依靠差動(dòng)拉桿連接，當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷增大時(shí)，油門(mén)增大，同時(shí)帶動(dòng)天然氣調(diào)節(jié)閥增大天然氣流量，當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷增大到某一數(shù)值時(shí)，柴油機(jī)油門(mén)被鎖死，柴油量維持不變，但差動(dòng)拉桿繼續(xù)帶動(dòng)天然氣調(diào)節(jié)閥從而進(jìn)一步增大天然氣供給量。這種天然氣與柴油的差動(dòng)供給的方法，在一定程度上改善了雙燃料汽車的低負(fù)荷燃料經(jīng)濟(jì)性。
天然氣供給量隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化的調(diào)節(jié)由文杜里混合器控制。文杜里喉口的真空度隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，此時(shí)天然氣的吸入量也相應(yīng)增加，從而保證了天然氣每循環(huán)供給量基本不變。
天然氣的供氣方式主要有以下兩種方式即缸外供氣和缸內(nèi)直接噴氣。
(1)缸外供氣主要包括缸外進(jìn)氣閥處噴射供氣和進(jìn)氣道混合器預(yù)混合供氣;進(jìn)氣道混合器預(yù)混合供氣又分為電控天然氣-柴油和機(jī)械控制天然氣-柴油兩種形式。電控式天然氣進(jìn)氣量和引燃柴油噴油量的大小都可獨(dú)立控制，為發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩儲(chǔ)備、降低排放提供了幫助，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜。機(jī)械式由于天然氣供給量和引燃柴油的供給量不能隨發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化而準(zhǔn)確地調(diào)整，天然氣替代率隨負(fù)荷的變化發(fā)生較大的變化?？傊?，缸外供氣由于柴油自燃的發(fā)火點(diǎn)多而且比電火花提供的能量大，可以點(diǎn)燃相當(dāng)稀的天然氣空氣混合氣，并且燃燒速度較快，所以發(fā)生爆燃的傾向減少，可以采用和柴油機(jī)一樣的壓縮比。這種雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率調(diào)節(jié)方式在較多的情況下是保持引燃油量一定，調(diào)節(jié)天然氣量來(lái)調(diào)節(jié)功率。
(2)缸內(nèi)直接噴氣主要包括缸內(nèi)高壓噴射供氣和低壓噴射供氣。90年代以來(lái)，人們開(kāi)始研制開(kāi)發(fā)缸內(nèi)供氣方式，其中低壓噴射主要用于壓縮比較低、在壓縮過(guò)程中噴射的點(diǎn)燃式氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上。高壓噴射主要用在壓縮比較高和壓縮終點(diǎn)噴射的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上。目前又有RAM調(diào)制柴油噴射的其他燃料發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)噴射系統(tǒng)，先將少量柴油噴入燃燒室一預(yù)噴射，柴油的自燃可確保在燃燒室中形成足夠的著火表面，以保證隨后的氣體燃料與空氣的混合氣著火。加拿大British Columbia大學(xué)提出了天然氣缸內(nèi)高壓直接噴射技術(shù)，如圖4-3所示，此系統(tǒng)柴油和天然氣共用一個(gè)噴射器，該噴射器與原柴油噴嘴的形成和尺寸完全一致，噴射時(shí)刻和噴射持續(xù)時(shí)間由電磁閥和液壓系統(tǒng)控制相結(jié)合，在接近壓縮終點(diǎn)時(shí)噴入微量引燃柴油作為點(diǎn)火燃料，隨后高壓噴入天然氣。缸內(nèi)噴射的好處在于有增壓的效果和避免了進(jìn)氣重疊期間損失天然氣，但是需要研制的柴油天然氣復(fù)合噴射器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)要求很高，目前只見(jiàn)于大缸徑固定式發(fā)動(dòng)機(jī)，尚未推廣普及。
1——柱塞 2——推桿 3——復(fù)位彈簧 4——混合腔 5——針閥 6——單向閥 7——引燃柴油流量閥 8——滑閥 9——電磁線圈
圖4-3油氣共用高壓噴射示意圖
4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料控制系統(tǒng)
4.3.1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料控制系統(tǒng)的分析
天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給系統(tǒng)可以采用機(jī)械控制方式或電子控制方式。機(jī)械控制的燃料供給系統(tǒng)改裝成本低、改裝工作量小、工作可靠性高, 對(duì)于目前國(guó)內(nèi)在用車的柴油機(jī)改造比較適用。
車用發(fā)動(dòng)機(jī)是在不斷變化的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下工作的。在低速低負(fù)荷時(shí), 天然氣燃燒不好, 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn), 影響車輛的正常行駛, 同時(shí)排氣中的污染物也會(huì)增加, 故此時(shí)需要用純柴油運(yùn)行; 當(dāng)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷高于某個(gè)限定狀態(tài)后供氣, 低于這個(gè)限定狀態(tài)停止供氣。因此在車輛運(yùn)行過(guò)程中油氣轉(zhuǎn)換非常頻繁,這些變換過(guò)程需要自動(dòng)進(jìn)行。另外, 在不能正常供氣時(shí),要求發(fā)動(dòng)機(jī)能迅速進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 不得影響車輛的正常行駛。我國(guó)目前在對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行雙燃料改造時(shí), 基本上是采用油氣分開(kāi)調(diào)整控制的方法。這一方法對(duì)于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究是可以的, 但對(duì)于在復(fù)雜路況上行駛的汽車采用這種燃料控制方法, 改裝工作量較大, 控制檢測(cè)單元多, 操作不方便, 原機(jī)調(diào)速器失去調(diào)速功能; 并且發(fā)動(dòng)機(jī)燃用純柴油和雙燃料時(shí),司機(jī)控制踏板的感覺(jué)差別較大, 不實(shí)用, 而且發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能很難滿足要求。因此, 對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行天然氣- 柴油雙燃料改造時(shí), 應(yīng)著重從提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能和簡(jiǎn)化改裝及操作使用入手。
4.3.2 燃料控制系統(tǒng)的控制原理及特點(diǎn)
天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4-4所示
發(fā)動(dòng)機(jī)
混合器
油氣切換、引燃油量控制
燃?xì)忾y
油 泵、 調(diào)速器
天然氣瓶
減壓閥
圖 4-4 燃料控制系統(tǒng)
在該控制系統(tǒng)中, 油泵、調(diào)速器、油氣切換、引燃油量控制裝置以及燃?xì)忾y集成為一體, 油泵齒條與燃?xì)忾y聯(lián)動(dòng)。
(1）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于純柴油狀態(tài)時(shí)
柴油機(jī)在改裝過(guò)程中, 將所要設(shè)計(jì)的燃料控制裝置與原機(jī)的油泵及調(diào)速器進(jìn)行相相連, 且不對(duì)原機(jī)的油泵及調(diào)速器的性能產(chǎn)生任何影響。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于純柴油狀態(tài)時(shí), 燃料控制裝置中的油氣切換及引燃油量控制部分不工作,關(guān)閉 減壓閥上的控制電磁閥,天然氣氣路被斷開(kāi)。司機(jī)根據(jù)所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)工況，通過(guò)控制踏板來(lái)控制燃油的供給, 使發(fā)動(dòng)機(jī)保持原機(jī)性能。
（2） 油氣的切換
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以雙燃料的狀態(tài)運(yùn)行時(shí), 司機(jī)只需要啟動(dòng)雙燃料運(yùn)行按鈕。這樣燃料控制裝置中的油氣切換及引燃油量控制部分就會(huì)開(kāi)始工作, 同時(shí)減壓閥上的控制電磁閥開(kāi)啟。引燃油量根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。踏板控制油泵齒條與燃?xì)忾y聯(lián)動(dòng), 根據(jù)需要的發(fā)動(dòng)機(jī)工況控制天然氣與引燃油的供給, 并調(diào)整其比例。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了操作的簡(jiǎn)便性以及工作的可靠性, 可以在任何發(fā)動(dòng)機(jī)工況下進(jìn)行油氣切換。
油氣切換如在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前進(jìn)行, 燃?xì)忾y的回動(dòng)機(jī)構(gòu)可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)所需要的油量, 為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)冒黑煙的現(xiàn)象，可以加入部分天然氣。在低速低負(fù)荷工況下, 司機(jī)控制燃油量依然是通過(guò)踏板調(diào)節(jié)的, 以保證發(fā)動(dòng)機(jī)良好的燃燒; 雖然此時(shí)已開(kāi)啟減壓閥上的控制電磁閥, 但仍要使燃?xì)忾y處于關(guān)閉狀態(tài)。在其它工況下, 調(diào)節(jié)天然氣量和引燃油量是通過(guò)踏板同時(shí)控制的。油氣切換如在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行, 引燃油量控制機(jī)構(gòu)可以快速地調(diào)整燃油量和天然氣量, 使發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)過(guò)渡到雙燃料運(yùn)行, 或者由雙燃料運(yùn)行工況過(guò)渡到純柴油運(yùn)行工況, 而不需要重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。
在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間, 任何原因引起天然氣突燃停止供氣時(shí), 通過(guò)氣路中的電動(dòng)傳感元件，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為純柴油運(yùn)轉(zhuǎn)的模式, 使其運(yùn)轉(zhuǎn)不間斷并保持扭矩的連續(xù)性。
4.4 天然氣儲(chǔ)存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
天然氣儲(chǔ)存系統(tǒng)包括氣瓶、瓶口閥、充氣閥、手動(dòng)關(guān)閉閥、高壓管線及高壓接頭、氣壓表等。這里主要設(shè)計(jì)了儲(chǔ)氣瓶、氣瓶閥、充氣閥、手動(dòng)關(guān)閉閥，對(duì)于高壓管線、氣壓表、相關(guān)傳感器等直接按國(guó)家規(guī)定選用。
5. 系統(tǒng)主要部件的設(shè)計(jì)
5.1 氣瓶設(shè)計(jì)
天然氣的儲(chǔ)氣瓶一直是天然氣汽車重要的專用裝置之一，它的成本約占天然氣汽車改裝總成本的30%~70%。
圖5-1 氣瓶
5.1.1 材料選擇
就目前使用的情況，氣瓶大體分二大類：第一類鋼或鋁合金金屬瓶；第二類復(fù)合材料儲(chǔ)氣瓶。合金金屬瓶，生產(chǎn)成本低，安全耐用，容積率高，但重容比大，重量大；復(fù)合材料瓶重容比小，重量輕，但生產(chǎn)成本高，價(jià)格貴。
就本設(shè)計(jì)而言，由于是改裝公交車，它上面空間大，對(duì)重量不太敏感，同時(shí)鋼制氣瓶在我國(guó)應(yīng)用廣泛，所以選擇鋼制氣瓶。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/17258-1998《汽車用壓縮天然氣鋼瓶》，按照標(biāo)準(zhǔn)中表2對(duì)瓶體材料的要求，綜合考慮選擇35CrMn的鋼合金。
5.1.2 儲(chǔ)氣壓力確定
依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/17258-1998的規(guī)定，天然氣儲(chǔ)氣瓶的設(shè)計(jì)壓力為。
它是綜合考慮到儲(chǔ)氣瓶的容重比以及天然氣加氣站運(yùn)行成本所確定的優(yōu)化結(jié)果。過(guò)高的儲(chǔ)氣壓力反而會(huì)導(dǎo)致氣瓶容積率比的下降及加氣站設(shè)備的成本和運(yùn)行管理費(fèi)用的升高。
5.1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前儲(chǔ)氣瓶按生產(chǎn)工藝制造不同分三類：無(wú)縫鋼管兩端收口，尾部成凸?fàn)?；無(wú)縫鋼管兩端收口，兩端成管狀；由鋼坯直接沖壓而成。
由于公交車用儲(chǔ)氣瓶對(duì)其形狀沒(méi)有特別要求，考慮到工廠生產(chǎn)情況，形狀的復(fù)雜程度，以及生產(chǎn)工藝，選擇無(wú)縫鋼管兩端收口，尾部為凸?fàn)畹男螤睢?
如5-2圖 氣瓶結(jié)構(gòu)
5.1.4 尺寸設(shè)計(jì)
綜合目前市場(chǎng)上的各種因素：如所，續(xù)駛里程，使用的儲(chǔ)氣瓶情況以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17258-1998，查標(biāo)準(zhǔn)中的表1，確定所設(shè)計(jì)氣瓶的公稱容積，公稱外徑。
(1） 氣瓶的壁厚
氣瓶壁厚應(yīng)滿足以下兩式 （5.1）
（5.2）
其中
S——鋼瓶筒體設(shè)計(jì)壁厚(mm)
——鋼瓶筒體外徑(mm)
——瓶體材料熱處理后的屈服應(yīng)力（MPa)
——水壓試驗(yàn)壓力（MPa）
由材料為35CrMo知 =440MPa
水壓試驗(yàn)壓力 （P為儲(chǔ)氣壓力）
取壁厚為10mm
（2）瓶口螺紋
根據(jù)GB8335-1998 《氣瓶專用螺紋》的規(guī)定，查標(biāo)準(zhǔn)中的表1選擇瓶口閥螺紋代號(hào)為PZ27.8的圓錐螺紋。
5.2截止閥的設(shè)計(jì)
氣瓶到燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器之間應(yīng)設(shè)置手動(dòng)關(guān)閉閥。當(dāng)天然氣汽車因加氣、修理、入庫(kù)停車時(shí)，用來(lái)截止儲(chǔ)氣瓶到減壓器之間的氣路聯(lián)接。
手動(dòng)關(guān)閉閥是天然氣系統(tǒng)安全可靠的關(guān)鍵部件，要求能夠做到快速“開(kāi)”和“關(guān)”，啟閉范圍應(yīng)為0.25~1.5圈，并清楚標(biāo)明“開(kāi)”和“關(guān)”的方向。手動(dòng)關(guān)閉閥應(yīng)安裝在易于操作的位置，閥體又不得直接安裝在駕駛室內(nèi)。
5.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1——閥體 2——閥芯 3——內(nèi)螺帽
4——密封膜片 5——外螺帽 6——閥桿 7——手輪
圖5-3 截止閥的結(jié)構(gòu)
手動(dòng)關(guān)閉閥實(shí)質(zhì)是截止閥。由上圖天然氣從A端進(jìn)入B端流出。當(dāng)旋傳手輪7時(shí)，可以截止或打開(kāi)氣瓶與燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器通路。用于截止天然氣的閥芯2端部設(shè)置有密封墊，使截止充分防止泄漏。在閥桿和內(nèi)螺帽之間安有密封膜片，防止在手動(dòng)關(guān)閉閥打開(kāi)時(shí)天然氣泄漏。
5.2.2閥桿的設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)的手動(dòng)充氣閥結(jié)構(gòu)，初步設(shè)計(jì)閥桿的最小直徑為12mm，取材料為1Cr13。
1 閥桿軸向力計(jì)算
閥桿軸向力
(5.3)
其中
——閥桿軸向力(N)
——密封力(N)
——介質(zhì)力(N)
密封力
(5.4)
由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)初定
閥座密封面平均直徑
閥座密封面寬度
又密封必需比壓 (p為儲(chǔ)氣壓力)
所以
介質(zhì)力
(5.5)
即
所以閥桿的最大軸向力
2 閥桿力矩計(jì)算
閥桿力矩
(5.6)
其中
——閥桿力矩()
——關(guān)閉時(shí)閥桿螺紋摩擦力矩()
——關(guān)閉時(shí)閥桿頭部與閥瓣接觸面的摩擦力矩()
關(guān)閉時(shí)閥桿螺紋摩擦力矩
(5.7)
由結(jié)構(gòu)初定關(guān)閉時(shí)閥桿螺紋的摩擦半徑
所以
關(guān)閉時(shí)閥桿頭部與閥瓣接觸面的摩擦力矩
(5.8)
由結(jié)構(gòu)知，閥桿頭部球面半徑
由閥桿材料知，閥桿材料彈性模數(shù)
所以
故截止閥力矩
3 閥桿強(qiáng)度校核
由閥桿材料為1Cr13 查得
許用拉伸應(yīng)力
許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
許用合成應(yīng)力
閥桿所受拉伸應(yīng)力
(5.9)
即
閥桿所受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
(5.10)
即
閥桿所受合力應(yīng)力
(5.11)
即
故滿足條件。
5.3 氣瓶閥的設(shè)計(jì)
瓶口閥是連接儲(chǔ)氣瓶和高壓管的部件，它由進(jìn)氣口、出氣口、手輪、安全裝置組成。
瓶口閥的作用是在必要時(shí)關(guān)閉儲(chǔ)氣瓶與高壓管間的通道。安全裝置為爆破片易熔塞組合式。當(dāng)遇到意外時(shí)，高溫將易熔合金熔化，高壓將爆破片爆破，使氣瓶?jī)?nèi)的高壓天然氣泄放，以保護(hù)氣瓶。由GB8337-1996《氣瓶用易熔合金塞》知，易熔合金熔化溫度為，爆破片公稱爆破壓力為水壓試驗(yàn)壓力，允差為。天然氣為可燃?xì)怏w，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)螺紋為左旋。
5.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的氣瓶閥結(jié)構(gòu)如5-4圖所示
1——閥體 2——安全閥 3——閥芯 4——內(nèi)閥帽
5——密封膜片 6——外閥帽 7——閥桿 8——手輪
如5-4圖 氣瓶閥結(jié)構(gòu)
A端與氣瓶相連接，B端連接高壓管。安全裝置2為爆破片易熔塞組合式，當(dāng)達(dá)到規(guī)定條件，爆破片爆破和易熔合金熔化，泄放天然氣來(lái)達(dá)到保護(hù)儲(chǔ)氣瓶的信作用。在必要時(shí)也可以扭轉(zhuǎn)手輪8截?cái)鄽馄颗c高壓管的通路。閥芯上設(shè)置有密封墊，使其通路充分截止。同時(shí)在閥桿頭部安在密封膜片，防止天然氣泄漏。
氣瓶閥與手動(dòng)關(guān)閉閥一樣都是截止閥，不同之處是氣瓶閥設(shè)計(jì)有安全裝置用來(lái)保護(hù)氣瓶。閥體在結(jié)構(gòu)有也些不同，氣瓶閥閥體進(jìn)口與氣瓶相接。所以閥桿設(shè)計(jì)與手動(dòng)關(guān)閉閥一樣。這里主要設(shè)計(jì)了安全裝置。
5.3.2泄放直徑校核
初步設(shè)計(jì)泄放直徑為。
達(dá)到安全泄放滿足條件
(5.12)
其中
W——設(shè)計(jì)泄放量()
——安全泄放量()
安全泄放量 (5.13)
式中
壓力源進(jìn)口管內(nèi)徑
介質(zhì)密度
介質(zhì)流速
所以
設(shè)計(jì)泄放量
(5.14)
式中
額定泄放系數(shù)
氣體特性系數(shù)
設(shè)計(jì)爆破面積
氣體摩爾質(zhì)量
氣體壓縮系數(shù)
進(jìn)氣口溫度
爆破壓力
所以
滿足條件。
5.4 充氣閥設(shè)計(jì)
充氣閥是安裝在汽車上，與加氣站售氣機(jī)的加氣槍連接后給車用氣瓶充裝天然氣裝置的總稱。它由進(jìn)氣接口、單向閥、防塵塞、輸氣接頭組成。它的作用是在加氣站儲(chǔ)存的高壓天然氣充裝到儲(chǔ)氣瓶組時(shí)，可靠的接通高壓充氣氣路；在充氣結(jié)束后，能可靠的封閉充氣口，防止天然氣從充氣口泄漏。
充氣閥結(jié)構(gòu)如5-5圖所示
1——防塵蓋 2——加氣口 3——單向閥
4——接頭 5——密封圈 6——泄放塞
如5-5圖 充氣閥結(jié)構(gòu)
當(dāng)儲(chǔ)氣瓶需要加氣時(shí)，首先拔出泄放塞放出泄漏的天然氣，再打開(kāi)防塵蓋，把加氣站里的加氣槍接到加氣口上充氣。在充氣閥旁連接儲(chǔ)氣瓶的端安有壓力表，用于查看氣瓶天然氣是否不足或是否充氣好。
為了保證不同加氣站之間加氣插頭的通用性，對(duì)加氣口的接口形狀和尺寸國(guó)家作了統(tǒng)一規(guī)定。根據(jù)QC/T245-1998壓縮天然氣汽車專用裝置和安裝要求的規(guī)定，天然氣裝置就設(shè)置單向閥或截止閥，加氣接頭采用直徑為12mm的插銷式結(jié)構(gòu)，并設(shè)置能密封系統(tǒng)壓力的防塵塞，防止氣體泄漏，在取出防塵塞前，就能泄壓。
5.5天然氣加熱器的設(shè)計(jì)
由于天然氣儲(chǔ)于高壓容器中，在天然氣的減壓過(guò)程中，其體積膨脹需吸收大量的熱，這一效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)天然氣供氣系統(tǒng)內(nèi)高凝點(diǎn)氣體凝結(jié)成冰狀，引起系統(tǒng)的堵塞，無(wú)法正常供氣。因此必須在天然氣減壓前給其加熱，提高溫度，使高凝點(diǎn)氣體不會(huì)降到凝結(jié)溫度之下，防止系統(tǒng)結(jié)冰堵塞。天然氣加溫器結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。
1——外殼 2——內(nèi)筒 3——墊塊 4——接頭
如5-6圖 天然氣加熱器
換熱元件為圓筒式結(jié)構(gòu)，筒內(nèi)壁加工有軸向金屬鋸齒形槽溝，擴(kuò)大換熱面積，外壁中部為凹形槽，它與加溫器外殼緊密配合形成加熱水腔。加溫水來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水，流向是從A到B，而天然氣則是從D到C，加溫水與天然氣流向相反是為了讓天然氣充氣加熱。同時(shí)在內(nèi)筒3內(nèi)設(shè)計(jì)有金屬片是為了增加與天然氣的接觸面積，更好的對(duì)天然氣加溫。在外殼上設(shè)計(jì)有放水口。
5.6 燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器
由天然氣的物化特性知，在氣態(tài)下天然氣的體積能量密度很低。為了提高天然氣汽車的一次充氣的行駛里程，車用天然氣壓縮到20MPa儲(chǔ)存到高壓氣瓶中。而發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，卻要求天然氣壓力降到1Mpa左右進(jìn)入噴射器中。因此天然氣供給系統(tǒng)中必須要有燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器。
燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器實(shí)質(zhì)是一種減壓器，它的作用是減壓和穩(wěn)壓。既要把高壓降到一定數(shù)值，又要使輸出壓力穩(wěn)定到一定范圍。
5.6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖5-7所示。
1——調(diào)節(jié)螺栓 2——閥蓋 3——調(diào)節(jié)彈簧 4——閥帽 5——彈簧墊片
6——密封膜片 7——閥瓣 8——閥座 9——閥體 10——閥座彈簧 11——安全閥閥蓋 12——安全閥閥座 13——安全閥彈簧
圖5-7 燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
5.6.2 閥口設(shè)計(jì)
（1） 天然氣質(zhì)量流的計(jì)算
燃油消耗率
最大功率
天然氣密度
燃油消耗量
又柴油的熱值
天然氣的熱值
所以若燃燒天然氣時(shí)，天然氣的消耗量
(5.2)
即
所以天然氣的流量
天然氣的質(zhì)量流
即 (5.4)
取
(2) 閥口參數(shù)設(shè)計(jì)
臨界壓力比
減壓比
流通面積
式中 進(jìn)口壓力 介質(zhì)系數(shù)
摩爾質(zhì)量 絕對(duì)溫度
壓縮比
取
故實(shí)際流通面積
閥瓣高度滿足條件
又閥口直徑
所以
取
所以設(shè)計(jì) 閥口直徑 閥瓣高度
6. 小結(jié)
本次論文主要是對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，大體的思路是在不改變?cè)胁裼蜋C(jī)的基礎(chǔ)上，加裝一套供氣系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中的主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。
在現(xiàn)在油價(jià)大漲的背景下，由于天然氣具有很好的替代率，因此雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有很好的應(yīng)用前景。
致謝
本課題在選題及研究過(guò)程中得到了老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。老師嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。老師多次詢問(wèn)研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開(kāi)拓研究思路、精心點(diǎn)撥，給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。
感謝我的指導(dǎo)老師以及教研室的各位老師，他們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣,他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪。
對(duì)各位老師的感激之情是無(wú)法用言語(yǔ)表達(dá)的。感謝熱動(dòng)教研室各位老師對(duì)我的教育培養(yǎng)。他們細(xì)心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究。在此，我要向諸位老師真誠(chéng)的說(shuō)一聲謝謝。也感謝我的同學(xué)們四年來(lái)對(duì)我學(xué)習(xí)和生活上的關(guān)心幫助。
時(shí)光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)時(shí)節(jié)。最后，感謝一切幫助支持我的人，謝謝你們讓我走好大學(xué)最后的一段路。
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