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摘 要
為了解決日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源危機的問題，開發(fā)了一種以天然氣和柴油為燃料的電控雙燃料發(fā)動機。它是在電控柴油機的基礎(chǔ)上改裝而成的，采用柴油引燃天然氣的方式來工作。由于只需另外加裝一套天然氣供給系統(tǒng)，適當(dāng)改變一下燃料供給策略，對原柴油機不必作什么改動，故改裝簡單、成本低。但改裝后天然氣替代率高，發(fā)動機排放性明顯改善。
本設(shè)計是在原YC6108電控柴油機的基礎(chǔ)上，設(shè)計安裝一套天然氣供給系統(tǒng)，并充分利用原柴油機上的電控系統(tǒng)，通過加裝相關(guān)傳感器，精確控制柴油引燃量和天然氣的供給量，來提高原發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性。具體來說，一方面分析了電控天然氣發(fā)動機燃料供給策略，對天然氣供給系統(tǒng)進行了整體設(shè)計；另一方面重點設(shè)計了天然氣供給系統(tǒng)的一些主要專用裝置，如：氣瓶、瓶口閥、手動關(guān)閉閥、充氣閥、燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器、加溫器等，對其它所需部件按國家標(biāo)準(zhǔn)進行了選用；同時還根據(jù)公交車車架，對天然氣供給系統(tǒng)布置與安裝進行了分析與設(shè)計。
關(guān)鍵詞： 柴油機； 天然氣； 雙燃料發(fā)動機； 供氣系統(tǒng)
Abstract
In order to solve the increasingly serious energy crisis and environmental pollution problems, we develop a electronically controlled dual-fuel engine natural for natural gas and diesel fuel. It is Modified by a electronically controlled engine, and work by diesel igniting the natural gas. We only add a natural gas supply system on the diesel engine, and give some appropriate changes in the fuel supply strategy, but the diesel engines emissions significantly improved.
We develop this electronically controlled dual-fuel engine on the basis of the YC6108 Diesel Engine. We make full use of the electronic control system on the diesel engine and precisely control the diesel and natural gas supply to improve the engine of the economy and emissions. On the one hand, we analyze fuel supply strategy, and design the gas supply system; On the other hand, we focused on the design of the gas supply system for some major installations, such as: the cylinder, the cylinder valve, filling gas Valves, gas pressure regulator, heating regulator, etc. We also design the gas supply system layout and installation under the bus frame.
Key words： Diesel engine; Natural gas; Dual-fuel diesel engine; Gas supply system
目 錄
1 前言 1
2 原始設(shè)計數(shù)據(jù) 2
2．1 柴油機數(shù)據(jù) 2
2．2 公交車數(shù)據(jù) 3
3 系統(tǒng)整體設(shè)計 4
3．1 控制原理設(shè)計 4
3．2 各部件功用 4
3．2．1 氣瓶 4
3．2．2 壓力調(diào)節(jié)器 5
3．2．3 氣體流量閥 5
3．2．4 中央控制器 5
3．2．5 油門位置傳感器 5
3．2．6 柴油油量控制器 5
3．2．7 冷卻水溫度傳感器 6
3．2．8 控制面板 6
4 儲氣系統(tǒng)設(shè)計 7
4．1 氣瓶設(shè)計 7
4．1．1 材料選擇 7
4．1．2 儲氣壓力確定 7
4．1．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 8
4．1．4 尺寸設(shè)計 8
4．2 手動關(guān)閉閥設(shè)計 9
4．2．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
4．2．1 閥桿設(shè)計 10
4．3 瓶口閥設(shè)計 13
4．3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
4．3．2 泄放直徑校核 14
4．4 充氣閥設(shè)計 15
4．5 其它部件選用 16
5 供給系統(tǒng)設(shè)計 17
5．1 燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器設(shè)計 17
5．1．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
5．1．2 閥口設(shè)計 18
5．1．3 密封膜片設(shè)計 20
5．1．4 彈簧設(shè)計 21
5．3 加溫器設(shè)計 25
5．3 其它部件選用 26
6 總體布置 27
6．1 氣瓶布置 27
6．2 氣瓶架設(shè)計校核 30
7 結(jié)束語 32
參考文獻 33
致 謝 34
32
1 前言
隨著社會發(fā)展，汽車保有量的不斷增多，由汽車導(dǎo)致的環(huán)境污染和能源危機的問題日益嚴(yán)重。為汽車尋找清潔而且豐富的替代燃料，從而提高發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性，已成為相關(guān)研究技術(shù)人員迫切需要解決的問題。天然氣繼煤碳、石油之后，作為三大能源之一。在煤碳、石油大量開采和耗盡下，天然氣的儲量顯得比較豐富。同時它具有使用、儲存方便，熱效率高，燃燒清潔等優(yōu)點，對天然氣的開發(fā)和使用受到各國重視。
用天然氣替代常規(guī)的汽油或柴油作為汽車燃料具有很多優(yōu)點。最大的好處在于環(huán)保方面，不但排放性能優(yōu)，而且汽車噪音也低；同時把傳統(tǒng)汽車改裝成天然氣汽車只需要在原發(fā)動機上加裝一套天然氣供給系統(tǒng)，改裝方便、成本低；此外，天然氣汽車安全性高。天然氣是一種高燃點的輕量氣體，在通常的溫度和壓力下比汽油更安全。天然氣本身無毒、無腐蝕性和非致癌的，即使泄漏也不會對土地或水形成威脅。在我國天然氣儲量相當(dāng)豐富。據(jù)統(tǒng)計我國天然氣總資源量約為５４萬億立方米，天然氣可采資源總量為14 ~ 22萬億立方米。天然氣資源總量列世界第五位、亞洲第一位。所以在我國發(fā)展天然氣汽車，開發(fā)天然氣發(fā)動機前景廣闊。
天然氣發(fā)動機發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：第一代產(chǎn)品是機械式，第二代屬于簡單閉環(huán)控制，第三代是采用電控噴射CNG技術(shù)。具體來說，天然氣發(fā)動機經(jīng)歷了從最先汽油機改裝到柴油機改裝，最后到專門根據(jù)天然氣特性設(shè)計發(fā)動機階段。同時燃料也經(jīng)歷了從雙用燃料、雙燃料到單用燃料過程。在這發(fā)展過程中，產(chǎn)生了許多技術(shù)，如：增壓中冷技術(shù)、燃燒稀燃技術(shù)、天然氣缸內(nèi)噴射技術(shù)、天然氣發(fā)動機閉環(huán)電控技術(shù)、天然氣零部件開發(fā)可靠性技術(shù)、天然氣催化器應(yīng)用技術(shù)等。
就目前我國天然氣發(fā)動機發(fā)展上看，大多是在原汽油發(fā)動機的基礎(chǔ)上加裝一套天然氣供給系統(tǒng)，開發(fā)成汽油-天然氣雙用發(fā)動機。控制形式多為機械式的，天然氣供給方式多為混合器預(yù)混合式。我們知道汽油—天然氣雙用發(fā)動機天然氣替代率低，同時機械式控制不精確的自身缺陷，混合器預(yù)混合式天然氣-空氣混合不均等原因，實際發(fā)動機排放性改善并不大。
鑒于以上情況和對城市環(huán)境造成很大污染的公交車大多很用柴油機，在柴油機的基礎(chǔ)上開發(fā)一款電控天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機。電控天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機是在原電控柴油機的基礎(chǔ)上，設(shè)計安裝一套天然氣供給系統(tǒng)，用少量柴油引燃天然氣來工作。充分利用柴油機上的電控系統(tǒng)，來精確控制柴油引燃量和天然氣的供給量。達到提高天然氣替代率，提高原發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性的目的。
2 原始設(shè)計數(shù)據(jù)
本設(shè)計在YC6108電控單體泵柴油機的基礎(chǔ)上開發(fā)一套天然氣供給系統(tǒng)，充分利用原有的電控系統(tǒng)，把原發(fā)動機改裝成電控天然氣發(fā)動機，并在使用這種發(fā)動機的公交車上對天然氣供給系統(tǒng)布置進行設(shè)計。
下面給出了設(shè)計時所用的柴油機和公交車的一些數(shù)據(jù)參數(shù)。
2．1 柴油機數(shù)據(jù)
圖 YC6108發(fā)動機
缸徑行程
額定功率/轉(zhuǎn)速
最大扭矩/轉(zhuǎn)速
外形尺寸
燃油消耗率
2．2 公交車數(shù)據(jù)
圖 2.2 公交車底盤
外形尺寸
百公里油耗 Q=27L
續(xù)駛里程 S=300km
整車質(zhì)量 M = 9740kg
前軸軸載質(zhì)量 M1 = 3270kg
后軸軸載質(zhì)量 M2 = 6470kg
軸距 L = 4700mm
車架參數(shù)
縱梁 異形鋼管
通橫梁 槽形鋼
外伸橫梁 槽形鋼
3 系統(tǒng)整體設(shè)計
設(shè)計的電控柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機是在原YC6108柴油機的基礎(chǔ)上開發(fā)而成，主要開發(fā)了雙燃料發(fā)動機的供氣系統(tǒng)。并設(shè)置了多種傳感器，充分應(yīng)用原發(fā)動機的電控系統(tǒng)，實現(xiàn)引燃柴油量和天然氣量的精確控制。
3．1 控制原理設(shè)計
設(shè)計的柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機采用電控單點噴氣控制方式，其供氣系統(tǒng)電子控制原理如下圖3.1所示。
圖 3.1 控制原理
設(shè)計的系統(tǒng)主要包括天然氣的儲氣系統(tǒng)、供給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。
由圖所示，天然氣由氣瓶通過高壓管流入壓力調(diào)節(jié)器。其間設(shè)置有充氣閥、手動關(guān)閉閥、壓力表等。然后，天然氣通過電磁閥進入氣體流量閥，由燃?xì)鈬娚淦鲊娙脒M氣道。在進氣道內(nèi)天然氣與空氣混合后流入進氣歧管，最后到達各氣缸內(nèi)。在汽車的一些部位安有傳感器，通過數(shù)據(jù)采集由中央控制器控制柴油和天然氣的供給量。
3．2 各部件功用
3．2．1 氣瓶
氣瓶儲存壓力為20Mpa的壓縮天然氣，在其后先后接有氣瓶閥、充氣閥、手動關(guān)閉閥及壓力表等。氣瓶閥在必要時封住瓶內(nèi)氣體及防止瓶內(nèi)壓力過高損壞氣瓶；充氣閥是在儲氣瓶內(nèi)壓力不足時向儲氣瓶內(nèi)充入天然氣；手動關(guān)閉閥是當(dāng)CNG汽車因加氣、修理、入庫停車時，用來截止氣瓶到燃?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天然氣是否加足。
3．2．2 壓力調(diào)節(jié)器
燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器可以將天然氣的壓力從20MPa降到0.5 Mpa左右，而且在壓力調(diào)節(jié)器上裝有壓力傳感器且與駕駛室內(nèi)控制面板相連，這樣在駕駛室內(nèi)即可通過壓力值了解氣瓶內(nèi)天然氣的儲量。在壓力調(diào)節(jié)器前分別安裝有加溫器和過濾器。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)動機出現(xiàn)故障或發(fā)動機熄火時，電磁閥自動切斷天然氣的供給。
3．2．3 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個傳感器分別測出容積室中天然氣的壓力和溫度。中央控制器(ECU)將實測天然氣壓力與存儲在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的噴射壓力噴入時進氣道內(nèi)，與空氣充分混合后進入氣缸。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。
3．2．4 中央控制器
ECU是YC6108雙燃料發(fā)動機的控制核心，它接受8個傳感器的信息，通過計算分析處理后，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)獾牧髁浚M而保證發(fā)動機的性能。ECU具有故障自診斷功能。當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)問時，ECU 自動記錄錯誤信息，并將錯誤代碼在控制面板上顯示出來。它可自動記錄天然氣流量、柴油流量天然氣溫度和壓力、進氣溫度、進氣壓力等3O余個參數(shù)隨時間變化的曲線，并進行分析。
3．2．5 油門位置傳感器
油門位置信號和轉(zhuǎn)速信號是決定燃料MAP和節(jié)氣門開度MAP的主要參數(shù)。油門位置傳感器固定在噴油泵的油門操縱桿上，并通過油門拉線與油門踏板連接，由駕駛員直接控制。ECU根據(jù)它的信號確定天然氣、空氣和柴油的供給量。
3．2．6 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)動機在雙燃料工作狀態(tài)時，ECU 按照其內(nèi)設(shè)定的燃料MAP，通過控制步進電機的行程從而控制噴油泵齒條的位移量來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，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)動機的柴油噴射量。
3．2．7 冷卻水溫度傳感器
冷卻水溫度傳感器安裝在發(fā)動機的出水管上，當(dāng)發(fā)動機冷卻水溫度在65 c以上和轉(zhuǎn)速超過900 r／min時，發(fā)動機自動轉(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量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，其信號是決定燃料MAP和節(jié)氣門開度MAP的主要參數(shù)。
3．2．8 控制面板
控制面板固定在駕駛室內(nèi)的儀表板上。控制面板上有控制發(fā)動機工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換開關(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內(nèi)的天然氣儲量。當(dāng)雙燃料工作狀態(tài)下出現(xiàn)故障時，控制面上的故障顯示燈就會提醒駕駛員，同時可以通過外接設(shè)備端口把故障的原因打印出來。
4 儲氣系統(tǒng)設(shè)計
天然氣儲氣系統(tǒng)包括氣瓶、瓶口閥、充氣閥、手動關(guān)閉閥、高壓管線及高壓接頭、氣壓表等。這里主要設(shè)計了儲氣瓶、氣瓶閥、充氣閥、手動關(guān)閉閥，對于高壓管線、氣壓表、相關(guān)傳感器等直接按國家規(guī)定選用。
4．1 氣瓶設(shè)計
CNG的儲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CNG汽車改裝總成本的30%~70%。
圖 4.1 氣瓶
4．1．1 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，價格貴。
就本設(shè)計而言，由于是改裝公交車，它上面空間大，對重量不太敏感，同時鋼制氣瓶在我國應(yīng)用廣泛，所以選擇鋼制氣瓶。依據(jù)國家標(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對瓶體材料的要求，綜合考慮選擇35CrMn的鋼合金。
4．1．2 儲氣壓力確定
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/17258-1998的規(guī)定，天然氣儲氣瓶的設(shè)計壓力為。
它是綜合考慮到儲氣瓶的容重比以及CNG加氣站運行成本所確定的優(yōu)化結(jié)果。過高的儲氣壓力反而會導(dǎo)致氣瓶容積率比的下降及加氣站設(shè)備的成本和運行管理費用的升高。
4．1．3 結(jié)構(gòu)設(shè)計
目前儲氣瓶按生產(chǎn)工藝制造不同分三類：無縫鋼管兩端收口，尾部成凸?fàn)?；無縫鋼管兩端收口，兩端成管狀；由鋼坯直接沖壓而成。
由于公交車用儲氣瓶對其形狀沒有特別要求，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，選擇無縫鋼管兩端收口，尾部為凸?fàn)畹男螤睢?
圖 4.2 氣瓶結(jié)構(gòu)
4．1．4 尺寸設(shè)計
結(jié)合目前市場用儲氣瓶情況，考慮到公交的續(xù)駛里程為300km，以及國家標(biāo)準(zhǔn)GB17258-1998，查標(biāo)準(zhǔn)中表1，確定所設(shè)計氣瓶的公稱容積，公稱外徑。
1 氣瓶壁厚
氣瓶壁厚應(yīng)滿足以下兩式
S=（ 1－ ） （4.1）
S≥ （4.2）
其中
S——氣瓶壁厚(mm)
——公稱外徑(mm)
——材料屈服應(yīng)力(MPa)
——水壓試驗壓力(MPa)
由材料為35CrMo知 = 440MPa
水壓試驗壓力 =P=×20≈33MPa (p為儲氣壓力)
所以
S=（ 1－ ）≈9 mm
S≥≈2.068 mm
綜上,取壁厚S為9mm。
2 瓶口螺紋
依據(jù)GB8335-1998 《氣瓶專用螺紋》規(guī)定，查標(biāo)準(zhǔn)中表1選擇瓶口閥螺紋代號為PZ27.8的圓錐螺紋。
4．2 手動關(guān)閉閥設(shè)計
氣瓶到燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器之間應(yīng)設(shè)置手動關(guān)閉閥。當(dāng)CNG汽車因加氣、修理、入庫停車時，用來截止儲氣瓶到減壓器之間的氣路聯(lián)接。
手動關(guān)閉閥是CNG系統(tǒng)安全可靠的關(guān)鍵部件，要求能夠做到快速“開”和“關(guān)”，啟閉范圍應(yīng)為0.25~1.5圈，并清楚標(biāo)明“開”和“關(guān)”的方向。手動關(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)。
圖 4.3 手動關(guān)閉閥
4．2．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
設(shè)計的手動關(guān)閉閥的結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。
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 4.4 手動關(guān)閉閥結(jié)構(gòu)
手動關(guān)閉閥實質(zhì)是截止閥。由上圖天然氣從A端進入B端流出。當(dāng)旋傳手輪7時，可以截止或打開氣瓶與燃?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，防止在手動關(guān)閉閥打開時天然氣泄漏。
4．2．1 閥桿設(shè)計
根據(jù)設(shè)計的手動充氣閥結(jié)構(gòu)，初步設(shè)計閥桿的最小直徑為12mm，取材料為1Cr13。
1 閥桿軸向力計算
閥桿軸向力
(4.3)
其中
——閥桿軸向力(N)
——密封力(N)
——介質(zhì)力(N)
密封力
(4.4)
由設(shè)計結(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為儲氣壓力)
所以
介質(zhì)力
(4.5)
即
所以閥桿的最大軸向力
2 閥桿力矩計算
閥桿力矩
(4.6)
其中
——閥桿力矩()
——關(guān)閉時閥桿螺紋摩擦力矩()
——關(guān)閉時閥桿頭部與閥瓣接觸面的摩擦力矩()
關(guān)閉時閥桿螺紋摩擦力矩
(4.7)
由結(jié)構(gòu)初定關(guān)閉時閥桿螺紋的摩擦半徑
所以
關(guān)閉時閥桿頭部與閥瓣接觸面的摩擦力矩
(4.8)
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
(4.9)
即
閥桿所受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
(4.10)
即
閥桿所受合力應(yīng)力
(4.11)
即
故滿足條件。
4．3 瓶口閥設(shè)計
瓶口閥是連接儲氣瓶和高壓管的部件，它由進氣口、出氣口、手輪、安全裝置組成。
瓶口閥的作用是在必要時關(guān)閉儲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，高溫將易熔合金熔化，高壓將爆破片爆破，使氣瓶內(nèi)的高壓天然氣泄放，以保護氣瓶。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壓力，允差為。天然氣為可燃?xì)怏w，按國家標(biāo)準(zhǔn)螺紋為左旋。
圖 4.5 氣瓶閥
4．3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
設(shè)計的氣瓶閥結(jié)構(gòu)如圖4.6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
圖 4.6 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)達到規(guī)定條件，爆破片爆破和易熔合金熔化，泄放天然氣來達到保護儲氣瓶的信作用。在必要時也可以扭轉(zhuǎn)手輪8截斷氣瓶與高壓管的通路。閥芯上設(shè)置有密封墊，使其通路充分截止。同時在閥桿頭部安在密封膜片，防止天然氣泄漏。
氣瓶閥與手動關(guān)閉閥一樣都是截止閥，不同之處是氣瓶閥設(shè)計有安全裝置用來保護氣瓶。閥體在結(jié)構(gòu)有也些不同，氣瓶閥閥體進口與氣瓶相接。所以閥桿設(shè)計與手動關(guān)閉閥一樣。這里主要設(shè)計了安全裝置。
4．3．2 泄放直徑校核
初步設(shè)計泄放直徑為。
達到安全泄放滿足條件
(4.12)
其中
W——設(shè)計泄放量()
——安全泄放量()
安全泄放量
(4.13)
式中
壓力源進口管內(nèi)徑
介質(zhì)密度
介質(zhì)流速
所以
設(shè)計泄放量
(4.14)
式中
額定泄放系數(shù)
氣體特性系數(shù)
設(shè)計爆破面積
氣體摩爾質(zhì)量
氣體壓縮系數(shù)
進氣口溫度
爆破壓力
所以
滿足條件。
4．4 充氣閥設(shè)計
充氣閥是安裝在汽車上，與加氣站售氣機的加氣槍連接后給車用氣瓶充裝CNG裝置的總稱。它由進氣接口、單向閥、防塵塞、輸氣接頭組成。它的作用是在加氣站儲存的高壓天然氣充裝到儲氣瓶組時，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。
圖 4.7 加氣裝置
充氣閥結(jié)構(gòu)如圖4.8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
圖 4.8 加氣口結(jié)構(gòu)
當(dāng)儲氣瓶需要加氣時，首先拔出泄放塞放出泄漏的天然氣，再打開防塵蓋，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，對加氣口的接口形狀和尺寸國家作了統(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。
4．5 其它部件選用
高壓管線采用不銹鋼無縫鋼管或其它車用高壓天然氣專用管線。根據(jù)目前國內(nèi)使用的情況選用φ8的1Cr18Ni9Ti不銹鋼無縫鋼管。
高壓管接頭根據(jù)國家規(guī)定要用選用符合GB3765-1993《卡套式管接頭技術(shù)條件》的卡套式管接頭，它由接頭體、卡套和壓緊螺母組成。
選用的壓力表量程應(yīng)儲氣系統(tǒng)公稱工作壓力的1.5~2倍，其性能應(yīng)符合ZBN11001和QC/T8的有關(guān)規(guī)定。
各種傳感器等按國家相關(guān)規(guī)定外購選用。
5 供給系統(tǒng)設(shè)計
供給系統(tǒng)包括：加溫器、過濾器、燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器、流量控制器、噴射器等。本設(shè)計主要設(shè)計了加溫器和燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器，對過濾器、流量控制器、噴射器及相關(guān)傳感器直接選用。
5．1 燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器設(shè)計
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儲存到高壓氣瓶中。而發(fā)動機在工作時，卻要求天然氣壓力降到1Mpa左右進入噴射器中。因此天然氣供給系統(tǒng)中必須要有燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器。
圖 5.1 燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器
燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器實質(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。
5．1．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
設(shè)計的燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖5.2所示。
1——閥體 2——閥帽 3——密封膜片 4——調(diào)節(jié)彈簧 5——閥蓋
6——調(diào)節(jié)螺桿 7——閥瓣 8——閥座 9——閥座彈簧 10——安全閥
圖 5.2 燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)
20MPa的壓縮天然氣從A進入減壓閥，從B流出就降到0.5MPa。通過調(diào)節(jié)彈簧和閥座彈簧的平衡作用，保證輸入壓力始終在0.5MPa。在出口處設(shè)置有安全閥，防止減壓閥壓力過大，保護減壓器。在調(diào)節(jié)彈簧和閥瓣之間安有密封膜片，防止天然氣泄漏。
5．1．2 閥口設(shè)計
１ 天然氣質(zhì)量流計算
已知
燃油消耗率
最大功率
天然氣密度
故燃油消耗量
(5.1)
即
又柴油的熱值
天然氣的熱值
所以若燃燒天然氣時，天然氣的消耗量
(5.2)
即
所以天然氣的流量
(5.3)
即
天然氣的質(zhì)量流
即 (5.4)
取
2 閥口參數(shù)設(shè)計
因為臨界壓力比
減壓比
所以流通面積
(5.5)
式中
進口壓力
介質(zhì)系數(shù)
摩爾質(zhì)量
絕對溫度
壓縮比
所以
取
故實際流通面積
閥瓣高度滿足條件
(5.6)
(5.7)
又閥口直徑
所以
取
所以設(shè)計 閥口直徑 閥瓣高度
5．1．3 密封膜片設(shè)計
1 材料選擇
由于燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器為高壓閥，承受壓力大，故選擇其材料為1Cr18Ni9Ti，查得其許用應(yīng)力。
2 應(yīng)力校核
膜片所受的最大應(yīng)力
(5.8)
其中
材料的彈性模數(shù)
膜片的厚度
膜片的有效直徑
所以
滿足要求。
5．1．4 彈簧設(shè)計
1 材料選擇
根據(jù)經(jīng)驗初步選擇彈簧材料為50CrVA，又因減壓閥的工作情況知，其承受的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)多，故彈簧為I 類彈簧。查資料得彈簧的相關(guān)參數(shù)：
切變模量 彈性模數(shù) 許用應(yīng)力
2 尺寸設(shè)計
根據(jù)減壓閥的結(jié)構(gòu)，初步選擇彈簧參數(shù)如下：
調(diào)節(jié)彈簧
彈簧中徑 鋼絲直徑 彈簧變形量
閥座彈簧
彈簧中徑 鋼絲直徑 彈簧變形量
安全閥彈簧
彈簧中徑 鋼絲直徑 彈簧變形量
對密封膜片受力分析如圖5.3所示。
——調(diào)節(jié)彈簧作用力 ——閥座彈簧作用力 ——介質(zhì)作用力
圖5.3 密封膜片受力
由圖知
(5.9)
設(shè)閥座彈簧的彈簧剛度
則
故
所以調(diào)節(jié)彈簧剛度
安全閥彈簧作用力
(5.10)
其中
泄放壓力
有效面積
所以
安全閥彈簧剛度
3 彈簧強度校核
鋼絲直徑
(5.11)
其中
K——曲度系數(shù)
C——旋繞比
F——彈簧受最大力(N)
——彈簧許用應(yīng)力(N)
旋繞比
(5.12)
曲度系數(shù)
(5.13)
對調(diào)節(jié)彈簧
旋繞比
即曲度系數(shù)
所以
滿足條件。
對閥座彈簧
旋繞比
即曲度系數(shù)
所以
滿足條件。
對于安全閥彈簧
旋繞比
即曲度系數(shù)
故
滿足要求。
４ 彈簧其它參數(shù)設(shè)計選擇
彈簧的有效圈數(shù)
(5.14)
對于閥座彈簧
取支承圈數(shù)
則總?cè)?shù)
故取彈簧自由高度
則壓縮高度
對于調(diào)節(jié)彈簧
取
取支承圈數(shù)
則總?cè)?shù)
故取彈簧自由高度
則壓縮高度
對于安全閥彈簧
彈簧有效圈數(shù)
取支承圈數(shù)
則總?cè)?shù)
取彈簧自由高度
則壓縮高度
表5.1 減壓調(diào)節(jié)器所選用彈簧各參數(shù)表
彈
簧
種
類
彈
簧
參
數(shù)
彈簧中徑
鋼絲直徑
變形量
自由高度
壓縮高度
調(diào)節(jié)彈簧
30
5
5
45
40
閥座彈簧
14
2
2
20
18
安全閥彈簧
6
1
2
15
13
5．3 加溫器設(shè)計
由于天然氣儲于高壓容器中，在天然氣的減壓過程中，其體積膨脹需吸收大量的熱，這一效應(yīng)會導(dǎo)致整個天然氣供氣系統(tǒng)內(nèi)高凝點氣體凝結(jié)成冰狀，引起系統(tǒng)的堵塞，無法正常供氣。因此必須在天然氣減壓前給其加熱，提高溫度，使高凝點氣體不會降到凝結(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5.4所示。
1——外殼 2——內(nèi)筒 3——墊塊 4——接頭
圖 5.4 加溫器
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。加溫水來自發(fā)動機的冷卻水，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。同時在內(nèi)筒3內(nèi)設(shè)計有金屬片是為了增加與天然氣的接觸面積，更好的對天然氣加溫。在外殼上設(shè)計有放水口。
5．3 其它部件選用
為便于過濾器能濾除CNG中的顆粒物質(zhì)而又不影響天然氣的供給，并易于檢查和清洗，直接加裝獨立的過濾器。
低壓氣軟管及循環(huán)水軟管采用有襯里的耐油夾膠管，試驗壓力為工作壓力的2倍，破裂壓力不小于工作壓力的4倍。
燃?xì)鈬娚淦鞯男阅軆?yōu)劣直接影響燃料的噴射質(zhì)量，從而影響發(fā)動機的性能。選擇的燃?xì)鈬娚淦饕笥辛己玫膭討B(tài)響應(yīng)特性、高溫特性、良好的安全性，具有高壓逆止作用。
氣體流量閥是控制天然氣量的核心部件，它是由步進電機來驅(qū)動控制閥。選用的氣體流量閥，應(yīng)滿足控制精度高、相關(guān)傳感器安裝方便的要求。
電磁閥及其它相關(guān)傳感器按規(guī)定要求外購。
6 總體布置
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T19240-2003《壓縮天然氣汽車專用裝置的安裝要求》，天然氣供給系統(tǒng)在汽車上的布置，各部件應(yīng)布置合理、簡潔、便于安裝操作和維修；系統(tǒng)安裝后，基本不影響原車行駛性能和通過性能；改裝后汽車總質(zhì)量增加分?jǐn)?shù)不超過5%，前軸、后軸負(fù)荷增加的百分比不超過5%。
天然氣供給系統(tǒng)的安裝，其中氣瓶的布置和氣瓶架的固定是重點，其它部件根據(jù)線路走向和按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T19240-2003要求合理布置。
6．1 氣瓶布置
６．１．１ 氣瓶數(shù)量確定
氣瓶數(shù)量的估算式為
N= (6.1)
其中
N——氣瓶數(shù)量（個）
S——續(xù)駛里程（km）
Q——百公里油耗（L）
q——氣瓶的容積（L）
已知所選用公交車
百公里油耗 Q=27L
續(xù)駛里程 S=300km
又所設(shè)計氣瓶為CNP20-60-267A
故氣瓶容積 q=60L
所以儲氣瓶個數(shù)
N = = 6.3
取 N=6
即氣瓶的個數(shù)為6個。
６．１．２ 氣瓶布置校核
設(shè)計的氣瓶在車架上初步布置如下圖6.1所示。
圖 6.1 氣瓶布置
把汽車簡化成一根桿，對汽車進行受力分析，并以前軸形成的點為原點作一維坐標(biāo)系，如圖6.2所示。
——前軸載荷 ——后軸載荷 ——汽車重量 ——x坐標(biāo)軸
圖 6.2 車架受力圖
所以汽車的質(zhì)心
Xc = (6.2)
Xc = = = ≈3122 mm
改裝后汽車質(zhì)心為
= (6.3)
式中
——每個儲氣瓶組的質(zhì)量（kg）
Xi——每個儲氣瓶組的質(zhì)心坐標(biāo)（mm）
M——原車整車質(zhì)量（kg）
Xc——原車整車質(zhì)心坐標(biāo)（mm）
每個氣瓶質(zhì)量
故每個氣瓶組質(zhì)量
每個氣瓶組的坐標(biāo)
所以
=≈ 3156 mm
改裝后汽車的最大裝載量
后軸 (6.4)
即 =≈6834.9kg
所以前軸
改裝后汽車軸荷所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)
前軸 (6.5)
即
所以后軸
改裝后增加質(zhì)量所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)
后軸 (6.6)
即
前軸 (6.7)
即
質(zhì)心 (6.8)
即
滿足要求。
表 6.1 改裝前后汽車質(zhì)量計算結(jié)果
載荷類型
改裝前柴油汽車(kg)
改裝后天然氣車(kg)
改裝后軸荷所占分?jǐn)?shù)(%)
改裝后增加量所占分?jǐn)?shù)(%)
整備質(zhì)量
6420
6858
裝載質(zhì)量
3320
3320
總質(zhì)量
9740
10178
4.5
最大
裝載量
前軸
3270
3343.1
32.8
2.2
后軸
6470
6834.9
67.2
5
6．2 氣瓶架設(shè)計校核
圖 6.3 氣瓶架
根據(jù)設(shè)計的氣瓶架的結(jié)構(gòu)，初步選M20普通螺栓。
螺栓材料為低碳鋼
抗拉極限
屈服極限
對螺栓受力分析
由于一個氣瓶組由兩個氣瓶組成，一個氣瓶組前后用兩個氣瓶架固定，
所以各個螺栓的受力
(6.8)
其中
氣瓶組的重力
即
螺栓受到的拉應(yīng)力
(6.9)
其中
螺栓橫截面積
所以
滿足條件。
7 結(jié)束語
本次設(shè)計是把電控柴油機改裝成電控柴油／天然氣雙燃料發(fā)動機。主要分析了柴油和天然氣控制策略，重點設(shè)計了天然氣供給系統(tǒng)的一些關(guān)鍵部件，同時設(shè)計了天然氣供給系統(tǒng)的布置情況。
由電控柴油機改裝的電控雙燃料發(fā)動機，天然氣的替代率高，柴油、天然氣量能按汽車行駛情況和發(fā)動機工況精確控制，故能很好的提高發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性。但同時也應(yīng)看到，本設(shè)計沒有對供給發(fā)動機的空氣量進行精確控制，所以空氣和天然氣的空燃比并非是更優(yōu)的。
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