天然气电控发动机设计【2013年最新整理毕业论文】

I 摘 要 为了解决日益严重的环境污染和能源危机的问题，开发了一种以天然气和柴油为燃料的电控双燃料发动机。它是在电控柴油机的基础上改装而成的，采用柴油引燃天然气的方式来工作。由于只需另外加装一套天然气供给系统，适当改变一下燃料供给策略，对原柴油机不必作什么改动，故改装简单、成本低。但改装后天然气替代率高，发动机排放性明显改善。 本设计是在原 YC6108 电控柴油机的基础上，设计安装一套天然气供给系统，并充分利用原柴油机上的电控系统，通过加装相关传感器，精确控制柴油引燃量和天然气的供给量，来提高原发动机的经济 性和排放性。具体来说，一方面分析了电控天然气发动机燃料供给策略，对天然气供给系统进行了整体设计；另一方面重点设计了天然气供给系统的一些主要专用装置，如：气瓶、瓶口阀、手动关闭阀、充气阀、燃气压力调节器、加温器等，对其它所需部件按国家标准进行了选用；同时还根据公交车车架，对天然气供给系统布置与安装进行了分析与设计。 关键词： 柴油机； 天然气； 双燃料发动机； 供气系统 II 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 III 目 录 1 前言 . 1 2 原始设计数据 . 2 2 1 柴油机数据 . 2 2 2 公交车数据 . 3 3 系统整体设计 . 4 3 1 控制原理设计 . 4 3 2 各部件功 用 . 4 3 2 1 气瓶 . 4 3 2 2 压力调节器 . 5 3 2 3 气体流量阀 . 5 3 2 4 中央控制器 . 5 3 2 5 油门位置传感器 . 5 3 2 6 柴油油量控制器 . 5 3 2 7 冷却水温度传感器 . 6 3 2 8 控制面板 . 6 4 储气系统设计 . 7 4 1 气瓶设计 . 7 4 1 1 材料选择 . 7 4 1 2 储气压力确定 . 7 4 1 3 结构设计 . 8 4 1 4 尺寸设计 . 8 4 2 手动关闭阀设计 . 9 4 2 1 结构设计 . 9 4 2 1 阀杆设计 . 10 4 3 瓶口阀设计 . 13 4 3 1 结构设计 . 13 4 3 2 泄放直径校核 . 14 4 4 充气阀设计 . 15 4 5 其它部件选用 . 16 5 供给系统设计 . 17 5 1 燃气压力调节器设计 . 17 5 1 1 结构设计 . 17 5 1 2 阀口设计 . 18 5 1 3 密封膜片设计 . 20 5 1 4 弹簧设计 . 21 5 3 加温器设计 . 25 5 3 其它部件 选用 . 26 6 总体布置 . 27 6 1 气瓶布置 . 27 6 2 气瓶架设计校核 . 30 IV 7 结束语 . 32 参考文献 . 33 致 谢 .错误 !未定义书签。 1 1 前言 随着社会发展，汽车保有量的不断增多，由汽车导致的环境污染 和能源危机的问题日益严重。为汽车寻找清洁而且丰富的替代燃料，从而提高发动机的经济性和排放性，已成为相关研究技术人员迫切需要解决的问题。天然气继煤碳、石油之后，作为三大能源之一。在煤碳、石油大量开采和耗尽下，天然气的储量显得比较丰富。同时它具有使用、储存方便，热效率高，燃烧清洁等优点，对天然气的开发和使用受到各国重视。 用天然气替代常规的汽油或柴油作为汽车燃料具有很多优点。最大的好处在于环保方面，不但排放性能优，而且汽车噪音也低；同时把传统汽车改装成天然气汽车只需要在原发动机上加装一套天然气供给系统，改装方便 、成本低；此外，天然气汽车安全性高。天然气是一种高燃点的轻量气体，在通常的温度和压力下比汽油更安全。天然气本身无毒、无腐蚀性和非致癌的，即使泄漏也不会对土地或水形成威胁。 在我国天然气储量相当丰富。据统计我国 天然气总资源量约为 万 亿 立方米 ， 天然气可采资源总量为14 22 万亿立方米。天然气资源总量列世界第五位、亚洲第一位。 所以在我国发展天然气汽车，开发天然气发动机前景广阔。 天然气发动机发展大致经历了三个阶段： 第一代产品是机械式，第二代属于简单闭环控制，第三代是采用电控喷射 CNG 技术。 具体来说，天然气发动 机经历了从最先汽油机改装到柴油机改装，最后到专门根据天然气特性设计发动机阶段。同时燃料也经历了从双用燃料、双燃料到单用燃料过程。在这发展过程中，产生了许多技术，如： 增压中冷技术 、 燃烧稀燃技术 、 天然气缸内喷射技术、天然气发动机闭环电控技术 、 天然气零部件开发可靠性技术 、 天然气催化器应用技术 等。 就目前我国天然气发动机发展上看，大多是在原汽油发动机的基础上加装 一套天然气供给系统，开发成汽油 -天然气双用发动机。控制形式多为机械式的，天然气供给方式多为混合器预混合式。我们知道汽油 天然气双用发动机天然气替代率低，同时 机械式控制不精确的自身缺陷，混合器预混合式天然气 -空气混合不均等原因，实际发动机排放性改善并不大。 鉴于以上情况和对城市环境造成很大污染的公交车大多很用柴油机，在柴油机的基础上开发一款电控天然气 /柴油双燃料发动机。电控天然气 /柴油双燃料发动机是在原电控柴油机的基础上，设计安装一套天然气供给系统，用少量柴油引燃天然气来工作。充分利用柴油机上的电控系统，来精确控制柴油引燃量和天然气的供给量。达到提高天然气替代率，提高原发动机的经济性和排放性的目的。 全套资料带 CAD 图， QQ 联系 414951605 或 1304139763 2 2 原始设计数据 本设计在 YC6108 电控单体泵柴油机的基础上开发一套天然气供给系统，充分利用原有的电控系统，把原发动机改装成电控天然气发动机，并在使用这种发动机的公交车上对天然气供给系统布置进行设计。 下面给出了设计时所用的柴油机和公交车的一些数据参数。 2 1 柴油机数据 图 2.1 YC6108 发动机 缸径 行程 mmmm 125108 额 定功率 /转速 rpmkw 230/177 最大扭矩 /转速 rpmmN 1 60 0/8 00 外形尺寸 mmmmmm 1 0 7 57 8 01 2 5 2 燃油消耗率 hkwgbe /250 3 2 2 公交车数据 图 2.2 公交车底盘 外形尺寸 mmmmmm 3 1 0 02 4 0 08 5 0 0 百公里油耗 Q=27L 续驶里程 S=300km 整车质量 M = 9740kg 前轴轴载质量 M1 = 3270kg 后轴轴载质量 M2 = 6470kg 轴距 L = 4700mm 车架参数 纵梁 异形钢管 mmmmmm 5.4651 8 0 通横梁 槽形钢 mmmmmm 5602 2 0 外伸横梁 槽形钢 mmmmmm 560180 4 3 系统整体设计 设计的电控柴油 /天然气双燃料发动机是在原 YC6108 柴油机的基础上开发而成，主要开发 了双燃料发动机的供气系统。并设置了多种传感器，充分应用原发动机的电控系统，实现引燃柴油量和天然气量的精确控制。 3 1 控制原理设计 设计的柴油 /天然气双燃料发动机采用电控单点喷气控制方式，其供气系统电子控制原理如下图 3.1 所示。 图 3.1 控制原理 设计的系统主要包括天然气的储气系统、供给系统及控制系统。 由图所示，天然气由气瓶通过高压管流入压力调节器。其间设置有充气阀、手动关闭阀、压力表等。然后，天然气通过电磁阀进入气体流量阀，由燃气喷射 器喷入进气道。在进气道内天然气与空气混合后流入进气歧管，最后到达各气缸内。在汽车的一些部位安有传感器，通过数据采集由中央控制器控制柴油和天然气的供给量。 3 2 各部件功用 3 2 1 气瓶 气瓶储存压力为 20Mpa的压缩天然气，在其后先后接有气瓶阀、充气阀、手动关闭阀及压力表等。气瓶阀在必要时封住瓶内气体及防止瓶内压力过高损坏气瓶；充气阀是 5 在储气瓶内压力不足时向储气瓶内充入天然气；手动关闭阀是 当 CNG汽车因加气、修理、入库停车时，用来截止气瓶到燃气压力调节器之间的气路联接。压力表用于表针加气时天然气是 否加足。 3 2 2 压力调节器 燃气压力调节器可以将天然气的压力从 20MPa降到 0.5 Mpa左右，而且在压力调节器上装有压力传感器且与驾驶室内控制面板相连，这样在驾驶室内即可通过压力值了解气瓶内天然气的储量。在压力调节器前分别安装有加温器和过滤器。其中加温器是为了给天然气加热，以避免因天然气压力降低吸收热量而使压力调节器冻结。过滤器是为了滤除气体中的杂质，以避免减压器阀口被堵塞。燃气压力调节器后连接电磁阀，当发动机出现故障或发动机熄火时，电磁阀自动切断天然气的供给。 3 2 3 气体流量阀 气体流量 阀可精确控制双燃料工作状态下的燃气流量。其内有一小容积室，与燃气喷射器、天然气压力传感器和温度传感器相连， 2个传感器分别测出容积室中天然气的压力和温度。中央控制器 (ECU)将实测天然气压力与存储在 ECU内的目标压力值相比较，根据二者的差值调整容积室的容积，保证确的天然气喷射量。天然气以 1O 80 Mpa的喷射压力喷入时进气道内，与空气充分混合后进入气缸。燃气喷射器的喷孔与空气的流向相反，使天然气与空气充分混合。 3 2 4 中央控制器 ECU是 YC6108双燃料发动机的控制核心，它接受 8个传感器的信息，通 过计算分析处理后，向柴油油量控制器及气体流量阀等主要执行器发出指令，控制双燃料状态下的柴油量以及燃气的流量，进而保证发动机的性能。 ECU具有故障自诊断功能。当控制系统出现问时， ECU 自动记录错误信息，并将错误代码在控制面板上显示出来。它可自动记录天然气流量、柴油流量天然气温度和压力、进气温度、进气压力等 3O余个参数随时间变化的曲线，并进行分析。 3 2 5 油门位置传感器 油门位置信号和转速信号是决定燃料 MAP和节气门开度 MAP的主要参数。油门位置传感器固定在喷油泵的油门操纵杆上，并通过油门拉线与油门踏 板连接，由驾驶员直接控制。 ECU根据它的信号确定天然气、空气和柴油的供给量。 3 2 6 柴油油量控制器 柴油油量控制器安装在喷油泵的后端。发动机在双燃料工作状态时， ECU 按照其内 6 设定的燃料 MAP，通过控制步进电机的行程从而控制喷油泵齿条的位移量来控制在双燃料工作状态的柴油油量。在纯柴油工作状态时，柴油油量控制器不起作用，由喷油泵调速器直接控制发动机的柴油喷射量。 3 2 7 冷却水温度传感器 冷却水温度传感器安装在发动机的出水管上，当发动机冷却水温度在 65 c以上和转速超过 900 r min时，发动 机自动转换到双燃料的工作状态。转速传感器转速传感器安装在齿轮室罩盖一飞轮壳上测量发动机的转速，其信号是决定燃料 MAP和节气门开度 MAP的主要参数。 3 2 8 控制面板 控制面板固定在驾驶室内的仪表板上。控制面板上有控制发动机工作状态的转换开关，还可以显示双燃料工作状态下的天然气替代率及气瓶内的天然气储量。当双燃料工作状态下出现故障时，控制面上的故障显示灯就会提醒驾驶员，同时可以通过外接设备端口把故障的原因打印出来。 7 4 储气系统设计 天然气储气系统包 括气瓶、瓶口阀、充气阀、手动关闭阀、高压管线及高压接头、气压表等。这里主要设计了储气瓶、气瓶阀、充气阀、手动关闭阀，对于高压管线、气压表、相关传感器等直接按国家规定选用。 4 1 气瓶设计 CNG 的储气瓶一直是天然气汽车重要的专用装置之一，它的成本约占 CNG 汽车改装总成本的 30%70%。 图 4.1 气瓶 4 1 1 材料选择 就目前使用的情况，气瓶大体分二大类：第一类钢或铝合金金属瓶；第二类复合材料储气瓶。合金金属瓶，生产成本低，安全耐用，容积率高，但重容比大，重量大；复合材料瓶重容比小， 重量轻，但生产成本高，价格贵。 就本设计而言，由于是改装公交车，它上面空间大，对重量不太敏感，同时钢制气瓶在我国应用广泛，所以选择钢制气瓶。依据国家标准 GB/17258-1998汽车用压缩天然气钢瓶，按照标准中表 2 对瓶体材料的要求，综合考虑选择 35CrMn 的钢合金。 4 1 2 储气压力确定 根据国家标准 GB/17258-1998 的规定，天然气储气瓶的设计压力为 MPaP 20 。 它是综合考虑到储气瓶的容重比以及 CNG 加气站运行成本所确定的优化结果。过高的储气压力反而会导 致气瓶容积率比的下降及加气站设备的成本和运行管理费用的升高。 8 4 1 3 结构设计 目前储气瓶按生产工艺制造不同分三类：无缝钢管两端收口，尾部成凸状；无缝钢管两端收口，两端成管状；由钢坯直接冲压而成。 由于公交车用储气瓶对其形状没有特别要求，考虑到工厂生产情况，形状的复杂程度，以及生产工艺，选择无缝钢管两端收口，尾部为凸状的形状。 图 4.2 气瓶结构 4 1 4 尺寸设计 结合目前市场用储气瓶情况，考虑到公交的续驶里程为 300km，以及国家标准GB17258-1998，查标准中表 1，确定所设 计气瓶的公称容积 LL 60 ，公称外径mmD 2670 。 1 气瓶壁厚 气瓶壁厚应满足以下两式 S=2oD（ 1 1 .31 .3 30 .41 .3 3ehehPP ） （ 4.1） S 1250oD （ 4.2） 其中 S 气瓶壁厚 (mm) 0D 公称外径 (mm) e 材料屈服应力 (MPa) hP 水压试验压力 (MPa) 9 由材料为 35CrMo 知 e= 440MPa 水压试验压力 hP=53P=53 20 33MPa (p 为储气压力 ) 所以 S= 2672（ 1440 1 .3 3 31 .3 3440 0 .4 3 31 .3 3 ） 9 mm S 2671250 2.068 mm 综上 ,取壁厚 S 为 9mm。 2 瓶口螺纹 依据 GB8335-1998 气瓶专用螺纹规定，查标准中表 1 选择瓶口阀螺纹代号为PZ27.8 的圆锥螺纹。 4 2 手动关闭阀设计 气瓶到燃气压力调节器之间应设置手动关闭阀。当 CNG 汽车因加气、修理、入库停车时，用来截止储气瓶到 减压器之间的气路联接。 手动关闭阀是 CNG 系统安全可靠的关键部件，要求能够做到快速“开”和“关”，启闭范围应为 0.251.5 圈，并清楚标明“开”和“关”的方向。手动关闭阀应安装在易于操作的位置，阀体又不得直接安装在驾驶室内。 图 4.3 手动关闭阀 4 2 1 结构设计 设计的手动关闭阀的结构如图 4.4 所示。 10 1 阀体 2 阀芯 3 内螺帽 4 密封膜片 5 外螺帽 6 阀杆 7 手轮 图 4.4 手动关闭阀结构 手动关闭阀实质是截止阀。由上图天然气从 A 端进入 B 端流 出。当旋传手轮 7 时，可以截止或打开气瓶与燃气压力调节器通路。用于截止天然气的阀芯 2 端部设置有密封垫，使截止充分防止泄漏。在阀杆和内螺帽之间安有密封膜片，防止在手动关闭阀打开时天然气泄漏。 4 2 1 阀杆设计 根据设计的手动充气阀结构，初步设计阀杆的最小直径为 12mm，取材料为 1Cr13。 1 阀杆轴向力计算 阀杆轴向力 MJFZFZ QQQ (4.3) 其中 FZQ 阀杆 轴向力 (N) FZQ 密封力 (N) MJQ 介质力 (N) 密封力 MFmmpMF qbDQ (4.4) 由设计结构初定 阀座密封面平均直径 mmDmp 6 11 阀座密封面宽度 mmbm 2 又密封必需比压 pqMF 2 MPa40202 (p 为储气压力 ) 所以 NQ MF 1507402614.3 介质力 pDQ mpMJ 24 (4.5) 即 MJQ 206414.3 2 N565 所以阀杆的最大轴向力 MJFZFZ QQQ 5651507 N2072 2 阀杆力矩计算 阀杆力矩 FDFLF MMM (4.6) 其中 FM 阀杆力矩 ( mN ) FLM 关闭时阀杆螺纹摩擦力矩 ( mN ) FDM 关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力 矩 ( mN ) 关闭时阀杆螺纹摩擦力矩 FMFZFL RQM (4.7) 由结构初定关闭时阀杆螺纹的摩擦半径 mmRFM 10 所以 mmNM FL 20720102072 关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩 3 2132.0 E RQQM OFZFZFD (4.8) 由结构知，阀杆头部球 面半径 mmRO 15 12 由阀杆材料知，阀杆材料弹性模数 M P aE 310210 所以 3 310210 152 0 7 222 0 7 2132.0 FDM mmN 182 故截止阀力矩 FDFLF MMM mmN 2 0 9 0 21 8 22 0 7 2 0 3 阀杆强度校核 由阀杆材料为 1Cr13 查得 许用拉伸应力 MPa5.122 许用扭转应力 MPa5.73 许用合成应力 MPa147 阀杆所受拉伸应力 AQFZ (4.9) 即 22 dQAQ FZFZ M P a1821214.32 07 22 阀杆所受扭转应力 tFWM (4.10) 即 32.0 dMWM FtF M P a60122.0 20902 3 阀杆所受合力应力 22 4 (4.11) 即 22 4 M P a1216018 22 故满足条件。 13 4 3 瓶口阀设计 瓶口阀是连接储气瓶和高压管的部件，它由进气口、出气口、手轮、安全装置组成。 瓶口阀的作用是在必要时关闭储气 瓶与高压管间的通道。安全装置为爆破片易熔塞组合式。当遇到意外时，高温将易熔合金熔化，高压将爆破片爆破，使气瓶内的高压天然气泄放，以保护气瓶。由 GB8337-1996气瓶用易熔合金塞知，易熔合金熔化温度为 Co5100 ，爆破片公称爆破压力为水压试验压力hP，允差为 %5 。天然气为可燃气体，按国家标准螺纹为左旋。 图 4.5 气瓶阀 4 3 1 结构设计 设计的气瓶阀结构如图 4.6 所示。 1 阀体 2 安全阀 3 阀芯 4 内阀帽 5 密封膜片 6 外阀帽 7 阀杆 8 手轮 图 4.6 气瓶阀结构 A 端与气瓶相连接， B 端连接高压管。安全装置 2 为爆破片易熔塞组合式，当达到 14 规定条件，爆破片爆破和易熔合金熔化，泄放天然气来达到保护储气瓶的信作用。在必要时也可以扭转手轮 8 截断气瓶与高压管的通路。阀芯上设置有密封垫，使其通路充分截止。同时在阀杆头部安在密封膜片，防止天然气泄漏。 气瓶阀与手动关闭阀一样都是截止阀，不同之处是气瓶阀设计有安全装置用来保护气瓶。阀体在 结构有也些不同，气瓶阀阀体进口与气瓶相接。所以阀杆设计与手动关闭阀一样。这里主要设计了安全装置。 4 3 2 泄放直径校核 初步设计泄放直径为 mmd 4 。 达到安全泄放满足条件 sWW (4.12) 其中 W 设计泄放量 ( hkg/ ) sW 安全泄放量 ( hkg/ ) 安全泄放量 udW s 231083.2 (4.13) 式中 压力源进口管内径 mmd 20 介质密度 3/78.0 mkg 介质流速 smu /13 所以 1378.0201083.2 23 sW hkg /5.11 设计泄放量 ZTMCAPW 8.55 (4.14) 式中 额定泄放系数 62.0 气体特性系数 5.0C 设计爆破面积 22 dA 22 56.122414.3 mm 15 气体摩尔质量 kmolkgM /16 气体压缩系数 5.1Z 进气口温度 kT 300 爆破压力 MPaP 33 所以 3005.1163356.125.062.08.55W sWhkg /1352 满足条件。 4 4 充气阀设计 充气阀是安装在汽车上，与加气站售气机的加气枪连接后给车用气瓶充装 CNG 装置的总称。它由进气接口、单向阀、防尘塞、输气接头组成。它的作用是在加气站储存的高压天然气充装到储气瓶组时，可靠的接通高压充气气路；在充气结束后，能可靠的封闭充气口，防止天然气从充气口泄漏。 图 4.7 加气装置 充气阀结构如图 4.8 所示。 1 防尘盖 2 加气口 3 单向阀 4 接头 5 密封圈 6 泄放塞 图 4.8 加气口结构 16 当储气瓶需要加气时，首先拔出泄放塞放出泄漏的天然气，再打开防尘盖，把加气站里的加气枪接到加气口上充气。在充气阀旁连接储气瓶的端安有压力表，用于查看气瓶天然气是否不足或是否充气好。 为了保证不同加气站之间加气插头的通用性，对加气口的接口形状和尺寸国家作了统一规定。根据 QC/T245-1998 压缩天然气汽车专用装置和安装要求的规定，天然气装置就设置单向阀或截止阀，加气接头采用直径为 12mm的插销式结构，并设置能密封系统压力的防尘塞，防止气体泄漏，在取出防尘塞前，就能泄压。 4 5 其它部件选用 高压管线采用不锈钢无缝钢管或其它车用高压天然气专用管线。根据目前国内使用的情况选用 8 的 1Cr18Ni9Ti 不锈钢无缝钢管。 高压管接头根据国家规定要用选用符合 GB3765-1993卡套式管接头技术条件的卡套式管接头，它由接头体、卡套和压紧螺母组成。 选用的压力表量程应储气系统公称工作压力的 1.52 倍，其性能应符合 ZBN11001和 QC/T8 的 有关规定。 各种传感器等按国家相关规定外购选用。 17 5 供给系统设计 供给系统包括：加温器、过滤器、燃气压力调节器、流量控制器、喷射器等。本设计主要设计了加温器和燃气压力调节器，对过滤器、流量控制器、喷射器及相关传感器直接选用。 5 1 燃气压力调节器设计 由天然气的物化特性知，在气态下天然气的体积能量密度很低。为了提高天然气汽车的一次充气的行驶里程，车用天然气压缩到 20MPa 储存到高压气瓶中。而发动机在工作时，却要求天然气压力降到 1Mpa 左右进入喷射 器中。因此天然气供给系统中必须要有燃气压力调节器。 图 5.1 燃气压力调节器 燃气压力调节器实质是一种减压器，它的作用是减压和稳压。既要把高压降到一定数值，又要使输出压力稳定到一定范围。 5 1 1 结构设计 设计的燃气压力调节器结构如图 5.2 所示。 18 1 阀体 2 阀帽 3 密封膜片 4 调节弹簧 5 阀盖 6 调节螺杆 7 阀瓣 8 阀座 9 阀座弹簧 10 安全阀 图 5.2 燃气压力调节器结构 20MPa 的压缩天然气从 A 进入减压阀，从 B 流出就降 到 0.5MPa。通过调节弹簧和阀座弹簧的平衡作用，保证输入压力始终在 0.5MPa。在出口处设置有安全阀，防止减压阀压力过大，保护减压器。在调节弹簧和阀瓣之间安有密封膜片，防止天然气泄漏。 5 1 2 阀口设计 天然气质量流计算 已知 燃油消耗率 hkwgbe /250 最大功率 kwP 200 天然气密度 3/78.0 mkg 故燃油消耗量 1000PbB e (5.1) 即 1000PbB e hkg /501 0 0 02 0 02 5 0 19 又柴油的热值 kgJH /425 00 天然气的热值 kgJH /380001 所以若燃烧天然气时，天然气的消耗量 11 HBHB (5.2) 即 11 HBHB hkg /60380004250050 所以天然气的流量 36001BQ (5.3) 即 36001BQ sm /02 2.078.036 0060 3 天然气的质量流 QW 即 QW skg /01716.078.0022.0 (5.4) 取 skgW /02.0 2 阀口参数设计 因为临界压力比 1*12 kkk 5 2 8.014.12 14.1 4.1 减压比 11 pp *02 5.0205.0 所以流通面积 ZTMkkpWAkkjZ11122.91 (5.5) 式中 20 进口压力 MPapj 20 介质系数 6.0 摩尔质量 kmolkgM /16 绝对温度 kT 300 压缩比 5.1Z 所以 3005.11614.124.1206.002.02.9114.114.1ZA 207.4 mm 取 mmAZ 4 故实际流通面积 212433 mmAA ZZ 阀瓣 高度满足条件 TZZ DAH (5.6) 4TZ DH (5.7) 又阀口直径 mmDND T 485.05.0 所以 mmDAHTZZ 96.0414.3 12 mmDH TZ 1444 取 mmHZ 1 所以设计 阀口直径 mmDT 4 阀瓣高度 mmHZ 1 5 1 3 密封膜片设计 1 材料选择 由于燃气压力调节器为高压阀，承受压力大，故选择其材料为 1Cr18Ni9Ti，查得其 21 许用应力 MPa5.122 。 2 应力校核 膜片所受的最大应力 mmcm DEP 24 2 3.0 (5.8) 其中 材料的弹性模数 M PaE 5102.2 膜片的厚度 mmm 3.0 膜片的有效直径 mmDm 40 所以 3.0405.0102.24 2 3.0 25 m MPa2.82 满足要求。 5 1 4 弹簧设计 1 材料选择 根据经验初步选择弹簧材料为 50CrVA， 又因减压阀的工作情况知，其承受的循环应力次数多，故弹簧为 I 类弹簧。查资料得弹簧的相关参数： 切变模量 MPaG 31079 弹性模数 MPaE 310206 许用应力 MPap 445 2 尺寸设计 根据减压阀的结构，初步选择弹簧参数如下： 调节弹簧 弹簧中径 mmD 301 钢丝直径 mmd 51 弹簧变形量 mmf 51 阀座弹簧 弹簧中径 mmD 142 钢丝直径 mmd 22 弹簧 变形量 mmf 22 安全阀弹簧 弹簧中径 mmD 6 钢丝直径 mmd 1 弹簧变形量 mmf 2 22 对密封膜片受力分析如图 5.3 所示。 1F 调节弹簧作用力 2F 阀座弹簧作用力 N 介质作用力 图 5.3 密封膜片受力 由图知 21 FNF (5.9) 设阀座弹簧的弹簧刚度 mmNk /202 则 NfkF 40220222 故 NFNF 5004046021 所以调节弹簧刚度 111 fFk mmN /1005500 安全阀弹簧作用力 APF h (5.10) 其中 泄放压力 ch pP 35 M P a83.05.035 有效面积 NDA T 56.122414.3222 所以 NF 5.1056.1283.0 安全阀弹簧刚度 mmNfFk /25.52 5.10 23 3 弹簧强度校核 钢丝直径 pKCFd6.1 (5.11) 其中 K 曲度系数 C 旋绕比 F 弹簧受最大力 (N) p 弹簧许用应力 (N) 旋绕比 dDC (5.12) 曲度系数 CCCK 61 5.044 14 (5.13) 对调节弹簧 旋绕比 6530111 dDC 即曲度系数 25.11 K 所以 mmd 7.44 4 5 5 0 0625.16.11 满足条件。 对阀座弹簧 旋绕比 7214222 dDC 即曲度系数 21.12 K 所以 mmd 4.14 4 5 40725.16.12 满足条件。 24 对于安全阀弹簧 旋绕比 116 dDC 即曲度系数 25.1K 故 4 455.10625.16.1 d mm7.0 满足要求。 弹簧其它参数设计选择 弹簧的有效圈数 kDGdn 348 (5.14) 对于阀座弹簧 1314118 kDGdn 20148 21079343 3 取支承圈数 11n 则总圈数 111 nnn 13 4 故取弹簧自由高度 mmH 200 则压缩高度 mmfHH 18220201 对于调节弹簧 2324228 kDGdn 100308 51079343 3.2 取 5.22n 取支承圈数 12n 则总圈数 222 nnn 15.2 5.3 故取弹簧自由高度 mmH 500 则压缩高度 mmfHH 40545201 25 对于安全阀弹簧 弹簧有效圈数 kDGdn 348 25.168 11079 343 9 取支承圈数 1n 则总圈数 10 n 取弹簧自由高度 mmH 150 则压缩高度 mmfHH 1321501 表 5.1 减压调节器所选用弹簧各参数表 弹簧中径 )(mmD 钢丝直径 )(mmd 变形量 )(mmf 自 由高度 )(0 mmH 压缩高度 )(1 mmH 调节弹簧 30 5 5 45 40 阀座弹簧 14 2 2 20 18 安全阀弹簧 6 1 2 15 13 5 3 加温器设计 由于天然气储于高压容器中，在天然气的减压过程中，其体积膨胀需吸收大量的热，这一效应会导致整个天然气供气系统内高凝点气体凝结成冰状，引起系统的堵塞，无法正常供气。因此必须在天然气减压前给其加热，提高温度，使高凝点气体不会降到凝结温度之下，防止系统结冰堵塞 。天然气加温器结构如图 5.4 所示。 1 2 3 4A B5DC 1 外壳 2 内筒 3 垫块 4 接头 图 5.4 加温器 换热元件为圆筒式结构，筒内壁加工有轴向金属锯齿形槽沟，扩大换热面积，外壁中部为凹形槽，它与加温器外壳紧密配合形成加热水腔。加温水来自发动机的冷却水，流向是从 A 到 B，而天然气则是从 D 到 C，加温水与天然气流向相反是为了让天然气充气加热。同时在内筒 3 内设计有金属片是为了增加与天然气的接触面积，更好的对天然气加温。在外壳上设计有放水口。 弹 簧 种 类 弹 簧 参 数 26 5 3 其它部 件选用 为便于过滤器能滤除 CNG 中的颗粒物质而又不影响天然气的供给，并易于检查和清洗，直接加装独立的过滤器。 低压气软管及循环水软管采用有衬里的耐油夹胶管，试验压力为工作压力的 2 倍，破裂压力不小于工作压力的 4 倍。 燃气喷射器的性能优劣直接影响燃料的喷射质量，从而影响发动机的性能。选择的燃气喷射器要求有良好的动态响应特性、高温特性、良好的安全性，具有高压逆止作用。 气体流量阀是控制天然气量的核心部件，它是由步进电机来驱动控制阀。选用的气体流量阀，应满足控制精度高、相关传感器安装方便的要求。 电磁阀及其它相关传 感器按规定要求外购。 27 6 总体布置 根据标准 GB/T19240-2003压缩天然气汽车专用装置的安装要求，天然气供给系统在汽车上的布置，各部件应布置合理、简洁、便于安装操作和维修；系统安装后，基本不影响原车行驶性能和通过性能；改装后汽车总质量增加分数不超过 5%，前轴、后轴负荷增加的百分比不超过 5%。 天然气供给系统的安装，其中气瓶的布置和气瓶架的固定是重点，其它部件根据线路走向和按照标准 GB/T19240-2003 要求合理布置。 6 1 气瓶布置 气瓶数量确定 气瓶数量的估算式为 N=20 1.15SQq (6.1) 其中 N 气瓶数量（个） S 续驶里程（ km） Q 百公里油耗（ L） q 气瓶的容积（ L） 已知所选用公交车 百公里油耗 Q=27L 续驶里程 S=300km 又所设计气瓶为 CNP20-60-267A 故气瓶容积 q=60L 所以储气瓶个数 N = 300 2760 20 1.15= 6.3 取 N=6 即气瓶的个数为 6 个。 气瓶布置校核 设计的气瓶在车架上初步布置如下图 6.1 所示。 28 图 6.1 气瓶布置 把汽车简化成一根杆，对汽车进行受力分析，并以前轴形成的点为原点作一维坐标系，如图 6.2 所示。 1F 前轴载荷 2F 后轴载荷 G 汽车重量 X x 坐标轴 图 6.2 车架受力图 所以汽车的质心 Xc =GLF 2 (6.2) Xc = 2FLMg= 2MLM = 6470 47009740 3122 mm 改装后汽车质心为 Xc = )( )( Mmi XimiXcM (6.3) 式中 mi 每个储气瓶组的质量（ kg） Xi 每个储气瓶组的质心坐标（ mm） M 原车整车质量（ kg） Xc 原车整车质心坐标（ mm） 每个气瓶质量 kgm 73 29 故每个气瓶组质量 kgmmm 143732321 每个气瓶组的坐标 mmXX 276021 mmX 62353 所以 Xc = 9 7 4 0 3 1 2 2 2 7 6 0 1 4 6 2 6 2 3 5 1 4 69 7 4 0 1 4 7 3 3156 mm 改装后汽车的最大装载量 后轴 2MLXcM (6.4) 即 2MLXcM =4700315610178 6834.9kg 所以前轴 21 MMM 683410178 kg1.3343 改装后汽车轴荷所占质量分数 前轴 11 MM (6.5) 即 11 MM %100101781.3343 %8.32 所以后轴 12 1 %8.321 %2.67 改装后增加