天然气发动机配气相位(单点)设计.doc

6102天然气发动机配气相位（单点）设计姓名： 指导老师姓名： 摘要本文根据内部EGR对配气相位及凸轮型线的影响，来重新设计天然气发动机的凸轮轴。首先对汽油、柴油以及天然气等常用代用燃料进行对比，分析柴油机改装成天然气发动机所需的改动。然后再对柴油机改装成天然气发动机进行整体设计，讨论所需改进的部分。最后从整机设计的角度分析改进配气相位的意义。为了满足更高的排放要求，将气门重叠角变小，实现内部EGR以改善天然气发动机的排放性能。关键词：天然气发动机；单点；配气相位Design of 6102 single-point CNG engine with cam phaseName: Instructor Name: AbstractIn this paper, camshaft of CNG engine was designed with the influence of the internal EGR on cam phase and cam contour line considered. First, compared natural gas with petrol, diesel and other commonly used alternative fuels, it turned out that diesel engine use natural gas needed structure changes. And then design the overall design of a diesel engine turned into a gas engine, discuss the improvement. From the angle of the overall design to analysis the significance of improving with cam phase. In order to meet the high requirements, the valve overlap angle smaller, to improve the exhaust performance of natural gas engine.Keywords: Natural gas engines; Single-point injection; Cam phase目录第一章 绪论 11.1能源现状 1 1.1.1国际能源现状1 1.1.2中国能源现状21.2发展代用燃料 3 1.2.1发展代用燃料的意义3 1.2.2 汽车代用燃料概述 5 1.2.3 常用代用燃料物化性能分析 6 1.2.4 天然气汽车在国内外的发展现状 111.3天然气发动机的技术发展13第二章天然气发动机整机设计152.1原柴油机结构分析152.2原柴油机燃烧过程分析15 2.3整体改装设计16 2.3.1 发动机压缩比设计和改制16 2.3.2进气系统设计及选用17 2.3.3点火系统设计与改进17 2.3.4供气系统及燃烧系统设计18第三章 配气相位的选取213.1配气相位简介 213.1.1进气门配气相位 213.1.2排气门配气相位 223.1.3气门重叠角的概念 223.1.4配气相位的意义 233.2单点喷射与多点喷射对配气相位的不同要求233.2.1单点喷射对配气相位的要求 233.2.2多点喷射对配气相位的要求243.2.3本次设计对配气相位的要求243.3 机内废气再循环系统243.3.1内部EGR对发动机动力性的影响253.3.2内部EGR对发动机排放性能的影响253.4配气相位的选取26第四章 单点喷射天然气发动机凸轮型线的设计274.1原柴油机凸轮型线274.2凸轮型线缓冲段的设计304.2.1基本参数的选取304.2.2余弦缓冲段314.3凸轮型线工作段的设计32第五章 结论40结束语 41致谢 42参考文献 43附录 44附录一：英文资料44附录二：中文翻译52开题报告第一章 绪论1.1能源现状1.1.1 国际能源现状图1.1 全球石油储量分布图当今世界，人类社会发展日益加速，无论是在工业，农业，还是第三产业如服务业、高新技术产业，都是处于人类历史上空前发展最快的一个阶段。社会的发展提高了人类的生活水平，大大加强了社会生产力，同时对能源的需求和使用也大幅提高，从汽车内燃机到家用电器，无不需要能源去运作。能源与我们的生活是息息相关的。能源供应的短缺和上涨将会影响世界经济的稳定，甚至会导致经济衰退。这就是所谓的“能源危机”。人类对能源的利用主要有三大转换：第一次是煤炭取代木材等成为主要能源；第二次是石油取代煤炭而居主导地位；而当今世界是在石油逐渐枯竭的状况下向多元化能源结构的过渡转换。 18世纪前，人类只限于对风力、水力、畜力、木材等天然能源的直接利用，尤其是木材，在世界一次能源消费结构中长期占据首位。蒸汽机的出现加速了18世纪开始的产业革命，促进了煤炭的大规模开采。到19世纪下半叶，出现了人类历史上第一次能源转换。1860年，煤炭在世界一次能源消费结构中占24，1920年上升为62。从此，世界进入了“煤炭时代”。 19世纪70年代，电力代替了蒸汽机，电器工业迅速发展，煤炭在世界能源消费结构中的比重逐渐下降。1965年，石油首次取代煤炭占居首位，世界进入了“石油时代”。1979年，世界能源消费结构的比重是：石油占54，天然气和煤炭各占18，油、气之和高达72。石油取代煤炭完成了能源的第二次转换。化石燃料的大量利用破坏了生态环境，间接上对人类的发展也造成了不良的影响。同时，化石能源作为不可再生资源也面临着枯竭的危机。发展新能源，向多元化能源结构的过渡是当今世界所不可避免的。1.1.2 中国能源现状我国能源资源总量比较丰富，拥有较为丰富的化石能源资源。其中，煤炭占主导地位。2006年，煤炭保有资源量10345亿吨，剩余探明可采储量约占世界的13%，列世界第三位。已探明的石油、天然气资源储量相对不足，油页岩、煤层气等非常规化石能源储量潜力较大。中国拥有较为丰富的可再生能源资源。水力资源理论蕴藏量折合年发电量为6.19万亿千瓦时，经济可开发年发电量约1.76万亿千瓦时，相当于世界水力资源量的12%，列世界首位。但是中国人口众多，人均能源资源拥有量在世界上处于较低水平。煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的50%，石油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1/15左右。耕地资源不足世界人均水平的30%。 图1.2 中国与世界能源消费结构对比由图1.2我们可以看出，我国煤炭占能源消费总量的比例高达70%左右，远高于世界平均27%的水平。而油气等清洁能源产品在能源消费中的比重明显偏低，特别是天然气在能源消费总量中的比例只有2.1%，远低于世界平均23%的水平。据资料显示，我国火电、钢铁、水泥和化工四大行业耗煤量占每年原煤消耗量的90%左右。我国GDP增长速度很快，但是能源消耗量也是世界排名数一数二，煤炭净进口扶摇直上，钢材、铁矿石进口量也屡创历史新高，世界大宗商品价格连连被推涨。我国单位GDP的煤消耗量是日本的15倍，是美国的8.7倍，而我国的煤炭使用量占总能源消耗量的七成。相对落后的煤炭生产方式和消费方式，加大了环境保护的压力。煤炭消费是造成煤烟型大气污染的主要原因，也是温室气体排放的主要来源之一。随着中国机动车保有量的迅速增加，部分城市大气污染已经变成煤烟与机动车尾气混合型。这种状况持续下去，将给生态环境带来更大的压力。随着我国经济与科技的飞速发展，落后的能源结构将会成为限制发展的因素。改善能源结构，开发新型高效、清洁的能源已经迫在眉睫。1.2 发展代用燃料1.2.1 发展代用燃料的意义表1.1 中国近年石油进口情况表1.1数据显示，随着我国经济的快速发展，能源紧缺的矛盾也日益突出。据国家能源局公布的数据显示，我国石油进口依存度更是突破50%，达到51.29%。专家认为，中国在没有国际石油定价权的情况下，将半数以上的石油需求放在国际市场是非常不安全的，能源缺口过大，给中国能源安全带来不确定因素。近年来，我国汽车工业迅速发展，汽车保有量逐年增加。而目前汽车燃料主要以石油为主，而石油资源日益减少，发动机燃料的供应也将越来越紧张。因此，使用替代燃料是解决我国石油资源短缺的重要措施。进入21世纪，汽车污染日益成为全球性问题。随着汽车数量越来越多、使用范围越来越广，它对世界环境的负面效应也越来越大，尤其是危害城市环境，引发呼吸系统疾病，造成地表空气臭氧含量过高，加重城市热岛效应，使城市环境转向恶化。有关专家统计，到21世纪初，汽车排放的尾气占了大气污染的3060%。随着汽车保有量的逐年增加，尾气污染有愈演愈烈之势，由局部性转变成连续性和累积性，而各国城市市民则成为汽车尾气污染的直接受害者。使用清洁替代燃料是减少汽车污染排放的有效途径。综上所述，大力发展汽车代用燃料可以减轻我国石油资源短缺的现状，同时可以改善并减少汽车污染排放。作为消耗石油能源较多的行业之一，汽车行业发展代用燃料对改善我国落后的能源消费结构、控制环境污染以及对我国经济的长期稳定发展有着重要意义。表1.2 汽车代用燃料的发展前景预测目前，国家已经出台了许多策支持汽车代用燃料的发展。代用燃料在将来有着十分广阔的发展前景。下表为有关专家对汽车代用燃料的发展作出的预测。1.2.2 汽车代用燃料概述代用燃料指的是传统发动机燃料(如汽油和柴油)的替代品。美国能源政策法规将代用燃料定义为甲醇、非自然乙醇、其它酒精燃料或至少85%的这些燃料与汽油或柴油的混合燃料、CNG、LNG、LPG、氢气、煤炭衍生物的液体燃料以及生物质能源等。内燃机燃料是经过一系列演变发展过程的。早在1892年R狄赛尔就曾试图以煤粉作为柴油机的燃料，但未成功。长期以来，内燃机是以液体的碳氢化合物系燃料为主的。当燃料中C含量减少，H含量增加时，燃料为轻质的，并演变为气体燃料。反之，当C含量增加，H含量减少，就成为重质燃料。良好的代用燃料应能满足下列要求： (1)资源丰富，价格适宜； (2)燃料的热值，尤其是混合气热值能满足内燃机动力性能的要求； (3)能满足车辆起动性能、行驶性能以及加速性能等方面的要求； (4)能量密度较高、储存运输方便； (5)发动机的结构变动较小，技术上可行； (6)现有的燃料储运分配系统能用得上； (7)对人类健康、环境保护以及安全防火等无有害的影响； (8)对发动机的寿命以及可靠性没有不良影响。 表1.3 内燃机代用燃料一览表一种代用燃料要全面良好地满足上述要求是困难的，但应满足主要要求，并在采取技术措施的情况下，能满足各方面的要求。除了传统的柴油、汽油以外，对目前使用和研究的代用燃料分类如表1.3。1.2.3 常用代用燃料物化性能分析表1.4 代用燃料及汽油、柴油的物理化学性质表1.4为几种常见代用燃料及汽油、柴油的物理化学性质对比。下面将分别介绍各种代用燃料的特点。1. 醇类醇类汽车就是以甲醇、乙醇等醇类物质为燃料的汽车。使用比较广泛的是乙醇，乙醇来源广泛，制取技术成熟，最新的一种利用纤维素原料生产乙醇的技术其可利用的原料几乎包括了所有的农林废弃物、城市生活有机垃圾和工业有机废弃物。目前醇类汽车多使用乙醇与汽油或柴油以任意比例掺和的灵活燃料驱动，既不需要改造发动机，又起到良好的节能、降污效果，但这种掺和燃料要获得与汽油或柴油相当的功率，必须加大燃油喷射量，当掺醇率大于15%20%时，应改变发动机的压缩比和点火提前角。常见的有甲醇汽油M85（Mx，x为甲醇的体积分数)，乙醇汽油E20（Ex，x为乙醇的体积分数)。需要注意的是，醇类燃料对某些非金属材料(如塑料、橡胶等)有溶胀作用，对金属材料有轻微的腐蚀作用。(1) 甲醇甲醇的汽化潜热远高于汽油，高的汽化潜热及低的蒸汽压和较低的沸点，将导致混合气形成困难和发动机起动困难，但可以降低进气温度，提高充气效率;同时，由于甲醇的汽化潜热大，可以降低缸内温度，改善发动机的动力性，降低排气温度。按质量计算，甲醇中含有50%的氧，使燃烧速度快，而且比较完全;甲醇完全燃烧所需的空气量比汽油少，燃烧后尾气带走的热量也相应减少，使发动机总热效率得到提高。甲醇具有较高的辛烷值，具有较高的抗爆震性能，对通过提高发动机压缩比来提高发动机的热效率很有利，所以，甲醇是良好的汽油机代用燃料，也是提高汽油辛烷值的优良添加剂。普通汽油与15%20%的甲醇混合，辛烷值可以达到优质汽油的水平。甲醇的着火界限比汽油宽，能够使发动机在较稀的混合气下工作，这将使发动机的工况范围比较宽，对排气净化和降低油耗非常有利。甲醇的燃点比汽油高，不易于发生火灾事故，使用比较安全。(2) 乙醇乙醇是含氧燃料，所以乙醇燃料的理论空燃比汽油和柴油都低；由于乙醇含氧量及H/C值较大，所以燃烧时产生较多的水及较少的CO2。相对于汽油来说，乙醇的沸点低，有助于燃油与空气混合气的形成。然而其中缺少高挥发性的组分，对起动不利。此外，由于乙醇较高的汽化潜热会产生的冷却效应，也妨碍燃料在运转温度下的完全汽化。乙醇的冰点比汽油、柴油低的多，环境温度较低时也不会结冰。作为汽油机燃料，燃料的辛烷值是衡量其抗爆性能的重要指标。由表3可以明显的看出乙醇燃料的辛烷值高于汽油，因此乙醇既是良好的汽油机的代用燃料，也是提高汽油辛烷值的优良添加剂。乙醇的十六烷值只有8，比柴油的十六烷值5065低的多，且乙醇的着火温度较高，这就使得在压燃式发动机中燃用乙醇燃料比较困难。乙醇燃料理论空燃比低，对发动机进气系统要求不高，自燃性能差，辛烷值高，有较高的抗爆性，挥发性好，混合气分布均匀，热效率较高，汽车尾气污染可减少30%以上。2. 液化石油气（LPG）LPG作为石油的伴生物,常温常压下是无毒、无色、无味的气体，是石油开采和炼制过程中的副产品,主要成分是丙烷和丁烷,它与汽、柴油一样都是烃类(碳氢化合物)物质,其组成上的区别在于它们分子中碳原子个数不同,LPG为C3C4,汽油为C5C11,柴油C15C20,其分子式通式都可用CnH2n+2表示,从本质上说它们的化学成份和性质是类似和相近的。LPG的热值大于46005000kJ/m3，比汽油的热值高35，比柴油的热值高710，因而LPG汽车的动力性能好，并且LPG车辆具有较长的续驶里程。LPG作为气体燃料，具有雾化性好、混合均匀、燃烧完全等特点，同时LPG的辛烷值比汽油高，与汽油机相比能够提高发动机热效率，改善汽油发动机的动力性能。LPG可在常温下加压（低于1.6MPa）进行液化,所以更便于储藏、装罐、运输及使用，这样LPG加气站具有更大的建站灵活性。由于LPG液化后的压力较低，因而车用的LPG储气钢瓶瓶壁薄、自重轻，材质要求低，能够装载更多的燃料，达到满意的续驶里程，同时也降低了改装件的经济成本。LPG是比汽油和柴油更“清洁”的燃料：由于液化石油气燃烧温度低，NOx生成少，排放性能比汽油、柴油好。3. 二甲醚(DME)在常温常下，二甲醚是一种带有淡淡香味的无色无毒气体。尽管大多数塑性橡胶制品同DME接触时会溶化，但DME却不会腐蚀金属。DME的诸多特性决定了它适合于作压燃式发动机的燃料。首先，DME的十六烷值较高，自燃温度比柴油还低，这决定了二甲醚可用作压燃式发动机的燃料；其次，由于DME的蒸发压力低，使得它容易液化，这一点同LPG极为相似，这就表明DME适于贮存，运输，因此同CNG相比，DME在车用发动机上使用是大有前途的。63- -二甲醚分子结构中没有CC键，只有CO键和CH键，且含有34.8的氧，因此，燃烧后生成的CO、CH和微粒少，发动机能承受较高的废气循环率以降低NOx的生成与排放。二甲醚的十六烷值高于柴油，自燃温度低，滞燃期比柴油短，NOx排放与燃烧噪音比柴油低。二甲醚的低热值为柴油的64.9，为了达到与柴油相当的动力水平，必须增大每循环供油量。二甲醚理论混合气热值为3066.7KJ/Kg，而柴油的理论混合气热值为291lKJ/Kg。因此柴油机燃用二甲醚的升功率不仅不会降低，反而会升高。二甲醚的汽化潜热比柴油的高，因此会大幅度降低柴油机最高燃烧温度，减少NOx的排放量。低沸点的特点使得二甲醚在喷入汽缸后即可汽化，其油束的雾化特性将明显优于柴油，可在低喷射压力下就能满足燃烧要求。二甲醚可以从来源丰富的煤、天然气和生物质中提炼，如大规模生产时其成本低于柴油,作为汽车燃料有非常好的发展前景。4. 生物柴油（植物油）生物柴油是一种由植物油或动物脂肪与醇类化合物在催化剂的作用下进行酯化反应生成的脂肪酸甲酯类化合物。其原料来源广泛，油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂，以及动物油脂、费餐饮油料（地沟油）等均可用作生产生物柴油的原料。生物柴油具有优良的环保优势，其具有运动粘度高、安全性能好、燃烧性能优良的优点。同时，生物柴油属于可再生资源，可减少人类对石油的依赖。可以单独使用，也可以与石化柴油调和使用，还可以作为添加剂用来提高燃烧效率。和传统柴油相比，生物柴油具有润滑性能好，储存、运输、使用安全，抗爆震性好，燃烧充分，环保及可再生等优势。目前世界上大多使用20%生物柴油与80%传统柴油混配。使用生物柴油，可使柴油车尾气中有毒有机物排放量减小90%，颗粒物减小80%，无SO2和有机铅排放，CO2和CO排放量也仅是使用传统柴油的10%。但是，使用生物柴油也有其不利的一面。燃用生物柴油低温启动性能较差，燃烧排放物中NOx含量很高。生物柴油成分中含有微量甲醇与甘油，这会使与之接触的橡胶零件，如橡胶模、密封圈、燃油管等受到腐蚀。另外，由于生产生物柴油的原料来源分散品种复杂使得生物柴油的品种也变得很复杂。5. 氢燃料氢是清洁燃料，采用氢气作燃料，只需略加改动常规火花塞点火式发动机，其燃烧效率比汽油高，混合气可以较大程度地变稀，所需点火能量小，有利于节约燃料。氢气也可以加入其它燃料(如CNG)中，用于提高效率和减少N0排放。氢的质量能量密度是各种燃料中最高的一种，但体积能量密度最低，其最大的使用障碍是储存和安全问题。宝马公司一直致力于氢气发动机研制，开发了多款氢发动机汽车，其装有V12氢发动机的7系列轿车是世界上首批量产的氢发动机，该发动机可使用氢气和汽油两种燃料。6. 天然气由表1.3可以看出天然气辛烷值明显高于汽油，所以燃用天然气的发动机可以适当提高压缩比，从而提高热效率。天然气沸点低，故而低温启动性能及低温运转性能良好，在暖机过程中不需额外的加浓，不完全燃烧成分少。自燃温度较高，故不能采用压燃；且由于自燃温度比汽油还高，发动机需采用较高的点火能量，以保证点火的可靠性。天然气的燃料低热值较高，但由于天然气为气态在混合其中占有一定体积，混合气的燃料低热值较低，这会使燃用天然气时功率下降。另外，天然气的着火极限下限较低，有利于采用稀薄燃烧的燃烧方式。与传统发动机燃料柴油和汽油相比，天然气作为气体燃料由C1C3的HC组成，分子量小，与空气的混合气混合更为均匀，燃烧比较完全，且功率较低，缸内温度也较低，从而可大大降低，HC和NOX的排放，同时也改善了颗粒排放。燃用天然气与汽油相比，CO可降低70%，NOX和非甲烷类碳氢可降低80%，CO2低30%，HC可降低70%。因此对净化环境和缓解能源危机颇为有益。在经济性方面，目前天然气的价格比汽油和柴油低得多，燃料费用一般可节省50%左右，大大降低了汽车的运营成本。而且，发动机使用天然气作燃料运行平稳、噪音低、无积碳，能延长发动机的是用寿命，节约50%以上的维修费用。其次，天然气与汽油相比燃点高、密度低、着火极限较窄，储存使用安全性高。7. 小结通过以上对各种不同种类的内燃机代用燃料的对比分析，我们可以发现每一种燃料都有各自的优势。但这只是基于内燃机工作过程的理论研究，评价一种燃料的优劣还需要更多方面的综合考虑。由图1.2可以看出，在我国的能源消费结构中除去石油煤炭的利用与世界有很大差距外，最为突出同时与以上代用燃料最相关的一个问题就是，在天然气的利用方面，天然气在我国能源消费总量中的比例只有2.1%，远低于世界平均23%的水平。然而，我国却拥有着十分丰富的天然气资源。有资料表明，我国已探明天然气储量达2.6万亿立方米，可采储量前景看好，按国际通用口径，预计可采储量可达7万亿至10万亿立方米，可采95年，在世界上属资源比较丰富的国家。而且，世界上已开采利用和探明的远景油气资源主要赋存于海相地层，而我国目前正在开发利用及探明的远景油气资源大部分却来自陆相盆地。根据我国目前在海相领域发现的规模最大的普光整装气田来看，在拥有广阔海相领域的中国，天然气资源前景十分可观。在拥有丰富的资源的前提下，大力发展天然气有助于缓解我国对石油进口的过度依赖，及改善落后的能源利用形式。相比与其它几种代用燃料，天然气在技术发展方面有着较大优势。目前随着天然气的开发利用，车用天然气的技术应用已经成熟，并且其使用效果比目前开发出的液化气汽车更环保、节能、经济、安全。尤为突出的是在其经济性能方面，对于出租车来说，若每百公里耗汽油按8升、耗气按8立方米测算，则烧气比烧油要节省燃料费36%55%。如果每天行使里程按250公里计算，一年可节省燃料费1.46万2.19万元左右。出租车的改装费用约为40006000元/台，4个月左右就可以收回成本。同时，我国在天然气加气站建设方面的技术与政策都较其它种类燃料完全。随着西气东输工程的启动和建设以及国家对天然气发展的大力支持，天然气汽车在未来的发展有着十分明显的优势。在下面的内容中将以天然气发动机为题的展开研究。1.2.4 天然气汽车在国内外的发展现状天然气汽车在世界上已有70多年的历史。20世纪20年代末、30年代初，意大利人为解决车用汽油短缺问题，率先开发了常压囊式天然气汽车和CNG汽车。到20世纪80年代，由于石油危机加重，改善环境的呼声日渐高涨和压缩机技术的不断进步，天然气汽车获得较快发展。1986年，30多家燃气企业在加拿大渥太华成立了国际天然气汽车协会(IANGV)。自20世纪90年代以来，天然气汽车发展的要素进一步成熟，俄罗斯、美国等国分别成立了天然气汽车协会。根据世界燃气汽车协会的最新统计，截止到2008年3月，全世界天然气汽车总量超过850万辆，近几年天然气汽车的年均增长率超过30%；天然气加气站则超过了12000座。阿根廷、巴基斯坦、巴西、印度、伊朗和意大利的天然气汽车保有量居世界前六位。值得注意的是，近几年亚太地区的天然气汽车发展迅速，2000-2007年年均增长50%，其中巴基斯坦、印度、伊朗的CNG汽车保有量分别达到165万辆、82万辆和73万辆(见表1.5)。表1.5 部分国家天然气汽车及加气站统计数据序号国家天然气汽车拥有量（辆）加气站数量（座）月均天然气消费量（万标准立方米）截止时间1阿根廷16987001753247132008.32巴基斯坦165000019232008.13巴西15328441612213392008.34印度82187232552002008.35伊朗7301074022008.46意大利43290060949002007.37哥伦比亚25168831345002007.58孟加拉16000021121362007.99乌克兰12000022446002007.910亚美尼亚10135220623802008.311美国100000110055002007.912俄罗斯9500022224002007.91999年，我国启动了“空气净化工程清洁汽车行动”，由原国家科委牵头，联合原国家计委、国家环保总局、建设部等13个部委成立了全国清洁汽车行动协调领导小组，随后启动了北京、上海、重庆、四川等12个示范城市和地区，2005年示范城市和地区扩大到19个。2006年，国家再次启动“节能与新能源汽车”高科技计划，继续强力推进天然气汽车发展的进程。中国的天然气汽车进入了快速发展期。截至2007年底，全国已有30个省市自治区的80多个城市推广天然气汽车。其中16个重点推广城市(地区)共发展天然气汽车26.5万辆，比2006年增长近8万辆；建成天然气加气站555座，比2006年增加75座。我国天然气汽车和加气站主要集中在气源地附近，如四川、重庆、乌鲁木齐、西安和兰州等，天然气供应方便，气价低(仅为油价的40%50%)是CNG汽车快速发展的主要驱动力。国内部分城市CNG汽车和加气站统计见表1.6。表1.6 国内部分城市CNG汽车和加气站统计数据地区汽车数量（万辆）加气站数量（座）四川12.98212重庆4.9365乌鲁木齐1.5453西安1.3964兰州1.2614濮阳0.4313北京0.3729济南0.3418作为天然气汽车的一种，液化天然气（LNG）汽车近年也得到一定发展。加拿大、美国等采用高压直喷技术的液化天然气载重卡车已投入商业运营，该车总载质量为45吨，配备2个680升的LNG储存箱，可连续行驶800千米。我国一些城市和相关厂商自2003年始，也开始进行液化天然气汽车及配件的开发，北京、乌鲁木齐、长沙和贵阳四个城市已有液化天然气汽车在城市公交车领域的示范应用。 1.3 天然气发动机的技术发展天然气发动机多由已有的汽油或柴油发动机改装而来。改装形式有以下几种：(1)在汽油机上改装，保留汽油机燃料供给系统，附加一套包括CNG气瓶、减压阀、空燃比控制装置等的CNG供给装置（多用于轻型车）；(2)在汽油机上改装，仍使用汽油机工作循环，只使用CNG一种燃料，这就需要对原汽油机的燃料供给系统、进排气系统、点火控制系统及燃烧室的结构进行优化配合； (3)在柴油机上改装，仍使用柴油机工作循环，只使用CNG一种燃料，天然气由进气管通过自然吸气进入汽缸，工作中混合气由喷入的轻柴油压燃引燃； (4)在柴油机上改装，仍使用柴油机工作循环，只使用CNG一种燃料，天然气由进气管通过自然吸气进入汽缸，但混合气由火花塞点燃（多用于重型车）； CNG发动机在经历几代产品的发展演变之后，燃料供给系统从机械式混合器发展到电子控制喷射系统；电喷系统由单点开环控制发展到闭环多点喷射控制系统；喷射方式从缸外预混发展到复合供气，缸内直接喷射；燃料的使用从两用燃料，双燃料发展到单一燃料。在未来天然气发动机技术将会越来越成熟，会有更多的专用于天然气发动机的技术出现。第二章 天然气发动机整机设计2.1 原柴油机结构分析该发动机原型机为CA6102柴油机，原机基本数据如表2.1表2.1 原柴油机基本数据功率120kw/2600rpm扭矩540Nm/1600rpm压缩比16:1缸径/行程102/110柴油消耗率205g/(kwh)原柴油机为直列六缸机，采用水冷技术，四冲程。转速为2600rpm，国内中型车用柴油机转速范围为25002800rpm，该机符合中型。缸径102，S/D大于1，在1.051.15之间，为小缸径中速柴油机标定功率为120kw/1600rpm，我国柴油机功率在50kw以上，采用发动机增压技术，改善排放，增大功率，降低燃油消耗率。6102柴油机采用二气门，一进一排。采用了NQ102N“三环短活塞”，二道气环和一道油环，有较小的活塞总体高度。2.2 原柴油机燃烧过程分析 原柴油发动机的燃烧过程分为着火延迟期、速燃期、缓燃期和后燃期四个阶段。 着火延迟期是从燃料开始喷射到着火，其间经过喷散、加热蒸发、扩散、混合和初期氧化等一系列物理和化学准备过程。它是燃烧过程的一个重要参数，对燃烧放热过程的特性有直接影响。 在着火延迟期内喷入燃料室的燃料，在速燃期内几乎是同时燃烧的，放热速度很高，压力升高也特别快。 缓燃期阶段中燃料的燃烧取决于混合的速度。原型机加强燃烧室内空气扰动和加速空气和燃料的混合，对保证燃料燃烧在上止点附近迅速而完全地燃烧有重要作用。 原柴油机的混合和燃烧时间很短，以致有些燃料不能在上止点附近及时烧完，而拖到膨胀行程的后期放出的热量不能得到充分利用。2.3 整体改装设计由原柴油机改装为天然气发动机是一项系统的工作，需要通过改进进气系统、配气机构、燃烧室，降低压缩比，增加点火系统，优化供气装置的调整特性等，开发适用的CNG单一燃料气体发动机。表2.2 主要改进的零部件汇总零部件名称改动位置改动方式缸盖油嘴位置加工火花塞安装孔、镶进排气门座、加工燃烧室球窝。设计改进活塞碗型燃烧室，压缩比为10.5:1重新设计飞轮增加转速信号盘改进设计飞轮壳安装转速传感器改进设计节流阀体重新设计截止阀、高压减压阀、低压减压器、混合器市场采购转速传感器、水温传感器、绝对压力传感器和ECU电子点火控制器、线束及高压线圈、高压线、火花塞委托设计2.3.1 发动机的压缩比选择和改制原6102柴油机的压缩比为17:1，经设计并对比多种方案，我们将天然气发动机压缩比确定为10.5:1.参考国外公司提供的技术，以及对国内大多数天然气发动机燃烧室的对比分析，采用碗型燃烧室，其结构有利于天然气快速充分燃烧，使经济性、废气排放指标等大大优化。我们考虑到天然气发动机的燃料不再具有润滑气门和气门座的成分，因此，设计时选用了与天然气相适应的坚硬材料和工艺，提高了气门和气缸的耐磨性，能够避免气门和气门座的早期磨损、气门下陷和拉缸等。2.3.2 进气系统设计及选用由于去掉了原机的喷油泵、喷油器，因此控制发动机工作状况的方式需要重新设计，在进气管上方加装节气门来控制发动机的负荷和转速。节气门直径越大，发动机进气阻力越小，有利于发动机提高动力性，而节气门直径过大，其操作不灵敏。因此，在保证发动机动力性、排放等指标的条件下，我们选用内径为52mm的节气门，并具有加速控制和真空信号提取功能。2.3.3 点火系统设计与改进 我们认为单一CNG燃料发动机的动力性、经济型、排放性与发动机的点火过程和时刻密切相关，需要对其进行动态优化点火控制，才能配合进气过程，组织优化燃烧过程，取得良好的使用性能。同时考虑点火时间和点火能量，改进后的燃气发动机将采用独立点火线圈的电子控制点火系统，点火时间可动态优化控制。（1） 为确保火花塞安装方便，使用可靠，设计将原机缸盖的喷油器安装孔改制为安装高能点火的火花塞。（2） 采用无分电器的电子控制点火系统。电子控制单元采集到转速传感器、水温传感器、压力传感器等原始数据后，经过分析、处理，提供最佳点火信号给高压点火线圈，通过高压点火线圈控制火花塞，实现精确点火正时。（3）优化点火提前角。开发的天然气发动机，装在车上时应具有与柴油机相似的使用工况特性，因此对发动机的功率特性、扭矩特性有一定的技术要求。ECU由电脑控制芯片及其他电器件组成，由电脑程序将优化的点火提前角数据库固化在电脑控制芯片上，ECU根据发动机不同的转速、负荷，选取最优化的点火提前角。2.3.4 供气系统及燃烧系统设计本次设计将原柴油机改装为火花点火式天然气发动机，应对原柴油机的燃烧室、进气系统及燃气供给系统进行改造。1. 燃气供给系统简介对于不同机型的发动机，燃料供给系统之间存在着较大的差异。燃气供给系统由储气瓶、压力表、手动开关阀、减压阀、滤清器、电磁开关阀、气轨及电磁喷气阀等组成。储气瓶内20MPa的天然气经两级减压到0.10.8MPa（气轨内压力），各缸的喷气阀共同安装在一个气轨上，然后由气管引向各自气缸的进气门。减压阀因气体减压会产生“结冰”现象，故在其内部应设有发动机冷却液或机油通道，以保证减压阀维持一定的温度。整个系统除了要保证可靠的密封外，最重要的是保证在一定的系统喷射压力下发动机所要求的供气量。电磁喷气阀除了流量的要求外，还要求具有良好的一致性、可靠性及动态开启特性，这是ECU对喷气量和喷漆时刻进行精确控制的前提和保证。我们设计的CNG供给系统主要由充气阀、储气瓶、总气阀、高压管路、高压接头、压力表、减压调节器、低压管路、预热水管、控制开关、CNG压力传感器、气量显示器及天然气电磁阀等组成。(1)充气阀充气阀为12mm直销式结构，充气时，可用截止阀开启通道。充气完毕，应有可防止空气中粉尘或杂物进入天然气管路的防尘塞。(2)总气阀储气瓶内的高压天然气通过一根不锈钢管连接于总气阀上，总气阀为手动高压截止阀，可以在较长时间停机或检修时关闭高压天然气源，是系统安全可靠的关键部件，要求能够做到快速开启和关闭。有关标准规定车用燃气系统必须设置手动高压截止阀。(3)减压调节器减压调节器是CNG汽车的关键部件。其功能是将不大于20MPa的高压天然气减压变成-21.2kPa的低压天然气。其真空室与进气管连接，真空室内压力随发动机急加速、全负荷、部分负荷工况下支管内压力的变化而变化，并始终向气缸内输入合适压力的燃气。其结构为杠杆膜片式三级减压。由于高压天气减压时需吸收大量热量，故在减压器上连接两根循环加热水管，一端接在发动机水泵进口处，一端端接在水泵出口处。(4)燃料控制及气量显示CNG压力传感器、气量显示器的电源为12V。CNG压力传感器输出为05V的电压信号，储气瓶内的天然气压力越高，输出电压越高。(5)电子点火系统电子点火系统主要由转速传感器、水温传感器、绝对压力传感器及ECU、线束及高压点火线圈、高压火花塞组成。ECU采集转速、水温、压力传感器等的原始数据，经分析、处理后，提供最佳点火信号给高压线圈，通过高压线圈控制火花塞实现精确点火。(6)供气系统的主要形式有以下两种：a. 机外混合（即预混合）方式在供气系统中，将气体燃料通过调节阀按一定比例与空气混合，再被吸入气缸。而且低热值的气体燃料，为提高发动机输出功率，可以由压气机对混合气进行增压。b. 气体燃料的直喷（缸内混合）在内燃机压缩过程接近上止点时，气体燃料经气缸盖上的高压燃料喷射阀（或喷嘴）直接喷入气缸，并与空气混合形成可燃混合气，类似于直喷柴油机的燃油喷射形式。2.燃烧系统我们要将改装的天然气发动机采用稀燃方式。虽然按理论空燃比燃烧方式，可以较容易的把已经很成熟的汽油机电控技术移植过来，改造相对容易。但这种方式受大负荷爆震燃烧的限制，发动机的平均有效压力较低，同时会导致高压的缸内温度和排气温度，这样会产生高的发动机零件热应力，从而影响到耐久性。而我们采用稀燃方式，过量空气系数选择1.5，这样能明显提高发动机平均有效压力，从而使发动机效率得到改善。此外，稀燃可以使燃烧和排气温度保持在原机设计可接受的水平，而不牺牲发动机零件的耐久性。由于最高燃烧温度的降低，稀燃方式可以使NOX持在很低的水平。第三章 配气相位的选取图3.1 配气相位简图3.1 配气相位简介配气相位就是进、排气门的实际开闭时刻，通常用相对于上、下止点曲拐位置的曲轴转角的环形图来表示，如图3.1所示。发动机在换气过程中，若能够做到排气彻底、进气充分，则可以提高充气系数，增大发动机的输出功率。四冲程的每个工作行程，其曲轴要转180。而四冲程发动机的进气门则当曲拐处在上止点时开启，在曲拐转到下止点时关闭；排气门则当曲拐在下止点时开启，在上止点时关闭。进气时间和排气时间各占180曲轴转角。现代发动机转速很高，一个行程经历的时间很短（如上海桑塔纳的四冲程的发动机，最大的发动机转速高达5600r/min，一个行程的时间只有0.0054s）。这样短时间的进气和排气过程往往会使发动机充气不足或者排气不彻底，从而导致发动机功率下降。因此，现在发动机都需延长进、排气时间，即气门的开启和关闭时刻并不正好是活塞处于上止点和下止点的时刻，而是分别提前或延迟一定的曲轴转角，以改善进、排气状况，从而提高发动机动力性。3.1.1 进气门的配气相位在排气行程接近终了，活塞到达上止点之前，即曲轴转到离曲拐的上止点位置还差一个角度（进气提前角）时，进气门便开始开启，直到活塞过了下止点重又上行，即曲轴转到超过曲拐下止点位置以后一个角度（进气迟闭角）时，进气门才关闭。这样，整个进气行程持续时间相当于曲轴转角180+。角一般为1030， 角一般为4080。 进气门提前开启的目的，是为了保证进气行程开始时进气门已开大，新鲜气体能顺利地充入气缸。当活塞到达下止点时，气缸内压力仍低于大气压力，在压缩行程开始阶段，活塞上移速度较慢的情况下，仍可以利用气流惯性和压力差继续进气，因此进气门晚关一点是有利于充气的。发动机转速越高，气流惯性越大，迟闭角应取较大值，以充分利用进气惯性增加进气充量。3.1.2 排气门的配气相位在做功行程接近终了，活塞接近下止点位置，即曲轴转到离曲拐的下止点位置还差一个角度（排气提前角）时，排气门便开始开启，直到活塞过了上止点重又下行，即曲轴转到超过曲拐上止点位置以后一个角度（排气迟闭角）时，排气门才关闭。这样，整个进气行程持续时间相当于曲轴转角180+。角一般为4080，角一般为1030。排气门提前开启的目的，是为了利用气缸内高压实现自由排气，以减小压缩功损失。当活塞到达上止点时，气缸内压力接近于大气压力，在近期行程开始阶段，可以利用排气气流惯性来排出更多废气，因此排气气门晚关一点是有利于排气的。3.1.3 气门重叠角的概念同一气缸的工作行程顺序中排气行程后紧接着便是进气行程。因此，在实际天然气发动机中进排气行程的上止点前后，由于进气门在上止点前即开启，而排气门在上止点后才关闭，这就出现了在一段时间中排气门和进气门是同时开启的现象，这种现象称为气门重叠，重叠现象持续的曲轴转角+称为气门叠开角。气门重叠过程中由于新鲜气流和废气流的流动惯性相对较大，在短期内会保持原来的流动方向，因此只要气门叠开角选择适当，就不会发生废气流倒流入进气管或新鲜气流随同废气排出的情况，这将有利于换气。这时进气门已经开启，进气充量可以起到扫除废气的作用。3.1.4 配气相位的意义对于天然气发动机来说，适时适量且混合均匀的新鲜工质是使其能够正常运转的重要前提，这一前提与合理的配气相位是密不可分的。如果配气相位不合理会使发动机得不到足量的新鲜工质的补充或者缸内有过多的残余废气，这势必会造成发动机的动力性、经济性及平排放性能等性能指标降低，影响发动机的正常工作。所以，配气相位在发动机的设计工作中是极为重要的。3.2 单点喷射与多点喷射对配气相位的不同要求天然气发动机按天然气的喷射位置可分为缸内喷射与进气道喷射。进气道喷射又可分为单点喷射与多点喷射两种形式。单点喷射是指在发动机进气总管节气门之前喷射天然气，而多点喷射则是在每一缸的进气口处喷射天然气。两种燃料喷射方式对配气相位的要求是不同的。3.2.1 单点喷射对配气相位的要求单点喷射的天然气发动机中燃气与空气在进气管内混合，优点是燃料与空气又相对较长的时间充分混合，混合气更加均匀，其缺点是用混合气进行扫气燃气消耗率会更高。此外，单点喷射发动机瞬态响应较慢。柴油机改装成天然气发动机时应综合考虑。原柴油机过量空气系数可取到2左右，但对于单点喷射天然气发动机而言，由于空气和燃气在节气门处就开始混合，且天然气占据了部分体积，所以在设计凸轮轴时应适当加大进气