双燃料发动机燃油系统设计【含CAD图纸、说明书】
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双燃料发动机燃油系统设计 摘要面对日益严重的环境污染和能源危机等问题，于是就出现了一种以天然气和柴油为燃料的双燃料发动机。它是在原有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。由于只需要加装一套天然气供给系统，适当改变一下燃料供给系统，对原柴油机不必作什么改动，所以改装简单、成本低。但改装后天然气替代率高，因此发动机排放性能得到了明显改善。本次论文所设计的双燃料发动机燃油供给系统在保留原有柴油机的燃料供给系统不变的情况下，增加了天然气燃料供给系统。天然气从气瓶出来后经减压器和过滤器，通过一组喷嘴喷射至混合器与增压中冷后的空气混合形成可燃混合气，最后随着进气进入燃烧室燃烧。且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，来提发动机的经济性和排放性。具体来说，是按照天然气-柴油双燃料发动机燃油系统的几部分构成进行深入仔细的设计，重点对系统的主要部件进行计算，论证设计方案的可行性，以便使系统能更好的可靠并且高效的运作。 关键词 柴油机； 天然气； 双燃料发动机； 供气系统The design of dual fuel engine fuel systemAbstract: 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 dont 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 systems 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 录1. 绪论11.1 选题的目的及研究意义11.1.1 选题的目的11.1.2 研究意义11.2 双燃料发动机的概念及其优缺点11.2.1 双燃料发动机的概念11.2.2双燃料发动机的优缺点21.3 双燃料发动机研究现状及发展趋势32. 燃料系统的简介42.1 燃料系统的构成42.2 系统的工作原理42.3各部件的功用62.3.1 气瓶62.3.2 压力调节器62.3.3 气体流量阀72.3.4 电子控制单元72.3.5 油门位置传感器72.3.6 柴油油量控制器72.3.7 冷却水温度传感器82.3.8 控制面板83. 系统的整体设计93.1系统整体改装方案93.2 柴油机改装双燃料发动机的技术方案93.2.1 基本要求93.2.2 改装策略103.3 所选用的原始数据104. 系统各组成部分的设计124.1 柴油喷射系统124.2 天然气供给系统134.3 发动机燃料控制系统154.3.1 双燃料发动机燃料控制系统的分析154.3.2 燃料控制系统的控制原理及特点164.4 天然气储存系统的设计175. 系统主要部件的设计185.1 气瓶设计185.1.1 材料选择185.1.2 储气压力确定185.1.3 结构设计195.1.4 尺寸设计195.2截止阀的设计205.2.1 结构设计205.2.2阀杆的设计215.3 气瓶阀的设计245.3.1 结构设计245.3.2泄放直径校核255.4 充气阀设计265.5天然气加热器的设计275.6 燃气压力调节器275.6.1 结构设计285.6.2 阀口设计286. 小结31致谢32参考文献33 II 1. 绪论1.1 选题的目的及研究意义 1.1.1 选题的目的 汽车保有量的激增,使世界的石油资源越来越稀缺,发动机的排放也造成了日益严重的环境污染。为了解决环境污染问题和能源问题,世界各国在制定各种严格的汽车尾气排放法规规范汽车生产和使用的同时,开始发展替代燃料汽车。由于天然气在环保、资源、成本等方面的优势，促使天然气汽车的发展、汽车改装、气体存储和加气站的全方位技术也日趋成熟。近年来,中国的天然气汽车的研究和发展也迅速成长。然而由于气体点火温度较高,发动机在压缩过程中缸中的气体温度达不到自燃点,所以我们必须依靠电火花点火或喷少量的柴油,柴油燃烧再次点燃气体。天然气-柴油双燃料发动机是基于在原柴油机基础上改装的既可以燃用天然气( 以少量柴油引燃) 又可以用柴油作为单一燃料的一种发动机。1.1.2 研究意义双燃料发动机具有使用燃料灵活、碳烟排放少、发动机改动小、改动成本低等特点，可以改善发动机燃油经济性、排放和噪声等。我国若将目前的柴油机改为双燃料发动机, 可以有效地改善碳烟排放对环境的污染, 适应我国目前经济和社会发展状况和需要。1.2 双燃料发动机的概念及其优缺点1.2.1 双燃料发动机的概念 双燃料发动机是指气缸内的气体燃料是通过少量喷入的柴油经然后引燃的。即采用柴油引燃的方式，也就是说发动机在工作的同时要用两种燃料，一般满负荷是柴油用量为全柴油发动机运行时的20%30%或更小。具体到压缩天然气-柴油双燃料发动机。是以压燃少量喷入气缸的柴油作为“引燃燃料”，天然气作为主要燃料。天然气与空气在气缸外的混合器内混合，形成比较均匀的混合气再进入气缸。活塞在压缩行程接近上止点时，柴油被压燃点火，在与柴油机中的情形类似。由于空气和天然气已在缸外预先混合，因而天然气-空气混合气的着火与燃烧，与火花点燃式发动机相似。天然气-柴油双燃料发动机既可用柴油引燃天然气工作，也可用100%的柴油燃料工作。大多数的柴油机只增加一套供气系统，而不必对柴油机做很大的变动，就可使用天然气代替大量的柴油（80%以上)。它与改装成火花点燃的发动机相比，可以节省大量的改装费。天然气-柴油双燃料发动机经在各种类型汽车上的运行试验证明，它们与柴油机汽车相比具有一系列突出的优点：由于使用了空气与天然气的混合气，能代替85%左右的柴油；排气中的烟度减少2/34/5；固态微粒排放较少；发动机的噪声降低1.53.0dB。天然气-柴油双燃料发动机天然气供给方式有混合预混式、缸外进气阀处天然气喷气式和缸内喷气式等。后两种方式需要专用的气体喷射器，目前还处于研究阶段。1.2.2双燃料发动机的优缺点 优点如下： 柴油机压缩比高，而天然气的辛烷值也很高，这样可充分利用天然气良好抵抗抗爆震性能，获得满意的动力性能。它保持了柴油机的高压缩比，因而具有较高的热效率。采用柴油引燃，点火能量远远高于火花点火时的能量，从而有利于保证着火稳定，避免失火，并加快天然气相对较慢的火焰传播速度；可以降低未燃天然气的排放量，提高动力性。柴油引燃气体燃料的能量比火花塞点燃的能量大得多，那么对点火正时的控制要求可以降低，能够在较宽的空燃比范围内工作，对稀燃很有利，可实现较稀薄燃烧。可大大降低 柴油机的排气烟度，改善柴油机的微粒等排放。存在的问题：低负荷时气体燃料燃烧不完全，排气中碳氢和一氧化碳浓度较高；高负荷时可能出现工作粗暴或敲缸倾向。1.3 双燃料发动机研究现状及发展趋势目前,双燃料发动机的开发,是在深度方向不断发展。柴油机改装为双燃料发动机应达到以下目标:发动机变化小,与原机相比,性能保持不变或略有增加;减排目标要大大提高,具有良好的安全性和可靠性。现在大多数的双燃料发动机燃料量是根据原来的机械燃油泵控制,只会增加一套气体供应系统,而不必做很多变化就可以实现双燃料柴油机操作。国内的研究由一个简单的改装匹配工作已经发展到对发动机结构、参数、工作过程进行优化，以及燃烧特性、电控技术等方面的研究。发展趋势： (1)双燃料发动机的经济、动力性能与原柴油机相当。 (2)双燃料发动机更有害污染物排放少,排放符合国家有关规定。 (3)双燃料发动机应该有较高的工作可靠性且使用寿命更长。 (4)双燃料发动机改造费用低。2. 燃料系统的简介2.1 燃料系统的构成天然气-柴油双燃料双燃料发动机燃料供给系统的组成 双燃料双燃料发动机燃料供给系统由四部分组成：柴油喷射、发动机的控制与保护、天然气的调节和供给、天然气的储存。燃料供给系统包括：天然气的混合器、天然气供气量控制阀以及燃油供给机构。发动机的控制和保护系统包括：天然气供给控制阀门的传动装置、发动机从燃用纯柴油转换为燃用双燃料工况的转换系统及天然气供给闭锁装置，该装置在发动机不工作时，切发动机切断两种燃料向发动机供给；发动机运行时，当天然气气瓶压力不足时，则自动转换使发动机燃用柴油；当使用减速制动时，则关闭天然气的供给，采用中心控制单元控制。天然气的调节和供给系统包括：压缩天然气的高压减压阀、低压减压阀、天然气滤清器及开关阀、天然气加热器等，以便为发动机提供合适的天然气。天然气的储气系统包括：压缩天然气气瓶、压力表、气瓶充气供气阀等。 2.2 系统的工作原理 天然气-柴油双燃料双燃料发动机燃料供给系统的控制方式有机械式和电子式。目前国内柴油机大部分采用机械式燃料供给控制方式。如下图2-1是采用机械控制式的双燃料发动机结构示意图。图2-1 天然气-柴油双燃料发动机结构原理图1-车载压缩天然气气瓶 2-气瓶压力表 3-高压输气管路 4-气瓶充气阀 5-储气瓶供气阀6-天然气加热器 7-高压减压阀 8-天然气中压管路报警装置 9-中压管段限压阀 10-天然气滤清器及开关阀 11-天然气低压供气管 12-天然气供气量控制阀 13-混合器 14-低压减压器 15-高压油泵供油量限位器 16-燃料转换开关 17-发动机 18-高压油泵 打开气瓶供气阀5，气瓶中的天然气向发动机供气。由于进入发动机的天然气是经过减压的低压天然气，因此天然气在供给发动机过程中，因膨胀要吸收大量的热，由此将造成输气管路及其他零部件的冻结，使供气系统不能正常工作。所以在供气系统中加设了天然气加热器6，靠发动机冷却液的循环所提供的热源加热天然气。被加热的天然气经过高压减压阀7，使其压力降低到1.01.2MPa。在高压减压阀后的管路中，设置的天然气中压管路报警装置8和中压管段限压阀9，是为了保证供气系统工作中的可靠性。当高压减压阀工作失常，造成中压管路压力超过允许值时，避免造成后端系统元器件的损坏；当压力值超值时，开启限压阀，将中压管路内的天然气排出系统之外，确保后端元器件是安全；当中压管段发生断裂或其他因素引起中压管路中天然气压力很底，不能保证供气系统正常工作时，中压管路报警装置8发出压力不足警报，通知驾驶员关闭供气系统，检查管路，排除故障。为了确保天然气供气系统满足工作要求，在进入低压减压阀14之前，中压管路中设置了天然气滤清器及开关阀10，不仅对供给发动机的天然气进行过滤，而且有接通和断开向低压减压阀供气的功能。当驾驶员要求发动机按天然气-柴油双燃料模式工作时，开关阀10处于通路状态，向低压阀14供给天然气；当发动机以纯柴油作为燃料时，开关阀10处于关闭状态，确保天然气不参与工作。天然气通过滤清器及开关阀10后，进入低压减压阀14内，进行再次减压，使供给发动机的天然气压力符合发动机的要求。由低压减压阀减压后的天然气，经过天然气供给量控制阀12（由驾驶员操纵）进入混合器13.在混合器中天然气与空气进行预混合，然后由进气道进入燃气室。由于双燃料发动机的工作过程是主燃料天然气由柴油着火引燃，所以发动机在工作时，除了要有天然气的供给系统参加工作外，柴油供油系统也要参加工作，供给发动机一定量的引燃柴油，但是其供油量受到一定的限制。为了便于驾驶员的操作，在原发动机的供油系统高压油泵18上加装了高压油泵供给量限位器15，以此来控制发动机柴油量的供给。当发动机处于双燃料工作状态时，高压油泵供给量限位器限制高压油泵的供油量，使得驾驶员踩加速踏板时，主要控制天然气供给量，而柴油供给量限制在引燃油量范围内，当天然气气瓶中天然气压力低于1MP时，系统的工作难以正常进行，需要加气，由加气站提供的2025MPa压缩天然气，通过气瓶的加气嘴和气瓶充气阀4注入气瓶。 2.3各部件的功用2.3.1 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；手动关闭阀是当天然气汽车因加气、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。 2.3.2 压力调节器燃气压力调节器的作用：将天然气的压力从20MPa降到0.5 Mpa左右，并且在压力调节器上装有压力传感器在与驾驶室内控制面板相连后，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。2.3.3 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。电子控制单元(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1O80 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。2.3.4 电子控制单元ECU是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。2.3.5 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。2.3.6 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。2.3.7 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 rmin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。2.3.8 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。3. 系统的整体设计3.1系统整体改装方案 本文是根据原机配备一套气体供应系统,系统图如图3-1,双燃料开关控制器可以实现天然气和柴油的切换,可以根据排气温度、进气压力信号、油门开度信号反馈来控制步进电机,控制天然气的量,以确保天然气和柴油在适当的比例下进入发动机，通过少量的柴油引燃工作。混合器步进电机天然气排气温度信号 发动机进气压力信号双燃料控制器油门开度信号 油门 图3-1 系统图3.2 柴油机改装双燃料发动机的技术方案3.2.1 基本要求总原则要达到以下的实际应用效果：(1) 低成本; (2) 合适的技术指标; (3) 实际操作使用性能。(1) 低成本 从经济型角度看, 过高的成本改装方案毫无市场应用前景。成本主要包括双燃料供给系统、改装成本和使用维护成本。所以, 尽可能采用现有成熟技术, 简化系统结构是降低成本的有效措施。(2) 合适的技术指标 双燃料方案不可能解决所有问题, 因此对于改装的双燃料发动机应提出合适的技术指标。一般而言, 要求大幅度降低碳烟排放, 经济性有所改善,而动力性和操纵性能不应有显著下降。(3) 实际操作性能 除了保证良好的过渡工况性能外，还应不应该改变司机人员的操作习惯。3.2.2 改装策略 考虑到结构，不改变原来的柴油发动机，将其改造成双燃料，而不是单独燃用气体燃料的发动机如天然气发动机。双燃料发动机可以根据市场情况而定，不必要求建立过多的天然气加气站。燃料系统的控制方式可以选择电子控制，也可以选择机械控制。电子控制的方式已经在柴油机领域得到了很大的发展, 但是对于机械控制的传统柴油机还是不太适合, 而且昂贵的电控系统也造成改装成本过于高昂。 还有一种简单的控制方式是电控加上机械, 这种方式在双燃料状态运行时以少量柴油作为引燃油,柴油的量是固定的, 只控制天然气供给量。这种方式难以优化整个负荷范围内的柴油/天然气比。此外，该系统的成本还是很高的。简单的机械控制方案, 采用杠杆联动机构将柴油供给量与油门相联接。这种方式不能应用于实际改装，是由于其无法实现柔性控制天然气-柴油比例。基于上面的分析和讨论, 确定改装的策略是:非电控柴油机的改装采用合适的机械控制方式的双燃料供给系统。不以追求单纯降低烟度或者柴油替代率为目标, 而是考虑实际的使用效果, 使得改装后的双燃料发动机满足综合的技术指标,并且具有良好的操作使用性能，当然成本也应该适当地低点。因此, 提出一种以型板为特征的机械控制式双燃料供给系统。3.3 所选用的原始数据图3-2 所选用的柴油机玉柴YC6M280 系列：YC6M 发动机形式：立式、直列六缸、水冷、四冲程最大输出功率：206KW额定功率转速：2100RPM 最大扭矩：1180N.m 最大扭矩转速：1600r/min 燃油消耗率：193g/kw.h4. 系统各组成部分的设计4.1 柴油喷射系统 柴油机喷射系统与原柴油机的柴油喷射系统是基本相同的，如图4-1是一种柴油喷射系统的结构原理图。高压柴油泵通过在发动机后端的齿轮箱中的油泵驱动齿轮驱动，油泵转速是发动机转速的1/2，发动机工作相位与供油顺序对应为1-5-3-6-2-4，供油相位角由位于油泵驱动轴上的提前器控制。高压油泵输出的高压柴油通过高压油管输送到喷油器，在每个气缸的压缩上止点附近，在高压柴油的压力影响下，喷油器开启，柴油机的燃油喷入燃烧室。图 4-1 柴油喷射系统 柴油喷射系统中，柴油燃料喷射量控制机构由两套构成，一种方式是位于油泵后端的油量执行器(步进电机)，一种方式是原高压油泵前端的调速器，两套控制机构都直接与油泵的油量控制齿条连接。两者的差别在于油量执行器仅仅与齿条端面接触，只能够减小齿条位置，不能够增大。而调速器与齿条连接，既能增大齿条的位置，也能够减小。 调速器根据发动机的转速、油门位置开度和增压后空气压力控制油泵齿条位置，进而控制柴油喷射量。油量执行器受ECU控制，根据其指令动作控制齿条位置，以纯柴油状态运行时，ECU停止油量执行器动作，油泵的工作特性与纯柴油完全相同。在双燃料状态运行时，ECU根据发动机的工作状态，通过计算控制油量执行器动作，进而控制齿条的位置。综上所述，油量执行器的作用是减小油量，因此，双燃料状态下的齿条位置将远远小于同等发动机工作状态的柴油机齿条位置。也就是说，在双燃料发动机工作状态下，齿条位置同时受调速器和油量执行器控制，但由于油量执行器控制的齿条位置远小于调速器控制的齿条位置，实际上油泵的齿条位置由油量执行器控制。4.2 天然气供给系统 为满足上述改装原则，所采取的技术方案是对原车结构不作任何改动，只在原车上增加一套天然气供给系统。天然气从进气管以预混合的方式进入气缸，并以简单的机械方式控制发动机各工况的天然气供给量。天然气供给系统如图4-2所示。天然气由储气瓶经手动截止阀流至减压器，在减压器中，天然气的压力从20MPa降至一0. 1kPa +0. 05kPa，发动机的冷却水由一支路经过减压器，提供天然气膨胀时所需的热量以免减压器产生结霜现象。在柴油机进气管负压作用下，膨胀后的天然气经负荷调节器进入进气管上的文杜里混合器，并在此与空气混合后被吸入气缸，由喷入缸内的柴油引燃。 图4-2 天然气供给系统 天然气供给量随柴油机负荷变化的调节由一个与柴油机油门相随动的负荷调节器来实现。负荷调节器由天然气调节阀、型板等组成，它与柴油机油门之间依靠差动拉杆连接，当柴油机负荷增大时，油门增大，同时带动天然气调节阀增大天然气流量，当柴油机负荷增大到某一数值时，柴油机油门被锁死，柴油量维持不变，但差动拉杆继续带动天然气调节阀从而进一步增大天然气供给量。这种天然气与柴油的差动供给的方法，在一定程度上改善了双燃料汽车的低负荷燃料经济性。 天然气供给量随柴油机转速变化的调节由文杜里混合器控制。文杜里喉口的真空度随发动机转速的增加而增大，此时天然气的吸入量也相应增加，从而保证了天然气每循环供给量基本不变。天然气的供气方式主要有以下两种方式即缸外供气和缸内直接喷气。 (1)缸外供气主要包括缸外进气阀处喷射供气和进气道混合器预混合供气;进气道混合器预混合供气又分为电控天然气-柴油和机械控制天然气-柴油两种形式。电控式天然气进气量和引燃柴油喷油量的大小都可独立控制，为发动机的扭矩储备、降低排放提供了帮助，但是结构相对较复杂。机械式由于天然气供给量和引燃柴油的供给量不能随发动机的工况变化而准确地调整，天然气替代率随负荷的变化发生较大的变化。总之，缸外供气由于柴油自燃的发火点多而且比电火花提供的能量大，可以点燃相当稀的天然气空气混合气，并且燃烧速度较快，所以发生爆燃的倾向减少，可以采用和柴油机一样的压缩比。这种双燃料发动机的功率调节方式在较多的情况下是保持引燃油量一定，调节天然气量来调节功率。 (2)缸内直接喷气主要包括缸内高压喷射供气和低压喷射供气。90年代以来，人们开始研制开发缸内供气方式，其中低压喷射主要用于压缩比较低、在压缩过程中喷射的点燃式气体燃料发动机上。高压喷射主要用在压缩比较高和压缩终点喷射的气体燃料发动机上。目前又有RAM调制柴油喷射的其他燃料发动机预喷射系统，先将少量柴油喷入燃烧室一预喷射，柴油的自燃可确保在燃烧室中形成足够的着火表面，以保证随后的气体燃料与空气的混合气着火。加拿大British Columbia大学提出了天然气缸内高压直接喷射技术，如图4-3所示，此系统柴油和天然气共用一个喷射器，该喷射器与原柴油喷嘴的形成和尺寸完全一致，喷射时刻和喷射持续时间由电磁阀和液压系统控制相结合，在接近压缩终点时喷入微量引燃柴油作为点火燃料，随后高压喷入天然气。缸内喷射的好处在于有增压的效果和避免了进气重叠期间损失天然气，但是需要研制的柴油天然气复合喷射器结构复杂，技术要求很高，目前只见于大缸径固定式发动机，尚未推广普及。 1柱塞 2推杆 3复位弹簧 4混合腔 5针阀 6单向阀 7引燃柴油流量阀 8滑阀 9电磁线圈 图4-3油气共用高压喷射示意图4.3 发动机燃料控制系统4.3.1 双燃料发动机燃料控制系统的分析 天然气-柴油双燃料发动机的燃料供给系统可以采用机械控制方式或电子控制方式。机械控制的燃料供给系统改装成本低、改装工作量小、工作可靠性高, 对于目前国内在用车的柴油机改造比较适用。车用发动机是在不断变化的转速和负荷下工作的。在低速低负荷时, 天然气燃烧不好, 发动机运行不平稳, 影响车辆的正常行驶, 同时排气中的污染物也会增加, 故此时需要用纯柴油运行; 当转速和负荷高于某个限定状态后供气, 低于这个限定状态停止供气。因此在车辆运行过程中油气转换非常频繁,这些变换过程需要自动进行。另外, 在不能正常供气时,要求发动机能迅速进行转换, 不得影响车辆的正常行驶。我国目前在对柴油机进行双燃料改造时, 基本上是采用油气分开调整控制的方法。这一方法对于在实验室进行研究是可以的, 但对于在复杂路况上行驶的汽车采用这种燃料控制方法, 改装工作量较大, 控制检测单元多, 操作不方便, 原机调速器失去调速功能; 并且发动机燃用纯柴油和双燃料时,司机控制踏板的感觉差别较大, 不实用, 而且发动机的动力性、经济性以及排放性能很难满足要求。因此, 对柴油机进行天然气- 柴油双燃料改造时, 应着重从提高发动机性能和简化改装及操作使用入手。4.3.2 燃料控制系统的控制原理及特点 天然气/柴油双燃料发动机燃料控制系统简图如图4-4所示 发动机 混合器 油气切换、引燃油量控制 燃气阀油 泵、 调速器天然气瓶减压阀图 4-4 燃料控制系统 在该控制系统中, 油泵、调速器、油气切换、引燃油量控制装置以及燃气阀集成为一体, 油泵齿条与燃气阀联动。 (1）当发动机运行于纯柴油状态时 柴油机在改装过程中, 将所要设计的燃料控制装置与原机的油泵及调速器进行相相连, 且不对原机的油泵及调速器的性能产生任何影响。当发动机运行于纯柴油状态时, 燃料控制装置中的油气切换及引燃油量控制部分不工作,关闭 减压阀上的控制电磁阀,天然气气路被断开。司机根据所需要的发动机工况，通过控制踏板来控制燃油的供给, 使发动机保持原机性能。（2） 油气的切换 当发动机以双燃料的状态运行时, 司机只需要启动双燃料运行按钮。这样燃料控制装置中的油气切换及引燃油量控制部分就会开始工作, 同时减压阀上的控制电磁阀开启。引燃油量根据不同的发动机工况进行自动调整。踏板控制油泵齿条与燃气阀联动, 根据需要的发动机工况控制天然气与引燃油的供给, 并调整其比例。系统设计时充分考虑了操作的简便性以及工作的可靠性, 可以在任何发动机工况下进行油气切换。 油气切换如在发动机启动前进行, 燃气阀的回动机构可以保证发动机启动时所需要的油量, 为了避免发动机启动时冒黑烟的现象，可以加入部分天然气。在低速低负荷工况下, 司机控制燃油量依然是通过踏板调节的, 以保证发动机良好的燃烧; 虽然此时已开启减压阀上的控制电磁阀, 但仍要使燃气阀处于关闭状态。在其它工况下, 调节天然气量和引燃油量是通过踏板同时控制的。油气切换如在发动机运行过程中进行, 引燃油量控制机构可以快速地调整燃油量和天然气量, 使发动机平稳过渡到双燃料运行, 或者由双燃料运行工况过渡到纯柴油运行工况, 而不需要重新启动发动机。在发动机工作期间, 任何原因引起天然气突燃停止供气时, 通过气路中的电动传感元件，发动机自动转换为纯柴油运转的模式, 使其运转不间断并保持扭矩的连续性。4.4 天然气储存系统的设计天然气储存系统包括气瓶、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。5. 系统主要部件的设计5.1 气瓶设计天然气的储气瓶一直是天然气汽车重要的专用装置之一，它的成本约占天然气汽车改装总成本的30%70%。图5-1 气瓶5.1.1 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。5.1.2 储气压力确定依据国家标准GB/17258-1998的规定，天然气储气瓶的设计压力为。它是综合考虑到储气瓶的容重比以及天然气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。5.1.3 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。如5-2图 气瓶结构5.1.4 尺寸设计综合目前市场上的各种因素：如所，续驶里程，使用的储气瓶情况以及国家标准GB17258-1998，查标准中的表1，确定所设计气瓶的公称容积，公称外径。(1） 气瓶的壁厚气瓶壁厚应满足以下两式 （5.1） （5.2）其中 S钢瓶筒体设计壁厚(mm) 钢瓶筒体外径(mm) 瓶体材料热处理后的屈服应力（MPa) 水压试验压力（MPa）由材料为35CrMo知 =440MPa水压试验压力 （P为储气压力）取壁厚为10mm（2）瓶口螺纹根据GB8335-1998 气瓶专用螺纹的规定，查标准中的表1选择瓶口阀螺纹代号为PZ27.8的圆锥螺纹。5.2截止阀的设计气瓶到燃气压力调节器之间应设置手动关闭阀。当天然气汽车因加气、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。手动关闭阀是天然气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。5.2.1 结构设计 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5-3 截止阀的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。5.2.2阀杆的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 (5.3)其中阀杆轴向力(N)密封力(N)介质力(N)密封力 (5.4)由设计结构初定阀座密封面平均直径 阀座密封面宽度 又密封必需比压 (p为储气压力)所以介质力 (5.5)即 所以阀杆的最大轴向力2 阀杆力矩计算阀杆力矩 (5.6)其中阀杆力矩()关闭时阀杆螺纹摩擦力矩()关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩()关闭时阀杆螺纹摩擦力矩 (5.7)由结构初定关闭时阀杆螺纹的摩擦半径 所以 关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩 (5.8)由结构知，阀杆头部球面半径 由阀杆材料知，阀杆材料弹性模数 所以 故截止阀力矩 3 阀杆强度校核由阀杆材料为1Cr13 查得 许用拉伸应力 许用扭转应力 许用合成应力 阀杆所受拉伸应力 (5.9)即 阀杆所受扭转应力 (5.10)即 阀杆所受合力应力 (5.11)即 故满足条件。5.3 气瓶阀的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，爆破片公称爆破压力为水压试验压力，允差为。天然气为可燃气体，按国家标准螺纹为左旋。5.3.1 结构设计设计的气瓶阀结构如5-4图所示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手轮如5-4图 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。5.3.2泄放直径校核初步设计泄放直径为。达到安全泄放满足条件 (5.12)其中W设计泄放量() 安全泄放量()安全泄放量 (5.13)式中压力源进口管内径 介质密度 介质流速 所以 设计泄放量 (5.14)式中额定泄放系数 气体特性系数 设计爆破面积 气体摩尔质量 气体压缩系数 进气口温度 爆破压力 所以 满足条件。5.4 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天然气装置的总称。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。充气阀结构如5-5图所示1防尘盖 2加气口 3单向阀4接头 5密封圈 6泄放塞 如5-5图 充气阀结构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。5.5天然气加热器的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5-6所示。 1外壳 2内筒 3垫块 4接头如5-6图 天然气加热器 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。5.6 燃气压力调节器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。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。5.6.1 结构设计设计的燃气压力调节器结构如图5-7所示。 1调节螺栓 2阀盖 3调节弹簧 4阀帽 5弹簧垫片6密封膜片 7阀瓣 8阀座 9阀体 10阀座弹簧 11安全阀阀盖 12安全阀阀座 13安全阀弹
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