天然气供气系统结构与工作原理

天然气供气系统结构与工作原理天然气供气系统结构与工作原理 天然气供气系统的性能 同发动机优化匹配情况 对天然 气发动机性能有至关重要的影响 如表 4 1 所示 在解放 ca6102 型汽油机上 采用不同的供气系统装置 提高压缩比 充分证明压缩比的提高可部分补偿发动机的标定功率损失 而 且采用性能优良的供气装置可使标定功率损失大幅度降低 原 机压缩比为 6 75 时 采用 1 供气装置的标定功率损失达 24 2 压缩比提高到 7 6 时标定功率损失降为 18 1 而采用 2 供气装置 压缩比为 7 6 时 同原机型相比 标定功率损失 可降低到 10 左右 试验中采用的天然气中 ch4 含量均在 95 左右 采用 7 6 压缩比和 2 供气装置 时 同时采用了改进型进气道 加大了进气充量 若作为 cng 和汽油两用燃料 发动机 应采用 90 汽油 天然气供气系统包括高压电磁阀 减压阀和混合器等 其中最关键组件就是减 压阀和混合器 下面分别介绍 一 减压阀一 减压阀 天然气减压阀是 gng 汽车供气系统中的重要组成部分 目前国内使用的进口减 压阀有三级也有四级 其玉作原理基本上是一致的 汽车在运行中所需天然气的量值是一个复杂的数据 对减压系统的技术要求非 常高 生产工艺的难度也比较大 整套减压系统进口价格较高 图 4 5 是减压 阀的结构原理图 从高压钢瓶中释放出的 cng 流经高压管 再经过接头 1 进入减压阀 cng 经过 过滤器 2 滤除气体中的杂质 进入阀腔 4 气体作用在橡胶膜片 5 上产生与弹 簧 6 的相互作用力 当腔 4 气压达到一定值时 作用于杠杆的合力矩迫使 阀 门 3 关闭 cng 不再进入腔 4 这一过程 完成了高压天然气到低压天然气的第 一级压降 腔 4 中的气体经孔 7 进入腔 8 此时电磁阀 14 处在断电的常闭状态 气体经标定孔 9 和孔 10 进入腔 11 腔 8 与腔 11 由膜片 12 分开 由于膜片 12 两面所承受的气压相同 在这种情况下弹簧 16 封闭了通向腔 18 的通道 17 使 腔 8 腔 4 腔 11 中的气体保持静态 其压强等于 0 25mpa 当汽车开始发动 时 电磁阀 14 通电 封闭孔 13 打开 腔 8 中的气体经标定孔 9 流入孔 13 阀 门 15 是控制由孔 13 进入腔 18 的气流 在弹簧 21 的作用下调整旋钮 22 可以控 制进入腔 18 的气压 通常将其控制在 0 0 178mpa 无论何时只要腔 18 产生文氏真空 经孔 13 和阀 15 进入腔 18 的气体超过了标 定孔 9 的供气能力 腔 11 就会产生压降 腔 8 因为有从腔 4 的不断补充仍然保 持在 0 25mpa 这样腔 8 与腔 11 的压力差迫使弹簧 16 打开通道 17 大量的气 体流入腔 18 满足汽车发动机需要 减压阀的大幅度压降导致温度的下降 为防止结冰影响密封件的寿命必须采用 加温装置 将减压阀与发动机的冷却系统接通 热水由接头 a 流入 经腔 b 由 接头 c 流出 在接头 c 里安装有一个特殊的恒温器 由于热水不断循环就使减 压阀的工作温度始终保持在 50 左右 二 混合器二 混合器 天然气的混合器同汽油机的化油器作用类似 因此由简入繁 从最简单的单一 功能到发动机各种工况要求而愈发复杂 在定量配气时 空气和天然气处于同一聚集状态 其流量规律是相近似的 可 以比气液更容易混合成所需比例 因此 混合器最简单流程如图 4 6 所示 但 是 实际的减压阀不能提供这样的理想条件 减压阀出口气压变化很大 这是 由于混合器的流量特征以及气体总能量的下降所致 气体总能量下降在其流量 小时对压力影响很大 也就是说 在压差较小情况下 气体的准确定量是不可 能的 由此得出的结论是 供给怠速系统和主供气系统的燃料应分别送到混合 器扩散管 图 4 7 这两个系统的供气比例可按两种方法确定 直接在减压阀 出口处使用限制量孔或混合器中的燃料气喷孔 图 4 7 结构的优点是流程简单并能节约天然气 其缺点是在主定量配气单元之 后管路分叉 因此可能在系统之间产生无法控制的气体串流 这种串流会歪曲 气体的定量配比 并降低发动机在某些运转状态下混合器的工作稳定性 实际 上 在限制量孔之后管路中的真空状况 决定于通过怠速系统的气流量和主供 气系统出口处的真空状况 在最低空转转速 即怠速 时主供气系统出口处真空 度小 因此空气很容易从混合器空气道进入主供气系统 在这种情况下 天然 气干道的压力接近大气压 由于减压阀所调压力低于大气压 发动机实际上是 不可能工作的 所以 这种最简单的流程只有在减压阀所调压力大于大气压时 才能工作 但是 在这种情况下 由怠速系统的调节机构帮助 精确控制供气 量是不可能的 因为剩余气体很容易经过主供气系统进入混合器的空气道 基 于这个原因 就必须用调整减压阀的方法来调节最低空转转速时的供气量 这 就不能保证供气的高度精确性和稳定性 此外 在打开节气阀增加负荷的初期 时 天然气干道中的真空度将迅速上升 这将导致混合气变稀和发动机工作 间歇 消除上述缺点的较合理方法是在混合器中采用一种专门的单向阀 图 4 8 可 以在天然气干道中压力低于该系统出口孔处压力时 防止空气通过主供气系统 进入怠速系统 同时也可在空气道真空度不够情况下防止天然气不受控制地进 入混合器空气道 但是 这个流程需要采用足够密封的高灵敏度的 即具有不大 锁闭力 单向阀 然而 单向阀在打开时刻前会阻碍天然气通过主供气系统 从 而会使混合气变稀 并在节气阀打开时刻使发动机工作 间歇 为弥补 间 歇 必须节气引进转移孔 带单向阀的流程虽然比较完善 但只有在单向阀具有灵活性和密封性 在规模生 产中要达到这些要求是十分复杂的 的情况下 才能实现其优越性 另一个流程方案是上述混合装置的进一步发展 这个方案是用阀门配气 由节 气阀传动杆来控制配气阀门 图 4 9 使活瓣式闸门同节气阀能可靠地同步打 开 此方式可达到在怠速方式时 供气量准确且调节稳定 即使压力波动大也 不会改变混合气组成 因为天然气是在极高真空度下进行定量配料 这个方案的特点是 当节气阀一次打开很大角度时 配气阀同步打开 来保证 相应的供气量 在这种情况下由于在主供气系统的出口孔处有足够大的真空度 整个转移过程进行得均匀 但是 当节气阀打开角度小而且出口孔处的负压还 比较低时 正如以上各方案一样 如果减压阀调节的压力低于大气压 就会为 空气通过主供气系统创造条件 为避免这种情况发生 应在混合器系统中设立 转移孔 而配气阀只有在出口孔处真空度超过输气干道内的真空度时才打开 在减压阀调节的压力大于大气压情况下 打开配气阀时混合器的空气道会再进 入一些天然气 达到类似转移孔所提供的效果 所以 无须转移孔就可保证在 节气阀打开角度不大情况下 获得必要的转移过程和负荷方式 还有一种较少应用的流程 这种流程就是让空气和天然气同时进入发动机进气 道 在这种情况下 混合气组成可按相应规律同时打开这两个进气道的节气部 件来调节 这种流程如图 4 10 所示 上述各流程可以独立地作为天然气混合器形式 或以汽油天然气汽化器形式来 实现 在采用第一种形式时 由于可自由选择结构设计 一般实行上述任一流 程不困难 而建立汽油天然气汽化器形式则较为复杂 因为在这种情况下要选 择具体的汽油汽化器为基础 并要在其结构中加入一些供气系统 原则上 汽油汽化器的结构流程方案可有如下几种 1 天然气供应经过安装在汽化器和空气过滤器之间的连接管此方案优点是可 完全保留基础汽化器的结构 其缺点是在主供气系统出口处难以保证所需的真 空度 而且还要利用外部干道将天然气输往一般位于连接管内的怠速系统 此 外 由于导气装置增加了阻力 装置还可能改变基础汽化器所制备的混合气组 成 另外 该方案会降低天然气发动机的最大功率 因为该装置单位体积很大 使进入气缸的空气量大为减少 2 第二个方案是将天然气导入基础汽化器的扩散器这个方案的优点是保持了 基础汽化器的高度 天然气系统内真空度高 为天然气和空气混合创造了良好 条件 与基础汽化器相比较 空气通道内的阻力保持不变 缺点是必须对基础 汽化器的主要部件 浮子室外壳 的结构做很大地改变 结果是会极大地减少汽 油天然气汽化器的通用程度 从而不得不制造新的工艺设备和用具 3 第三种方案是在汽油天然气汽化器流程中 天然气通过浮子室外壳和节气 阀外壳之间嵌接管导流 图 4 11 该方案的优点是可以最低限度地改变基础汽 化器的部件 主供气系统和怠速系统之间可直接相连 缺点是与基础汽化器相 比较 它可增加汽油天然气汽化器的高度 不管是使用天然气还是汽油都会降 低发动机功率 约降低 1 1 5 是由于要在气体系统获得足够的真空度 必 须在安装嵌接管的地方减少管道口径 从而引起空气道中阻力的增加 在汽油汽化器中可用两种方案来实现怠速稳定 在基础汽化器的节气阀外壳中 直接安装一些管道 或者在汽化器下安装进气管 见图 4 lo 第一个方案的缺 点是要共同实现两种怠速系统 汽油和天然气 比较复杂 第二个方案的缺点 是 与基础汽化器相比较 增加了汽油天然气汽化器的高度 且难以安排转移 孔 上面探讨了针对单室汽化器的气体混合装置的流程 在建立以双室汽化器为基 础的气体混合器装置时 采用并联打开节气阀不会产生新问题 而对上述单室 汽化器流程所做的一切结论均可完全推广到双室汽化器的结构 如果将顺序打开节气阀的双室汽化器作为基础 就会出现一些特殊的 细节问 题 为弄清这些问题 必须研究两种流程 采用限制量孔或直接在每个室的 主供气系统入口处安装配气喷孔 这里应指出 为保证在怠速状态时工作的稳 定性 可利用单室流程决策 即在干道上安装单向阀门或断开阀门 采用限制量孔的流程时 用阀门隔开第一和第二室的主供气系统是不合理的 限制量孔的通过能力应能保证天然气流量能与通过第一室的空气流量成正比 在刚打开第二室时 汽化器中的空气流量增加 而第一室扩散器中真空度减少 相应地在限制量孔后的天然气干道中的真空度增加和天然气流量减少 如果在 此时刻将天然气干道同第二室主供气系统之间的阀门打开 则天然气流量下降 很多 因为在节气阀打开角度小的情况下第二室的扩散管中真空度低 并且空 气经第二室主供气系统渗漏到天然气干道 从而进一步降低了限制量孔后的真 空度 显然 这样的定量配料是不符合要求的 在第一室和第二室的主供气系统之间存在恒定联系时 即在没有断开阀门情况 下 在第一室的节气阀部分打开状态下有可能利用第二室的天然气系统作为空 气喷孔 在这种情况下 随着第二室节气阀打开程度的增加 向天然气干道渗 流的空气减少 相应地增大了天然气供气量 从而可避免混合气变稀和发动机 工作的 间歇 因此 在单室改为双室工作状态时 这种流程具有自动补偿 混合气组成的性能 但是 该流程只能保证天然气总流量同空气总流量的数量 上符合 但同时又为发动机气缸内天然气分布不均匀性的增加提供了条件 实 际情况是 在供气系统相互作用过程中汽化器第一室内天然气流量增加 而在 第二室内空气流量增加 因此 在发动机进气管的入口处形成极不相同的两股 混合气流 从而导致各气缸