压缩天然气、液化石油气及醇类燃料发动机燃料系统

第十二章压缩天然气、液化石油气及醇类燃料发动机燃料系统主要内容：第一节：概述第二节：天然气发动机燃油系统第三节：液化石油气发动机燃油系统第四节：醇类发动机燃油系统新能源汽车一、电动汽车（一）纯电动汽车有以下优点：①零排放。纯电动汽车使用电能，在行驶中无废气排出，不污染环境。②电动汽车比汽油机驱动汽车的能源利用率要高。③因使用单一的电能源，省去了发动机、变速器、油箱、冷却和排气系统，所以结构较简单。④噪声小。⑤可在用电低峰时进行汽车充电，可以平抑电网的峰谷差，使发电设备得到充分利用。（二）纯电动汽车有以下缺点：（1）续驶里程较短；（2）采用蓄电池及电机控制器使成本较高；（3）充电时间长；（4）目前没有授权服务站，维护成本较高；（5）蓄电池寿命短，几年就得更换。二、油改气及双燃料汽车1、什么是天然气汽车简单地说，天然气汽车是以天然气为燃料的一种气体燃料汽车。 天然气的甲烷含量一般在90%以上，是一种很好的汽车发动机燃料。目前，天然气被世界公认为是最为现实和技术上比较成熟的车用汽油、柴油的代用燃料，天然气汽车已在世界和我国及我市得到了推广应用。 我市目前推广应用的是可分别燃用压缩天然气或汽油压缩天然气—汽油两用燃料汽车，简称cng汽车，今后还将大力推广应用单燃料天然气汽车。车用压缩天然气的压力一般在20mpa左右。可将天然气，经过脱水、脱硫净化处理后，经多级加压制得。其使用时的状态为气体。第一节概述一、代用燃料的种类：发动机代用燃料包括天然气、液化石油气、甲醇、乙醇、生物质燃料、氢气等。1、天然气优点：辛烷值高、燃料成本低、CO排放低、形成臭氧可能性小、无蒸发排放。缺点：储运不便，汽车改动较大、加速性及续驶里程有待提高、缸外混合时发动机性能欠佳，需投资建基础设施2、液化石油气优点：储存运输方便、加气站设施相对简单、体积能量密度比压缩天然气高出两倍左右，续驶里程长、热值高于天然气、CO和HC排放较少缺点:nox排放与汽油机相差不多密度大于空气、如有泄漏会向地面沉积。乙醇优点：资源广泛，可再生资源，易于储运缺点：汽车改装费用高、容积油耗高，投资大第二节天然气发动机燃油系统CNG和LPG的主要优点有：1)天然气和液化石油气在常温下为气态，容易与空气混合形成均匀的可燃混合气，燃烧完全，可以大幅度减少CO、HC和微粒的排放。另外，天然气和液化石油气的火焰温度低，因此NOx的排放量也相应减少。2)天然气辛烷值高达130，液化石油气的辛烷值也在100左右，因此，燃用天然气或液化石油气可提高发动机的压缩比，从而获得较高的发动机热效率。3)冷起动性和低温运转性能良好，在暖机期间无需加浓混合气。4)燃烧界限宽，稀燃特性优越。燃烧稀混合气，可以减少NOx的生成和改善燃料经济性。5)不稀释润滑油，可以延长润滑油更换周期和发动机使用寿命。LNG和LPG的缺点是：1)因为天然气在常温、常压下是气体，所以其储运性能差。目前广泛采用将压缩天然气充入车用气瓶内储运的办法，这些气瓶既增加了汽车自重，又减少了载货空间。虽然可以通过深冷液化技术制成液化天然气(LNG)，但技术复杂，生产成本高。2)一次充气的续驶里程短。3)CNG或LPG均呈气态进入气缸，使发动机充量系数降低；另外，与汽油或柴油相比，CNG或LPG的理论混合气热值小，因此，燃用CNG或LPG将使发动机功率下降。(一)汽油/CNG两用燃料发动机将汽油机改装为汽油/CNG两用燃料发动机之后，当燃用天然气时，发动机的功率和转矩都会明显下降。有研究表明，适当提高改装机的压缩比不仅可以减小功率损失还能改善发动机的燃料经济性。1.CNG供给系统组成及工作原理目前，汽油/CNG两用燃料发动机的CNG供给系统有多种类型。国产CYTZ-100型CNG供给系统是采用步进电机伺服阀和比例调节式混合器的闭环控制系统。车用气瓶的容量为50L，压力为20MPa，通过安装在每个气瓶上的连通阀及高压管路将数个气瓶连通。当驾驶人将汽油/CNG转换开关25置于"气"位置时，电控单元(ECU)24向CNG电磁阀10通电，电磁阀开启。车用气瓶6内的CNG经充气阀7、过滤器8、手动截止阀9和电磁阀进入减压调节器14。CNG在减压调节器内降压，低压的天然气经步进电机15控制的低压通道进入混合器16。在混合器中天然气与空气混合后进入气缸。ECU根据氧传感器21和发动机转速传感器20的信号，通过调节步进电机伺服阀的行程来改变减压调节器至混合器之间的低压通道通过面积，以控制天然气的流量。2.减压调节器由于气瓶内的CNG压力随着燃料的消耗不断变化，因此要想保持稳定的天然气与空气的混合比例，需安装减压调节器。减压调节器可以保证在气瓶内的压力发生变化时进入混合器的天然气压力基本恒定。减压调节器将气瓶内CNG的压力由20MPa降至常压一般要经过三级减压CYTZ-100型三级减压调节器的结构。减压调节器工作原理：当发动机不工作或不燃用CNG，即没有CNG进入减压调节器时，一级阀口、二级阀口和三级阀口均处于常开状态。当发动机工作时，CNG经进气口进入减压调节器，并通过一级阀芯和密封片之间的一级阀口进入减压调节器A腔，进行一级减压，压力由20MPa降至0.8MPa左右。若压力超过0.8MPa，则一级膜片在CNG的压力作用下克服主弹簧的预压力而向上弯曲，并带动一级阀芯向上将一级阀口关闭。A腔内的CNG经二级阀口进入B腔，进行二级减压，压力降至0.02kPa。随着CNG进入B腔，A腔内的压力逐渐降低，若压力低于0.8MPa，则一级膜片在主弹簧预压力的作用下向下弯曲，并带动一级阀芯向下使一级阀口开启。进入B腔的CNG经三级阀口进入C腔，进行三级减压，压力降至3.0MPa，然后经步进电机伺服阀进入混合器。若B腔内的CNG压力超过0.02MPa，则CNG压力经通气孔作用到二级膜片，使其向上压缩二级弹簧，同时压迫二级顶杆将二级阀口关闭。若由于B腔内的CNG不断流入C腔而使B腔内的压力下降至0.02MPa以下时，则二级膜片在二级弹簧的作用下放松二级顶杆及二级阀片将二级阀口开启。减压调节器上装有一级调压螺栓和三级调压螺栓，分别用来调节一级减压压力和三级减压压力。CNG流过减压调节器时，压力大幅度降低，温度也随之急剧下降，CNG中的水分可能结冰，造成阀口和管道堵塞。因此，减压调节器设有加热用循环水套，利用发动机的冷却液对CNG加热，以防止其减压后温度降至冰点以下。3.比例调节式混合器混合器的作用是将空气和天然气按一定比例混合，形成一定浓度的可燃混合气。比例调节式混合器的工作原理是利用进气管真空度同时控制空气和天然气通道的通过面积，以控制混合气的空燃比。混合器安装在化油器的进气口上。混合器的C腔经化油器与进气歧管连通，A腔与发动机的空气滤清器相连，D腔则通天然气低压通道，膜片室B通过气孔与C腔相通。当发动机工作时，进气管真空度传至C腔，并通过气孔传入膜片室B，使膜片室产生真空。由于A腔接近于大气压力，因此膜片在A腔与膜片室的压力差作用下，克服膜片自身的重力和弹簧的弹簧力向上弯曲，打开天然气阀口和空气入口，使天然气和空气进入C腔并在其中混合后进入发动机。在发动机工作期间，膜片将随着进气管真空度的变化而上下运动，天然气阀口和空气入口的开度也就随之变化。当发动机停机时，A腔、C腔和膜片室B均为大气压力，膜片在其自身的重力和弹簧力的共同作用下，向下弯曲并将天然气阀口和空气入口关闭。14.手动截止阀我国汽车行业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 QC/T245-1998规定天然气汽车应安装手动截止阀，当CNGV在充气、修理或入库停车时，用其截断气瓶到减压调节器之间的CNG通路。在截止阀阀体内装有柱阀，柱阀左端面嵌有密封垫，弹簧的预压力作用在柱阀的右端，保持柱阀常开，CNG从气瓶经柱阀流出截止阀。当转动手轮时，心轴向左压迫膜片并推动柱阀左移压在阀座上，使截止阀关闭。膜片由薄钢片或黄铜片制造，其作用是防止CNG通过心轴向外泄漏。在心轴上接一个加长轴，目的是为了把手轮装入驾驶室，以便驾驶人能在驾驶室内操纵截止阀的开闭。5.汽油/CNG转换开关汽油/CNG转换开关有三个位置，当转换开关置于"油"位置时，接通电动汽油泵电路，同时切断CNG电磁阀电路；当转换开关置于"气"位置时，接通CNG电磁阀电路，同时切断电动汽油泵电路；转换开关置于"中间"位置时，不接通两者之中任何一个电路。(三)电控汽油/CNG两用发动机喷射系统　　虽然利用步进电机伺服阀和比例调节式混合器的电控CNG闭环控制系统能够改善空燃比的控制精度，但是小气量工况的空燃比仍然难以准确稳定地控制。因此，近年来电控CNG喷射系统得到了快速发展。下面是电控汽油/CNG两用燃料发动机的燃料供给系统组成示意图，CNG和汽油的供给都采用电控喷射方式。电控单元根据来自各种传感器和各种开关的信号(包括曲轴位置、节气门开度、进气压力、进气温度、汽油/CNG转换开关、减压调节器后的天然气压力、天然气温度和氧传感器等)，利用其内存储的软件进行运算、判断和处理后，向天然气喷射器发出适时启闭的指令。天然气喷射器的结构及工作原理与电控汽油喷射系统的喷油器类似。在减压调节器后的天然气压力稳定的条件下，喷气量与喷射器开启的持续时间成正比，而后者由电控单元控制。电控CNG喷射系统要求减压调节器出口压力保持在0.6MPa左右，其变化范围不能超过平均值的±3%。一般采用两级减压调节器，第一级减压到1.2MPa左右，第二级减压到0.6MPa左右。对于汽油/CNG两用燃料发动机来说，通常是利用原有电控汽油喷射系统的控制系统，只增加几个传感器、执行器(如减压调节器后的天然器压力传感器和温度传感器，天然气喷射器、汽油电磁阀等)和一个供气控制摸块。原有的三元催化转换器和氧传感器仍可继续使用。三、柴油-CNG双燃料发动机　　柴油-CNG双燃料发动机的燃料供给系统是在原柴油机燃油系统之外增加一套CNG供给装置而构成的。由于天然气的自燃温度高出柴油一倍以上，不容易自燃，因此柴油压缩天然气发动机，在每一个工作循环，均由喷油泵经喷油器向气缸内喷入少量柴油作为"引燃燃料"，待柴油着火燃烧后再将天然气点燃。CNG储存在车用气瓶12内，压力为20MPa，打开供气阀9，CNG沿管道进入预热器8，由发动机的循环冷却液对CNG加热。升温后的CNG进入高压减压器7，将压力降至0.95～0.10MPa。在高压减压器之后设有气体压力异常信号发生器5和安全阀6。当高压减压器失灵并造成管道内气体压力过高时，信号发生器将发出信号报警，同时安全阀开启放出部分天然气，以避免由于气体压力过高而损坏系统内的其他元器件。如果因为密封失效天然气外泄而引起管道内气体压力过低时，信号发生器也将发出信号报警，这时驾驶人应关闭供气阀，停止向发动机供气，检查管路，排除故障。CNG流经电磁阀4并进入低压减压器15，在其中经两级降压后压力降到0.1～0.15MPa。随后天然气经计量器17进入混合器18，并在其中与空气混合后进入气缸，在压缩行程结束之前被已经着火燃烧的柴油点燃。1、喷油泵供油量调节齿杆限位器当发动机按柴油CNG双燃料工作时，作为引燃燃料的柴油，其每循环供油量较少且不随发动机工况变化。为此特设置喷油泵供油量调节齿杆限位器3，用来限定喷油泵供油量调节齿杆的位置。支架2固定在喷油泵盖上。当电磁铁4通电时，电磁铁推动拉杆1，拉杆推动挡铁7，使喷油泵供油量调节齿杆保持在作为引燃燃料的供油量位置不动。若电磁铁失灵，则联锁传感器5将自动切断电磁阀4的电源电路，使电磁阀关闭停止供气。2、电磁阀　　电磁阀的上部是电磁阀体，下部是滤清器。CNG在0.95～1.10MPa的压力下首先经过滤清器滤除其中的机械杂质，然后进入电磁阀，并经过带橡胶衬垫的平面阀9通向低压减压器。3、计量器计量器是控制供给发动机天然气量的装置，实际上就是一个节流阀，由驾驶人直接操纵。节流阀开大，供气量增多，发动机的功率增加。通常计量器与限速器制成一体。限速器用来限制发动机的转速不使其超速。当发动机转速超过允许的转速时，混合器喉管处的真空度经三通阀传入限速器膜片的下方并吸引膜片向下弯曲。膜片带动膜片拉杆向下移动。同时推动节流阀轴朝关闭节流阀的方向转动。由于节流阀关小，供气量减少，从而限制了发动机转速的升高。当发动机恢复正常转速之后，三通阀使限速器膜片下方与大气相通，膜片恢复到原来的位置，限速器不起作用。4、高压减压器高压减压器的构造。进入高压减压器的天然气先经滤芯滤除其中的杂质，然后进入高压腔A，再经过减压阀与减压器体之间的缝隙及减压阀与减压阀座之间的通道进入工作压力腔B，最后经减压器出口恒压输出。在此过程中，天然气由于在工作压力腔内膨胀而降压。在减压器内，作用于膜片上方的压力调节弹簧的弹簧力与作用在膜片下方的天然气压力和平衡弹簧的弹簧力保持相对平衡。当天然气输出量增多时，B腔压力下降，上述平衡被破坏。这时膜片在压力调节弹簧的作用下向下弯曲，带动推杆下移，使减压阀开大，进入B腔的天然气增多，B腔的压力又可复原。如果天然气的输出量减少，则情形相反，B腔的压力将会升高，使膜片向上弯曲并带动推杆上移，减压阀关小，进入B腔的天然气减少，B腔内的压力又降回到原来的水平。这样，减压器出口的天然气压力可以保持恒定。5、低压减压器减压器出口压力可以根据需要进行调节。当旋入压力调整螺钉4时，减压器出口压力增高，反之亦然。低压减压器是一个二级减压器，其一级减压机构由一级弹簧1、一级膜片2、一级杠杆3和一级阀门4等组成。二级减压机构由二级弹簧6、二级膜片7、二级杠杆11和二级阀门12等组成。此外，还有一个膜片与减压器壳体之间形成空腔B，B腔有孔通到混合器的喉管，因此B腔中的压力等于喉管真空度。膜片与二级膜片中间的空腔D与二级减压腔E相通。当发动机工作时，CNG经一级阀门首先进入一级减压腔C，进行一级减压。若压力超过设定值，则一级膜片克服一级弹簧的压力向上弯曲，带动一级杠杆将一级阀门关闭，中止CNG流入C腔。随着CNG经二级阀门不断流入二级减压腔E，C腔内的压力逐渐下降，若压力低于设定值，则一级弹簧推压一级膜片向下弯曲，并带动一级杠杆将一级阀门开启，使CNG充入C腔。CNG进入E腔后，进行二级减压，压力降至0.1～0.15MPa，然后经减压器出口被吸入混合器。E腔内天然气的压力由二级减压机构控制，其动作与一级减压的情况类似。在发动机低速工作时，由于混合器喉管真空度减小，B腔内的压力增大，膜片被弹簧压在二级膜片的托架上，使二级膜片向下弯曲并带动二级杠杆将二级阀门关闭，停止向混合器供给天然气。这时柴油机由燃用双燃料转换为全部燃油的工作状态。当转速升高时，混合器喉管真空度增大，膜片被吸向上弯曲，解除对二级膜片的限制，二级减压机构恢复正常的减压供气。6、混合器二级弹簧座滑套可在减压器壳体中上下调节其位置以改变二级弹簧的预紧力，从而可在一定范围内改变二级减压后的天然气压力。滑套上的孔A与混合器喉管前的孔A相通，其作用是减缓由于空气滤清器阻力增大而引起的空燃比变化。　　实践证明，柴油CNG双燃料发动机与柴油机相比有许多优点：排气烟色减轻，微粒排放量减少，噪声降低，机油使用期可延长一倍以上，活塞磨损小，在低转速时也可获得较大的转矩等。