雙燃料發(fā)動機供給系統(tǒng)的設計--天然氣供氣【4張cad圖紙+文檔全套資料】

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 中文題目：雙燃料發(fā)動機供給系統(tǒng)的設計 外文題目：The supply system of Dual-fuel engine design 畢業(yè)設計（論文）共57頁（其中：外文文獻及譯文19頁） 圖紙共4張 完成日期 2008年5月 答辯日期 2008年6月 摘要 嚴重的環(huán)境問題和緊張的石油資源使全球汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著嚴重的挑戰(zhàn)。為了滿足環(huán)境保護以及可持續(xù)發(fā)展不斷提高的要求，使用對環(huán)境友好的清潔的能源汽車，以替代消耗石油等不可再生資源并對大氣污染嚴重的內燃機動力汽車已成為當今社會的迫切需要。 壓縮氣體燃料發(fā)動機(氣動發(fā)動機)將氣提燃料中存儲的能量轉化為扭矩形式的機械能輸出，不消耗石油燃料，作為汽車動力可以使汽車真正成為“綠色”、 “零污染”的清潔汽車。 本文就在現有柴油機基礎上，加裝一套天然氣供氣系統(tǒng)，爭取在盡量少改動原來發(fā)動機供油系統(tǒng)的基礎上，實現清潔排放。說明了工作原理，對供氣系統(tǒng)的關鍵組成零件進行了設計。 關鍵詞：CNG發(fā)動機供氣系統(tǒng)；雙燃料系統(tǒng)；減壓閥；安全閥 Abstract The development of automobile industry is challenged by the more serious pollution and the shortage of petroleum in the world. For satisfying the increasing demand of environmental protection and sustainable development, the environment-friendly clean vehicle is called for to replace the combustion one which exhausts the irreproducible mineral resources and even worse, heavily pollutes the air. Without using any mineral fuel，the compressed air fuel engine (air-powered engine)，which outputs the mechanical energy transformed from the compressed air energy into the torque form, is of completely green and zero pollution emission. On the basis of the existing diesel engine, a gas supply system is installed in this paper. As possible as to change the original engine oil supply system, this system achieves cleaner emissions on the basis of original engine .This paper designs the main component parts of the gas supply for this system. Key words: CNG engine gas supply system; Dual-fuel systems; Reducing valve; Safety valve I 目錄 前言 1 1天然氣汽車 2 1.1天然氣汽車的發(fā)展現狀 2 1.2天然氣汽車存在的問題 2 1.3發(fā)展我國天然氣汽車的對策 3 2供氣量的理論計算 5 2.1發(fā)動機參數選擇 5 2.2發(fā)動機所需參數的計算 6 2.3天然氣供氣量計算 6 2.3.1摻燒氣體燃料對充氣效率的影響 6 2.3.2不同工況下的CNG供給量 7 2.3.3 CNG量的計算 8 3減壓閥的設計 9 3.1減壓閥的原理 9 3.2減壓閥的設計 10 3.2.1一級減壓閥設計 10 3.2.2二級減壓閥的設計 15 3.2.3三級減壓閥的設計 18 3.2.4減壓閥換熱量的計算 20 4安全閥的設計 22 4.1安全閥的有關概念 22 4.2安全閥的設計 22 5噴射器的設計 26 6供氣系統(tǒng)的其他零件和氣體燃料發(fā)動機的新技術 29 6.1儲氣瓶數量的確定 29 6.2供氣系統(tǒng)的其他零件 29 6.3天然氣汽車的研究熱點及發(fā)展趨勢 30 7經濟技術分析 32 7.1現今的雙燃料供氣系統(tǒng) 32 7.2各種供氣技術比較 33 8結論 33 致謝 35 參考文獻 36 附錄A 譯文 37 附錄B 外文文獻 44 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 前言 石油短缺和生態(tài)惡化是21世紀人類面臨的主要問題，能源的短缺將直接影響各國經濟的持續(xù)發(fā)展，而環(huán)境污染則直接威脅著人類的健康和生存。天然氣是當今世界能源的重要組成部分，它與煤炭、石油并列為世界能源的三大支柱。據研究資料顯示，世界已探明的石油儲量，按汽車現在消耗的速度，還能支撐40-70年。而已探明的天然氣儲量，預計可以開采200年。從這個意義上講，天然氣汽車是21世紀汽車工業(yè)發(fā)展的一個重要方向。，因此對天然氣在汽車上的使用研究具有重要的應用價值。本文就發(fā)動機的供氣系統(tǒng)展開了設計，并討論了它的應用前景 [1]。 1天然氣汽車 1.1天然氣汽車的發(fā)展現狀 近二十多年來，世界天然氣需求持續(xù)穩(wěn)定增長，平均增長率保持在2%，專家預計2020年，天然氣在世界能源組成中的比重將會增加到30%。21世紀天然氣在世界能源結構中的比重將超過石油，成為世界第一大能源，21世紀將是一個天然氣世紀。 天然氣是一種潔凈的能源，主要成分是甲烷，燃燒后的主要生成物為二氧化碳和水，其產生的溫室氣體只有煤炭的1/2，是石油的2/3。天然氣汽車則是以天然氣作為燃料的汽車。按照天然氣的化學成分和形態(tài)，可分為壓縮天然氣(CNG)汽車、液化天然氣(LNG)汽車和液化石油氣(LPG)汽車3種。近年來，天然氣汽車在全球發(fā)展很快，在應用與運營方面比較成功。天然氣汽車是一種理想的低污染車，與汽油與柴油車相比，它的尾氣排放中CO下降約90%，HC下降約50%，NOx下降約30%，S02下降約70%，CO2下降約23%，微粒排放可降低約40%，鉛化物可降低100%?？梢娞烊粴鈱Νh(huán)境造成的污染遠遠小于石油和煤炭，是一種優(yōu)良的汽車發(fā)動機綠色代用燃料。同時，天然氣汽車的使用成本較低，比燃油汽車節(jié)約燃料費約50%。此外，與電動汽車相比，天然氣汽車的續(xù)駛里程長。有關專家認為天然氣汽車是目前最具有推廣價值的低污染汽車，尤其適合于城市公共交通和出租汽車使用。目前，它已在世界上得到廣泛應用[1]。 根據最新資料顯示，全世界約有四百萬輛天然氣汽車，其中中國約有九萬七千多輛天然氣汽車。目前，世界上有六七十個國家在進行壓縮天然氣的研發(fā)和使用，全世界約有三百六十七萬多輛汽車使用壓縮天然氣作為動力。中國使用壓縮天然氣的汽車約有九萬輛，主要分布在四川、陜西等西部地區(qū)。其中，四川省使用壓縮天然氣的汽車最多，達到四萬八千輛，加氣站也有一百八十多個。上海有四百余輛CNG公交大客車投入使用?？梢灶A見，隨著國內其他城市供氣系統(tǒng)和全國范圍內的加氣站網絡建設的完善，天然氣汽車必將得到大力推廣，天然氣企業(yè)和天然氣汽車行業(yè)的市場空間極為廣闊。 1.2天然氣汽車存在的問題 用天然氣作為汽車動力有很多優(yōu)勢，如污染少，燃料經濟性好、價格低等，但由于它與汽柴油在燃燒特性和儲存方面有所不同，因而在天然氣車的開發(fā)和應用中，存在如下問題： 1）動力性較低 燃用天然氣與汽油相比，混合氣的熱值低(天然氣/空氣混合氣熱值為3.36MJ/m3，汽油/空氣混合氣熱值為3.82 MJ/m3，進氣量少，分子變更系數少，動力性下降約20%。 2）供氣體系建設有難度 天然氣汽車在國內大城市推廣應用，必須建立相應的加氣站及為加氣站輸送天然氣的管道，這涉及到城市建設規(guī)劃、經費投入和環(huán)境安全等諸多因素。而且建加氣站的費用相當高，需500－1000萬元人民幣，甚至更多。這個問題在一定程度上已經成為一些地區(qū)發(fā)展天然氣汽車的瓶頸。 3）貯氣瓶占用空間較大，攜帶不便 1m3常壓天然氣裝入20MPa的貯氣瓶中，約占5L。而與之等熱量的汽油(0.81kg)只占1.1L，CNG所占容積等于汽油的4.5倍(容積系數等于4.47)。要保證相同的續(xù)駛里程，天然氣汽車貯氣瓶的體積比汽車油箱就要大許多，相對降低了車輛的承載能力。貯氣瓶在壓力下的攜帶，技術上不是難題，但畢竟不如汽油和柴油方便。而且氣瓶貯氣量直接關系到行駛的里程。 4）汽車用戶的初始投資較大 天然氣汽車的一些部件如貯氣瓶、安全閥等，要求嚴格，成本較高。此外，尚未形成規(guī)模效益，使得它們的造價下降受限。對于目前采用的兩用燃料車，則要在原車上另加一套價值數千元到數萬元不等的天然氣供氣系統(tǒng)。 1.3發(fā)展我國天然氣汽車的對策 1）加快天然氣發(fā)動機關鍵技術的研究電子控制技術 應用先進的電控技術對天然氣發(fā)動機的燃料供給、點火定時等進行精確控制，是實現天然氣汽車發(fā)動機高效率、低污染燃燒的關鍵之一。電控系統(tǒng)主要包括電控單元、傳感器和執(zhí)行機構等。 2）空燃比控制技術 為協調發(fā)動機排放(NO/HC)、氣耗率和可靠性，空燃比在整個萬有特性圖上的快速與精細控制是關鍵。 3）優(yōu)化燃燒技術 發(fā)動機燃燒技術和高能點火技術及其協調優(yōu)化是實現最佳性能的必要條件。 4）先進的后處理技術 由于歐Ⅲ排放法規(guī)不僅要求限制天然氣發(fā)動機的非甲烷碳氫(NMHC)，而且要求控制總碳氫排放(THC)，先進的氧化型后處理技術就成為關鍵技術之一。 5）改善供氣能力，加快加氣站基礎設施的建設 利用“西氣東輸”和進口天然氣的管網建設在沿線和周邊城市改善供氣能力，為大力發(fā)展天然氣汽車提供必要條件。影響天然汽車發(fā)展的一個重要的因素是加氣站的建設。發(fā)展天然氣必須有大量適用的加氣站網點作保障。天然氣汽車的發(fā)展要有計劃有步驟的作好發(fā)展規(guī)劃，逐步實施。各大城市，特別是有條件建設的城市應將天然氣汽車加氣站的建設列入城市的發(fā)展規(guī)劃中，并盡早投入經費建立天然氣的供氣系統(tǒng)。 6）貯氣瓶的研制 研制儲存量大、耐高壓、輕質的車載復合氣瓶已是一個必須解決的重要關鍵技術。這方面國外已經成功地研制并生產了壓力大于25MPa的復合材料氣瓶，且其P/V(質量/容積)僅為0.6。我國應盡快開展這方面的研制工作。 7）政府政策的支持。 2供氣量的理論計算 柴油機摻燒氣體燃料，可以大幅度降低柴抽機的碳煙排放。天然氣的流量會隨著發(fā)動機的功率和轉速的變化而變化，天然氣的參與燃燒使得也使實際進氣量減少。另外，許多氣體燃料的理論空燃比高于柴油的理論空燃比，即燃用CNG需要更多的空氣量。因此，合理分析摻燒氣體燃料所占每循環(huán)的進氣量百分比，在發(fā)動機的不同轉速與功率提供合理的天然氣量，具有重要的實際意義 2.1發(fā)動機參數選擇 表2-1為某一柴油機的發(fā)動機的外特性數據表 表2-1負荷特性數據表 Table 2-1 Part throttle characteristics data 轉速n（r/min） 1218 1391 1604 1820 2002 2186 2394 2588 2784 轉矩Me （N·m） 330.8 348.1 368.1 376.2 369.8 347.4 342.5 333.4 324.9 功率Pe （Kw） 42.2 50.8 61.8 71.4 77.8 79.6 86 90.5 94.9 耗油率ge （g/kw·h） 242.4 230.5 226.5 223.9 220.6 220.7 220.9 225.9 230.1 圖2-1為該型號發(fā)動機的萬有特性圖[2] 圖2-1發(fā)動機的萬有特性圖 Figure2-1 Mapping characteristics of engine 2.2發(fā)動機所需參數的計算[2]~[4] 1）該發(fā)動機的最大有效功率和轉速的理論關系： 2）的時候 ，油耗和功率的關系： ，最大油耗發(fā)生在，時，此時的油耗。 3）假設汽車等速行駛，阻力功率和發(fā)動機功率的關系：，傳動系的機械效率 ，則有：， ，柴油機。 4）循環(huán)供油量：。 5）全部燃燒時的熱量：。 2.3天然氣供氣量計算 根據兩個基本假設:(1)等熱值假設[3]，即以等熱值的氣體燃料替代由于摻燒而減少的柴油耗量。（2）等摩爾數假設，即以等摩爾數的氣體燃料替代由于摻燒而減少的實際進氣量，可以推出兩個計算公式。 2.3.1摻燒氣體燃料對充氣效率的影響 1）分析中僅考慮額定負荷工況.設單獨燃用柴油時每循環(huán)柴油耗量為kg，摻燒的氣體燃料熱值占柴油總熱值的比例為，則摻燒后的柴油耗量為: [3] 即: 根據前述等熱值假設有: 式中: 和分別為柴油和氣體燃料的低熱值，為摻燒氣體燃料耗量。 2）下圖為摻燒CNG對充氣效率和過量空氣系數的影響[3] 圖2-2 摻燒CNG對空氣效率和過量空氣系數的影響 Figure2-2 The impact blended with CNG for volumetric efficiency and coefficient of excess air 2.3.2不同工況下的CNG供給量 由圖2-2可以看出，CNG氣體的比例對充量系數和過量空氣系數影響較大，隨著摻燒比例的加大，充量系數和過量空氣系數逐漸下降。而充量系數和過量空氣系數又與發(fā)動機的不同工況有關，所以應針對不同工況，選擇合理的天然氣供給比例 [5]。 1）起動工況 當發(fā)動機的轉速低于怠速時，即認為發(fā)動機處于起動工況。此時發(fā)動機的溫度較低，缸內氣體的溫度低，充量系數降低，由圖2-2的關系可以看出，此時應減少天然氣的供給比例，加大燃油供給量，從而實現低溫下的順利啟動。 2）怠速工況 發(fā)動機已經運行穩(wěn)定，此時進氣溫度提高，缸內氣體溫度提高，轉速基本穩(wěn)定，充量系數有所降低由圖2-2可知需要較大天然氣比例。 3）加速運行工況 負荷固定不變或變化較小的條件下，增大踏板位置，用以增加發(fā)動機的轉速。此時進氣門關閉時的缸內氣體壓力隨負荷基本不變，而與轉速的關系是增大轉速，缸內氣體壓力減小，充量系數降低，由圖2-2，應加大天然氣供給比例，缸內氣體溫度基本穩(wěn)定，充量系數影響較小。 4）穩(wěn)態(tài)運行工況 即發(fā)動機運行在踏板位置和負荷固定不變或變化較小的條件下，發(fā)動機的轉速可以保持恒定。此時發(fā)動機的進氣量保持相對的穩(wěn)定。天然氣供給比例基本穩(wěn)定。 2.3.3 CNG量的計算 全負荷條件下，天然氣產生的熱量為的30%，，天然氣量。 天然氣的密度，，供氣量。 3減壓閥的設計 3.1減壓閥的原理 減壓調節(jié)器由一級減壓腔、二級減壓腔、三級減壓腔組成。20MPa的天然氣經過一級減壓 后，輸出壓力在1~1.5MPa范圍內波動，二級減壓后壓力在0.5MPa[6]范圍內波動，三級減壓后壓力在0.25MPa范圍內波動，且其范圍式可以調節(jié)的，下面說明它的工作原理： 1）減壓器未進氣狀態(tài)[7] 減壓器一、二級處于常開，三級經調整后處于常開狀態(tài)，一級減壓閥經調整調壓螺栓1后，彈簧4被壓縮，推動一級膜片9、下彈簧座6、一級閥芯5，使一級閥芯與高壓密封片18間的閥口產生一級減壓器處于常開狀態(tài)。 二級減壓器膜片組15在二級彈簧16的作用下使二級減壓器膜片組15的小三角板離開二級頂桿14，使二級閥桿14與二級閥口產生間隙處于常開狀態(tài)。 三級減壓閥根據用途可設置成常開狀態(tài)，也可調成常閉狀態(tài)。 2）減壓器進氣及工作狀態(tài) 當一級減壓器進口，通入<20MPa的氣體后，一級閥芯5與一級閥口之間即有氣體流過，使一級減壓腔（即A腔）的壓力上升的同時該氣壓將一級膜片推動并壓縮主彈簧4，當膜片的推力克服主彈簧的預壓力時，閥口關閉，當發(fā)動機的負荷不斷變化使燃氣的流量變化時，A腔內壓力及膜片的推力也隨之變化，當主彈簧的預壓力大于膜片推力的情況下，閥口隨時變化開度，保持輸出壓力穩(wěn)定，通過調壓螺栓1調整主彈簧的預壓力可以將A腔的壓力控制在范圍內，在一定流量范圍內穩(wěn)壓輸出。A腔的氣體經二級閥口進入B腔，B腔氣壓經通氣孔推動二級膜片組15向上壓縮二級彈簧16同時壓迫二級頂桿14關閉二級閥口，當三級閥口座打開后，B腔壓力下降，二級膜片組15在二級彈簧16的推動下放松二級頂桿14及二級閥片，打開二級閥口。隨著三級閥口流量的變化，二級閥口開度也隨同變化，并保持B腔壓力穩(wěn)定在[5]左右，減壓器三級腔室C，膜片組推動掛鉤28和杠桿22打開三級閥口，閥口2的開度隨著大氣壓力的變化而變化，以滿足發(fā)動機所需燃氣流量。 3）安全閥 為保證減壓器的安全，在一級減壓器的減壓室內安有彈簧式安全閥，按標準規(guī)定大于輸出壓力時，安全閥就自動排氣卸壓。 4）加溫裝置 由于一級減壓比很大，流量最大高達10m3/h以上，因此氣體膨脹吸熱嚴重，如果不設置加溫裝置，減壓閥將大量結冰，降低機械性能，降低部件的使用壽命，同時有可能堵塞管道。因此，減壓調節(jié)器均設有加熱防凍裝置。其加熱介質有利用發(fā)動機的循環(huán)水加熱，發(fā)動機的廢棄加熱和電加熱等多種方式。 3.2減壓閥的設計 3.2.1一級減壓閥設計 1）流量的計算 [7]： 式中 ： K：調壓器的綜合流量系數 ， 是根據行程比來確定的 ，行程比 式中H 是主閥行程，Hmax是主閥的最大行程，計算得 。 ——標準狀態(tài)下的天然氣密度，0.7174kg/m3。 ——進氣口的熱力學穩(wěn)度，。 ——壓縮系數，200。 ——查表得，0.72。 ——進氣口的絕對壓力 20 經過和前的計算的所需流量，該流量是合格的。 2）膜片的設計[8] 圖3-1 E型波紋膜片 Figure 3-1 E-corrugated patch （1）膜片的結構[8] 圖3.1所示的是位移與壓力成線性關系的E型波紋膜片。E型波紋膜片的特性很接近于線性關系，且相當的穩(wěn)定。此類膜片的有效面積在整個特性區(qū)間均為定值，適合作為減壓閥的一級減壓器。 （2）膜片的設計[8] 材料：鈹青銅，當時，其位移與壓力的關系： 即當時，=11.50。 有效面積： 式中： ——進氣壓強，1。 ——膜片半徑，60。 ——膜片的厚度，0.15。 ——泊松比，0.3。 ——材料的彈性模數，135000。 ——膜片的中心位移 。 ——膜片的直徑，。 當發(fā)動機未開始工作時，一級減壓閥處于未受力狀態(tài)，減壓閥閥口常開，閥桿開度，膜片未工作，調節(jié)螺栓在初始狀態(tài)。高壓氣體進入后，膜片在壓力的作用下上移。設定該級的壓力輸出范圍，則 正常值 最大值 其他結構尺寸： 具體的參數意義可參照彈簧手冊。 3）彈簧的設計[9] 按照要求選擇彈簧材料為碳素彈簧鋼絲，許用剪切應力，，彈簧的安裝處載荷，載荷的最大值，工作行程。 （1）確定彈簧絲的直徑 初選旋繞比，估計彈簧絲直徑 補償系數 許用剪切應力 直徑，取整 （2）確定彈簧的有效圈數 ，圓整取5 取兩端的支撐圈數，總圈數 （3）彈簧的幾何尺寸 中徑 外徑 內徑 節(jié)距，圓整 13 軸向間隙 自由高度 螺旋升角 彈簧展開長度 （4）彈簧的穩(wěn)定性校核 ，滿足一端固定，一端自由的要求。 其中圓柱螺旋彈簧的剛度計算式為： 實際彈簧所受到的力： 正常值 最大值 4）密封材料的選擇[10] 金屬包平墊片。 5）上彈簧座的設計[10] （1）結構圖 圖3-2上彈簧座 Figure 3-2 the Spring Block （2）強度的校核 可簡化為簡支梁 ，選用材料45鋼，其許用的，合格。 5）調節(jié)螺栓的選定[10] 型號M20 6）四個緊固螺栓的設計[9] （1）材料的選擇及性能等級 45鋼，6.8級，，,螺栓數目4。 （2）螺栓的受力分析 螺栓工作拉力：。 殘余預緊力： 。 總拉力：。 相對剛度系數：。 螺栓所需的預緊力： （3）螺栓直徑 安全系數：。 許用拉應力 ：。 小徑：,取 。 7）閥桿尺寸的確定 閥桿的尺寸應該根據其他零件的尺寸進行確定，由于其零件的軸截面尺寸較小，環(huán)境壓力也不是很大，所以受力較小，再此未進行校核，只是根據與其有關的零件確定了它的尺寸。 8）閥體的材料與厚度[10] 鑄造 ，HT200， ， 式中： ——壓力，。 ——公稱通徑，。 ——許用拉應力，。 ——補償量，。 實際應該考慮到鑄造工藝性進行選取10mm。 3.2.2二級減壓閥的設計[6]~[10] 二級減壓器實現由到，開口常開。 1）流量的計算 式中： K——調壓器的綜合流量系數， ，是根據行程比來確定的 ， ，，式中H 是主閥行程，是主閥的最大行程。 ——標準狀態(tài)下的天然氣密度，0.7174kg/m3 。 ——進氣口的熱力學穩(wěn)度，。 ——壓縮系數，5。 ——查表得，0.74。 ——進氣口的絕對壓力，1。 ——壓力變化量，。 2）平面膜片彈簧設計 材料：鈹青銅 平面膜片彈簧的特性公式： 式中： ——壓力，。 ——膜片半徑， ——膜片的厚度，。 ——泊松比，。 ——材料的彈性模數，。 ——膜片的中心位移，。 經過計算得： 膜片彈簧的布置形式如圖3.3。 圖3-3二級膜片 Figure 3-3 the second patch 右側的膜片下降的位移： 3）彈簧的設計 按照要求選擇彈簧材料為青銅絲，許用剪切應力，，彈簧的安裝處載荷，載荷的最大值，工作行程。 （1）確定彈簧絲的直徑 初選旋繞比：，估計彈簧絲直徑 補償系數： 許用剪切應力： 直徑 ：，取整。 （2）、確定彈簧的有效圈數 ，圓整取7。取兩端的支撐圈數 ，總圈數 。 （3）、彈簧的幾何尺寸 中徑： 外徑： 內徑： 節(jié)距：，圓整 8 軸向間隙： 自由高度： 螺旋升角： 彈簧展開長度： （4）彈簧的穩(wěn)定性校核 ，滿足一端固定，一端自由的要求。 4）閥體的材料與厚度 鑄造 HT200， ，。 。 式中： ——壓力 ，。 ——公稱通徑，。 ——許用拉應力，。 ——補償量，。 實際應該考慮到鑄造工藝性，選取8mm。 5）螺栓的選擇與一級減壓閥相同，數量4。 3.2.3三級減壓閥的設計 三級減壓閥要求輸出壓力穩(wěn)定左右。 1）膜片的設計 材料：鈹青銅，E形波紋膜片。 當時，其位移與壓力的關系： 即當時，=4.0625。 有效面積： 式中： ——進氣壓強，。 ——膜片半徑，60。 ——膜片的厚度 ，0.4。 ——泊松比，0.3。 ——材料的彈性模數 ，。 ——膜片的中心位移 。 ——膜片的直徑，。 當發(fā)動機未開始工作時，減壓閥閥口常開，閥桿開度，膜片未工作，調節(jié)螺栓在初始狀態(tài)。氣體進入后，膜片在壓力的作用下上移，該級的壓力輸出范圍，則： 其他結構尺寸： 2）彈簧的設計 按照要求選擇彈簧材料為青銅絲，許用剪切應力，，彈簧的安裝處載荷，載荷的最大值，工作行程。 （1）確定彈簧絲的直徑 初選旋繞比：，估計彈簧絲直徑。 補償系數： 許用剪切應力： ，取整 （2）確定彈簧的有效圈數 ，圓整取5。取兩端的支撐圈數 ，總圈數 。 （3）彈簧的幾何尺寸 中徑： 外徑： 內徑： 節(jié)距：，圓整 7mm 軸向間隙： 自由高度： 螺旋升角： 彈簧展開長度： （4）彈簧的穩(wěn)定性校核 ，滿足一端固定，一端自由的要求。 3.2.4減壓閥換熱量的計算[10] 單層圓筒壁的導熱公式： 式中： ——冷卻水的溫度，90。 ——減壓閥內氣體的溫度，-150。 ——導熱系數，43。 ——熱水通道內外壁半徑5，15。 ——通道長度，1664。 考慮到從發(fā)動機冷卻系統(tǒng)到減壓閥處存在熱量損失，及減壓閥本身的熱量損失，取實際的換熱量為總換熱量的，。 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的流量，實際流量不低于。冷卻水道的體積實際調節(jié)應該加流量調節(jié)器，當溫度高于某一設定值的時候，則自動停止冷卻水的供應，否則加大冷卻水的供應量。這一措施保證了輸出氣體的溫度的穩(wěn)定。 熱水水腔體積： 冷卻水的停留時間： 換熱量： 所需的熱量： 該換熱水道滿足要求。 4安全閥的設計 4.1安全閥的有關概念[10] 1）整定壓力：安全閥在運行條件下，開始開啟的預定壓力。在該壓力下，開啟閥瓣的力與閥瓣保持在閥座上的力平衡。 2）回座壓力：閥瓣與閥座重新接觸，即閥瓣開啟高度為零時，進口處的靜壓值。 4.2安全閥的設計[10] 1）閥體厚度計算 材料40，，閥體鍛造 ，厚度取為。 式中： ——設計壓力，。 ——設計直徑，。 ——需用拉應力，。 ——腐蝕余量，。 2）閥座密封面上的計算比壓 密封墊片的材料鑄鐵，其結構尺寸如圖4-1。 圖4-1密封墊片的外形結構圖 Figure 4-1 Gasket structure of the shape ，鑄鐵材料的必須密封比壓，合格。 3）額定排量計算 判定合格條件是額定排量大于或等于被保護設備的安全泄放量則合格，該安全閥合格。 式中： ——安全閥的額定排量系數。 ——氣體特性系數。 ——流道面積，。 ——絕對額定排放壓力，。 ——氣體相對分子量，。 ——氣體的壓縮系數。 ——安全閥進口的絕對溫度，。 4）閥桿的設計 閥桿上部的面積： 閥桿的下部面積： ，取整定壓力， ，彈簧剛度 。 5）彈簧的設計[9] 按照要求選擇彈簧材料為碳素彈簧鋼絲，材料65Mn，許用剪切應力，，彈簧的安裝處載荷，載荷的最大值。 （1）、確定彈簧絲的直徑 初選旋繞比： 補償系數： 許用剪切應力 取整，。 （2）確定彈簧的有效圈數 最大變形量： ，圓整取28，取兩端的支撐圈數 ，總圈數 （3）彈簧的幾何尺寸 中徑： 外徑： 內徑： 節(jié)距： 軸向間隙：。 自由高度： 螺旋升角： 彈簧工作高度； 6）閥桿部件的強度及穩(wěn)定性校核，其零件的結構如圖4-2。 圖4-2閥桿 Figure 4-2 the valve’s stem 材料選擇為 40Cr，在溫度為20時，，。 （1）閥桿的壓應力 ：，合格。 （2）閥桿的穩(wěn)定性分析[11] 兩端固定：， 慣性矩： 彈性模量： 取穩(wěn)定安全因數：。 ，合格。 7）對外殼上螺紋強度的校核與設計[9] （1）螺紋外殼的寬度，中經，小徑。 （2）螺紋的計算載荷，對40鋼在20時，，，該螺紋合格。 5噴射器的設計[10] 1）流通面積的計算 ，取為2.6mm。實際得到的流通面積。 2）閥桿的結構與設計 閥桿結構見圖 圖5-1閥桿結構圖 Figure 5-1 the structure of valve’s stem 電磁線圈中銅線的規(guī)格：直徑，匝數70，電阻值0.75。電磁吸力：=6N 式中： ——磁通量。 ——真空磁導率。 ——線圈的平均電流 ——線圈匝數。 ——工作氣隙長度。 3）彈簧的設計 按照要求選擇彈簧材料為碳素彈簧鋼絲，材料65Mn，許用剪切應力，，載荷的最大值。 （1）確定彈簧絲的直徑 初選旋繞比：。 補償系數：。 許用剪切應力：。 直徑：， 取整 。 （2）確定彈簧的有效圈數 最大變形量，，圓整取5，取兩端的支撐圈數，總圈數 。 （3）彈簧的幾何尺寸 中徑：。 外徑：。 內徑：。 節(jié)距：。 軸向間隙：。 自由高度：。 螺旋升角：。 （4）閥體壁厚的計算 ，計算取5，鍛造。 （5）、比壓計算 密封墊圈選材料為工業(yè)用硫化橡膠板，許用比壓，密封必須比壓。 ，密封合格。 6供氣系統(tǒng)的其他零件和氣體燃料發(fā)動機的新技術 6.1儲氣瓶數量的確定[7] 數目取5 式中 s——設計行駛里程 250km。 Q——原車百公里油耗 q——單個氣瓶的水溶量 45L。 表6-1為所選型號氣瓶的參數 表6-1儲氣瓶參數[7] Table6-1 Reserve cylinders parameters 氣瓶型號 瓶體材料 工作壓力 水容積 公稱直徑 公稱長度 最大重量 瓶口螺紋 充氣量 WZ229-20 30CrMo 20MPa 45L 229mm 1355mm 60kg PZ27.8 9.0m3 6.2供氣系統(tǒng)的其他零件[7][12][13] 1）充氣閥 充氣閥是安裝在CNG汽車上的充氣連接口，一般每輛車裝備一個，它的主要作用是將加氣站的高壓天然氣充裝到車用氣瓶中，可靠的連接高壓充氣管路，在充氣結束后，可靠的封閉充氣口，防止CNG從充氣口泄露。組成一般為充氣單向閥組件、防塵塞、充氣安全閥、充氣開關等組成。 2）壓縮天然氣車用瓶口閥 瓶口裝置由氣瓶街頭，高壓管接頭，手動截止閥和安全裝置四部分組成。氣瓶接頭為14牙/英寸錐螺紋，高壓管接頭G5/8（左）外螺紋連接，連接的螺紋為反扣，上面裝有安全閥。 3）手動截止閥 用于從儲氣瓶到減壓閥的。作用是當CNG汽車因加氣、修理、入庫停車時截止儲氣瓶到減壓調節(jié)器之間的氣路連接。要求時能快速的開和關，啟閉范圍為0.25~1.5圈之間。 4）過濾器 由于CNG壓力高，CNG在減壓閥口處的流速很高，氣體中的微小顆粒雜質對減壓閥閥口造成沖刷損壞，導致密封不嚴，影響減壓閥工作的可靠性，因此在儲氣瓶和減壓調節(jié)器之間設置了過濾器。 5）氣壓顯示及油氣轉換裝置 用于顯示氣壓，方便維修。 6.3天然氣汽車的研究熱點及發(fā)展趨勢[7] 1）天然氣存儲技術的研究 短期內，壓縮氣體儲存仍是市場的主導，儲氣瓶將從鋼質瓶、鋼膽纏繞瓶發(fā)展到塑料膽輕質氣瓶以及復合材料氣瓶，使氣瓶質量更輕，容量更大，安全系數更高，檢側更方便，成本更低。同時天然氣吸附儲存技術也將有較大發(fā)展空間，主要集中在高性能吸附劑的研制，提高氣瓶儲氣能力，該項技術的突破將使天然氣儲存技術產生質的飛躍。天然氣的液化儲存方式是通過深冷把天然氣液化，使其體積縮小625倍，該技術主要是提高液化天然氣瓶耐熱保溫技術水平，降低成本，提高實用性。 近年來，一種新型的天然氣固態(tài)儲存技術研究已經初具成果，它利用分子組裝原理，將天然氣低壓固化(生成氣體水合物)，達到降低損耗，降低儲存壓力，提高儲載密度(單位體積儲存180倍以上)的目的，該新技術已申請了國家專利。如果該項技術能廣泛應用于天然氣儲存領域，將引領天然氣汽車進人一個全新的時代。 2）配裝專用天然氣發(fā)動機的單燃料天然氣汽車的研究 簡單改裝的天然氣汽車動力損失大，排放特性不能得到明顯改善，雖然通過結構和技術上的改進，能使天然氣汽車的動力性能有所恢復，排放有所降低，但離真正實用的清潔汽車還相差甚遠。專用天然氣發(fā)動機可直接從設計的角度來解決動力損失和排放問題，能夠充分發(fā)揮天然氣自身的優(yōu)勢:可通過優(yōu)化設計發(fā)動機的燃燒系統(tǒng)，增強缸內擠流和紊流， 提高天然氣的燃燒速度;天然氣辛烷值為130左右，可利用其高抗爆性的特性，將發(fā)動機的壓縮比提高到12以上;對于進排氣系統(tǒng)，可優(yōu)化設計配氣機構，提高天然氣發(fā)動機的充氣效率;由于天然氣發(fā)動機的排氣中甲烷含量多，排氣溫度高，可使用專用的催化凈化器。通過上述優(yōu)化設計和改進后，可以使汽車的動力性、經濟性和排放性明顯提高。近年來，專 用天然氣發(fā)動機已成為國內外研究的熱點，國外已經有成型的產品投入使用，取得良好的實用效果。因此，配裝專用天然氣發(fā)動機的單燃料天然氣汽車 將是未來的主導趨勢。 3）車用天然氣發(fā)動機新技術的研究 目前，提高發(fā)動機功率及其熱效率，進一步降低排放水平，以及實現整車的優(yōu)化匹配技術是天然氣汽車推廣應用的關鍵。近幾年來，國外天然氣汽車發(fā)展比較迅速，特別是不斷采用先進的發(fā)動機新技術，使天然氣汽車不論在動力性和經濟性方面都有顯著的提高。天然氣汽車發(fā)動機技術發(fā)展的主導趨勢是:電子控制噴氣技術(主要是電控多點順序噴射 技術，特別是電控高壓缸內直噴技術)，可變配氣相位技術，稀薄燃燒技術，廢氣再循環(huán)技術(EGR)，空燃比控制技術(主要是氧傳感器閉環(huán)控制技術)，新型催化劑和催化技術(主要是天然氣發(fā)動機專用的三效催化轉化器和氧化催化轉化器技術)。 另外，還包括進氣增壓技術、進氣節(jié)流技術、進氣預熱技術、可變幾何渦輪增壓器技術、分層充量和跳缸點火技術、新材料技術、高能量點火技術、車用天然氣加工技術、專用潤滑油技術等，也將促進車用天然氣發(fā)動機技術的發(fā)展，進而促進天然氣汽車的應用推廣。 7經濟技術分析 7.1現今的雙燃料供氣系統(tǒng) 1）進氣管混合器供氣方式[14][15] 雙燃料發(fā)動機改裝技術發(fā)展初期，多數是通過安裝在進氣總管上的混合器將空氣/天然氣的混合氣送入雙燃料發(fā)動機，通入混合器的燃氣壓力由與加速踏板相連接的機械裝置控制，使?jié)M負荷時天然氣壓力最大，低負荷時天然氣壓力最小;或者通過機械裝置控制供氣管道中的閥門開啟角度來調節(jié)供氣量。柴油泵設置在怠速狀態(tài)，以少量的柴油作為引燃油。這種方案由于其供氣裝置簡單，現在仍有應用。該類型的優(yōu)點是結構簡單，價格較低，便于對現有的化油器式汽油機進行改造。但是由于無法進行閉環(huán)控制，難于精確地控制空燃比，因而難于達到較高的排放控制水平，不能充分發(fā)揮天然氣改善排放的潛力。 在20世紀90年代初國外出現了電控混合器方式，比較典型的是荷蘭Deltec公司的雙燃料發(fā)動機和美國Caterpillar公司的Caterpillar 3208 CNG/柴油雙燃料發(fā)動機，可以根據發(fā)動機不同工況下性能和排放對空燃比的要求，靈活地調整天然氣供應量、引燃柴油的噴射時刻和噴射量。但這種改裝方式的問題是不能精確控制進入各氣缸的天然氣量。 2）進氣噴射方式 進氣噴射方式是將天然氣引至進氣總管或進氣口處，燃氣控制系統(tǒng)利用天然氣噴射閥來實現控制。裝有高速電磁閥的噴射閥采用脈寬調制控制方式，依照電控單元的指令定時向相應缸的進氣管噴射天然氣。噴出的天然氣與進入發(fā)動機的新鮮空氣混合進入氣缸。 如果將一個大流量天然氣噴射閥安裝在某型發(fā)動機的進氣總管，稱為天然氣電控單點噴射式雙燃料發(fā)動機。比較典型的是Cummins的C系列電控進氣道單點噴氣增壓中冷天然氣發(fā)動機。該方式采用電控單點噴射(SI)，并結合氧傳感器進行閉環(huán)控制可較精確地控制空燃比，從而使發(fā)動機具有較好的經濟性和排放性。但是由于單點噴射器與廢氣氧傳感器之間有較長的距離，因而系統(tǒng)對空燃比的變化響應較遲鈍，難于依靠氧傳感器的信號在設定的空燃比附近實現快速振蕩控制，尤其是在加速和減速時不能迅速響應空燃比的變化，從而使混合氣在較長的時間過稀或過濃，使這些工況下的排放性能較差，影響了整體排放指標。 本設計的原理是采用多個天然氣噴射閥安裝在進氣口，則稱該型發(fā)動機為天然氣電控多點噴射式(MPI)雙燃料發(fā)動機。這種系統(tǒng)采用噴射閥直接向進氣口噴射天然氣，分別測量空氣和氣體燃料的流量，且在各種工況下都能精確地計量，從而在整個使用期內可以保持高精度和高穩(wěn)定性。由于可以嚴格控制氣體燃料噴射量和噴射始點與進排氣門及活塞運動的相位關系，易于實現定時供氣及層狀供氣，并可根據發(fā)動機轉速與負荷更準確地控制空燃比:同時，電子控制的靈活性和高速處理能力使其可以根據發(fā)動機運行工況的變化，使發(fā)動機按合理的方式運行，從而取得良好的排放性能。 3）缸內氣體噴射技術 采用氣體噴射器直接向氣缸內噴射天然氣，分為缸內高壓噴射式和低壓噴射式兩種。其中低壓噴射供氣方式主要用在壓縮比低的發(fā)動機上;高壓噴射供氣方式主要用在高壓縮比和壓縮終點噴射的氣體燃料發(fā)動機上，對于大型發(fā)動機和高速發(fā)動機，往往采用高壓噴射，達到較高的燃料供給量和延續(xù)較短的供氣噴射時間。這種改裝技術(尤其是高壓噴射式)降低或消除了燃料供給對空氣充量的影響，實現了燃料供給的質調節(jié)，易于實現稀薄燃燒，消除了氣門重疊角的存在造成氣體燃料逸出而降低排放性能?？梢赃_到發(fā)動機高負荷下更完善的動力性，避免爆振，使雙燃料發(fā)動機的熱效率可與柴油機媲美，同時避免雙燃料發(fā)動機在一個工作過程中兩種不同燃燒過程的相互干涉和影響，克服雙燃料發(fā)動機燃燒過程組織的復雜性。但是大部分缸內氣體噴射系統(tǒng)采用兩個噴射器，結構復雜，需要對柴油機氣缸蓋進行改動，技術難度大，費用高。 7.2各種供氣技術比較[14] 在上述三種供氣方式中，機械控制混合器供氣方式適用于低成本的解決方案，但很難達到較高的排放要求。為達到更嚴格的排放標準，必須采用電控氣體燃料噴射技術。其中缸內直接噴氣方式由于氣體燃料是高壓噴射，需要加壓，其成本比氣口多點順序電控噴射高。而氣口多點順序電控噴射既能滿足精度要求，又在國內屬于基本成熟技術，因此對于國內而言，宜采用氣口多點順序電控噴射方式。所以本設計的原理采用采用氣口多點順序電控噴射方式。 8結論 1）雙燃料發(fā)動機關鍵的零部件是減壓閥、氣瓶和流量控制部分。本設計就這幾個關鍵部分進行設計，提出了實用可行的結構，以及結構參數的計算，用現今國內比較流行的系統(tǒng)組成了一套發(fā)動機氣體供給系統(tǒng)。設計過程要注意不同的轉速與功率的前提下，所需天然氣量的變化。 2）噴射的壓力本設計為0.25Mpa,而實際應用可根據文獻[6]進行調節(jié)。 3）合理的設計一套電子控制部分是本文所設計的發(fā)動機供給系統(tǒng)實現的關鍵。 致謝 本文是在劉克銘老師的悉心指導下完成的，論文選題、方案構思、工作實施以及論文撰寫的整個過程中，無不浸透著導師的大量心血，并且在生活上，導師也給了我無微不至的關懷和巨大的幫助，使我深受感動。導師淵博的學識、虛懷若谷的風范、嚴謹的治學態(tài)度、廢寢忘食的工作精神、誨人不倦的教育情懷和高尚的人格情操都給我留下了深刻印象，必將永遠是我學習的榜樣。在此謹對恩師的不倦教誨和辛勤培養(yǎng)致以崇高的敬意和衷心的感謝。 同時，在這近四年的本科生學習生活中，冷岳峰老師、李惟慷老師、張強老 師、朱占平老師、蘇暢老師等無論在學習和生活上也都給了我很多的關心與幫助，在此向他們表示最誠摯的謝意。 感謝429寢室的所有室友及汽車2班的所有同學，這四年來我們互相幫助，互相學習，共同進步，結下了深厚的友誼;我將永遠懷念和他們一起度過的美好時光。 我還要感謝我的多位好朋友，在工大和他們一起度過的愉快的求學生涯將給我留下終生美好的回憶。 衷心感謝所有幫助過我的老師、同學和朋友們。 最后，我要特別感謝我的父母和親人，是他們的不斷的鼓勵和關懷支持著我度過了在工大的求學生涯，我將永遠銘記在心。 劉立豐 2008年5月 參考文獻 [1] P.S.Khillare-Tripti Agarwal-Vijay Shridhar.Impact of CNG implementation on PAHs concentration in the ambient air of Delhi: A comparative assessment of pre- and post-CNG scenario[J]. 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