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中文題目：雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
外文題目：The supply system of Dual-fuel engine design
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共57頁（其中：外文文獻(xiàn)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(yán)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(yán)重的挑戰(zhàn)。為了滿足環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展不斷提高的要求，使用對(duì)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(duì)大氣污染嚴(yán)重的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力汽車已成為當(dāng)今社會(huì)的迫切需要。
壓縮氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī))將氣提燃料中存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)化為扭矩形式的機(jī)械能輸出，不消耗石油燃料，作為汽車動(dòng)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(xiàn)有柴油機(jī)基礎(chǔ)上，加裝一套天然氣供氣系統(tǒng)，爭取在盡量少改動(dòng)原來發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)清潔排放。說明了工作原理，對(duì)供氣系統(tǒng)的關(guān)鍵組成零件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：CNG發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàn)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(duì)策 3
2供氣量的理論計(jì)算 5
2.1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇 5
2.2發(fā)動(dòng)機(jī)所需參數(shù)的計(jì)算 6
2.3天然氣供氣量計(jì)算 6
2.3.1摻燒氣體燃料對(duì)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(jì)算 8
3減壓閥的設(shè)計(jì) 9
3.1減壓閥的原理 9
3.2減壓閥的設(shè)計(jì) 10
3.2.1一級(jí)減壓閥設(shè)計(jì) 10
3.2.2二級(jí)減壓閥的設(shè)計(jì) 15
3.2.3三級(jí)減壓閥的設(shè)計(jì) 18
3.2.4減壓閥換熱量的計(jì)算 20
4安全閥的設(shè)計(jì) 22
4.1安全閥的有關(guān)概念 22
4.2安全閥的設(shè)計(jì) 22
5噴射器的設(shè)計(jì) 26
6供氣系統(tǒng)的其他零件和氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的新技術(shù) 29
6.1儲(chǔ)氣瓶數(shù)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(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì) 30
7經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 32
7.1現(xiàn)今的雙燃料供氣系統(tǒng) 32
7.2各種供氣技術(shù)比較 33
8結(jié)論 33
致謝 35
參考文獻(xiàn) 36
附錄A 譯文 37
附錄B 外文文獻(xiàn) 44
遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
前言
石油短缺和生態(tài)惡化是21世紀(jì)人類面臨的主要問題，能源的短缺將直接影響各國經(jīng)濟(jì)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(dāng)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(jù)研究資料顯示，世界已探明的石油儲(chǔ)量，按汽車現(xiàn)在消耗的速度，還能支撐40-70年。而已探明的天然氣儲(chǔ)量，預(yù)計(jì)可以開采200年。從這個(gè)意義上講，天然氣汽車是21世紀(jì)汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。，因此對(duì)天然氣在汽車上的使用研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文就發(fā)動(dòng)機(jī)的供氣系統(tǒng)展開了設(shè)計(jì)，并討論了它的應(yīng)用前景 [1]。
1天然氣汽車
1.1天然氣汽車的發(fā)展現(xiàn)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(yù)計(jì)2020年，天然氣在世界能源組成中的比重將會(huì)增加到30%。21世紀(jì)天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中的比重將超過石油，成為世界第一大能源，21世紀(jì)將是一個(gè)天然氣世紀(jì)。
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(chǎn)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(xué)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(yīng)用與運(yùn)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?duì)環(huán)境造成的污染遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石油和煤炭，是一種優(yōu)良的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)綠色代用燃料。同時(shí)，天然氣汽車的使用成本較低，比燃油汽車節(jié)約燃料費(fèi)約50%。此外，與電動(dòng)汽車相比，天然氣汽車的續(xù)駛里程長。有關(guān)專家認(rèn)為天然氣汽車是目前最具有推廣價(jià)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(yīng)用[1]。
根據(jù)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(gè)國家在進(jìn)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(dòng)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(dá)到四萬八千輛，加氣站也有一百八十多個(gè)。上海有四百余輛CNG公交大客車投入使用?？梢灶A(yù)見，隨著國內(nèi)其他城市供氣系統(tǒng)和全國范圍內(nèi)的加氣站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)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(chǎng)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(dòng)力有很多優(yōu)勢(shì)，如污染少，燃料經(jīng)濟(jì)性好、價(jià)格低等，但由于它與汽柴油在燃燒特性和儲(chǔ)存方面有所不同，因而在天然氣車的開發(fā)和應(yīng)用中，存在如下問題：
1）動(dòng)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(jìn)氣量少，分子變更系數(shù)少，動(dòng)力性下降約20%。
2）供氣體系建設(shè)有難度
天然氣汽車在國內(nèi)大城市推廣應(yīng)用，必須建立相應(yīng)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(shè)規(guī)劃、經(jīng)費(fèi)投入和環(huán)境安全等諸多因素。而且建加氣站的費(fèi)用相當(dāng)高，需500－1000萬元人民幣，甚至更多。這個(gè)問題在一定程度上已經(jīng)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(shù)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(duì)降低了車輛的承載能力。貯氣瓶在壓力下的攜帶，技術(shù)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(guān)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(yán)格，成本較高。此外，尚未形成規(guī)模效益，使得它們的造價(jià)下降受限。對(duì)于目前采用的兩用燃料車，則要在原車上另加一套價(jià)值數(shù)千元到數(shù)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(duì)策
1）加快天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究電子控制技術(shù)
應(yīng)用先進(jìn)的電控技術(shù)對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給、點(diǎn)火定時(shí)等進(jìn)行精確控制，是實(shí)現(xiàn)天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高效率、低污染燃燒的關(guān)鍵之一。電控系統(tǒng)主要包括電控單元、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。
2）空燃比控制技術(shù)
為協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)排放(NO/HC)、氣耗率和可靠性，空燃比在整個(gè)萬有特性圖上的快速與精細(xì)控制是關(guān)鍵。
3）優(yōu)化燃燒技術(shù)
發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)和高能點(diǎn)火技術(shù)及其協(xié)調(diào)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)最佳性能的必要條件。
4）先進(jìn)的后處理技術(shù)
由于歐Ⅲ排放法規(guī)不僅要求限制天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的非甲烷碳?xì)?NMHC)，而且要求控制總碳?xì)渑欧?THC)，先進(jìn)的氧化型后處理技術(shù)就成為關(guān)鍵技術(shù)之一。
5）改善供氣能力，加快加氣站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)
利用“西氣東輸”和進(jìn)口天然氣的管網(wǎng)建設(shè)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(gè)重要的因素是加氣站的建設(shè)。發(fā)展天然氣必須有大量適用的加氣站網(wǎng)點(diǎn)作保障。天然氣汽車的發(fā)展要有計(jì)劃有步驟的作好發(fā)展規(guī)劃，逐步實(shí)施。各大城市，特別是有條件建設(shè)的城市應(yīng)將天然氣汽車加氣站的建設(shè)列入城市的發(fā)展規(guī)劃中，并盡早投入經(jīng)費(fèi)建立天然氣的供氣系統(tǒng)。
6）貯氣瓶的研制
研制儲(chǔ)存量大、耐高壓、輕質(zhì)的車載復(fù)合氣瓶已是一個(gè)必須解決的重要關(guān)鍵技術(shù)。這方面國外已經(jīng)成功地研制并生產(chǎn)了壓力大于25MPa的復(fù)合材料氣瓶，且其P/V(質(zhì)量/容積)僅為0.6。我國應(yīng)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(jì)算
柴油機(jī)摻燒氣體燃料，可以大幅度降低柴抽機(jī)的碳煙排放。天然氣的流量會(huì)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速的變化而變化，天然氣的參與燃燒使得也使實(shí)際進(jìn)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(jìn)氣量百分比，在發(fā)動(dòng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)速與功率提供合理的天然氣量，具有重要的實(shí)際意義
2.1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇
表2-1為某一柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性數(shù)據(jù)表
表2-1負(fù)荷特性數(shù)據(jù)表
Table 2-1 Part throttle characteristics data
轉(zhuǎn)速n（r/min）
1218
1391
1604
1820
2002
2186
2394
2588
2784
轉(zhuǎn)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(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性圖[2]
圖2-1發(fā)動(dòng)機(jī)的萬有特性圖
Figure2-1 Mapping characteristics of engine
2.2發(fā)動(dòng)機(jī)所需參數(shù)的計(jì)算[2]~[4]
1）該發(fā)動(dòng)機(jī)的最大有效功率和轉(zhuǎn)速的理論關(guān)系：
2）的時(shí)候 ，油耗和功率的關(guān)系：
，最大油耗發(fā)生在，時(shí)，此時(shí)的油耗。
3）假設(shè)汽車等速行駛，阻力功率和發(fā)動(dòng)機(jī)功率的關(guān)系：，傳動(dòng)系的機(jī)械效率 ，則有：，
，柴油機(jī)。
4）循環(huán)供油量：。
5）全部燃燒時(shí)的熱量：。
2.3天然氣供氣量計(jì)算
根據(jù)兩個(gè)基本假設(shè):(1)等熱值假設(shè)[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(shù)假設(shè)，即以等摩爾數(shù)的氣體燃料替代由于摻燒而減少的實(shí)際進(jìn)氣量，可以推出兩個(gè)計(jì)算公式。
2.3.1摻燒氣體燃料對(duì)充氣效率的影響
1）分析中僅考慮額定負(fù)荷工況.設(shè)單獨(dú)燃用柴油時(shí)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(jù)前述等熱值假設(shè)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(duì)充氣效率和過量空氣系數(shù)的影響[3]
圖2-2 摻燒CNG對(duì)空氣效率和過量空氣系數(shù)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(duì)充量系數(shù)和過量空氣系數(shù)影響較大，隨著摻燒比例的加大，充量系數(shù)和過量空氣系數(shù)逐漸下降。而充量系數(shù)和過量空氣系數(shù)又與發(fā)動(dòng)機(jī)的不同工況有關(guān)，所以應(yīng)針對(duì)不同工況，選擇合理的天然氣供給比例 [5]。
1）起動(dòng)工況
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于怠速時(shí)，即認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)工況。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度較低，缸內(nèi)氣體的溫度低，充量系數(shù)降低，由圖2-2的關(guān)系可以看出，此時(shí)應(yīng)減少天然氣的供給比例，加大燃油供給量，從而實(shí)現(xiàn)低溫下的順利啟動(dòng)。
2）怠速工況
發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)運(yùn)行穩(wěn)定，此時(shí)進(jìn)氣溫度提高，缸內(nèi)氣體溫度提高，轉(zhuǎn)速基本穩(wěn)定，充量系數(shù)有所降低由圖2-2可知需要較大天然氣比例。
3）加速運(yùn)行工況
負(fù)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此時(shí)進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)的缸內(nèi)氣體壓力隨負(fù)荷基本不變，而與轉(zhuǎn)速的關(guān)系是增大轉(zhuǎn)速，缸內(nèi)氣體壓力減小，充量系數(shù)降低，由圖2-2，應(yīng)加大天然氣供給比例，缸內(nèi)氣體溫度基本穩(wěn)定，充量系數(shù)影響較小。
4）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況
即發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在踏板位置和負(fù)荷固定不變或變化較小的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以保持恒定。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量保持相對(duì)的穩(wěn)定。天然氣供給比例基本穩(wěn)定。
2.3.3 CNG量的計(jì)算
全負(fù)荷條件下，天然氣產(chǎn)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(shè)計(jì)
3.1減壓閥的原理
減壓調(diào)節(jié)器由一級(jí)減壓腔、二級(jí)減壓腔、三級(jí)減壓腔組成。20MPa的天然氣經(jīng)過一級(jí)減壓 后，輸出壓力在1~1.5MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，二級(jí)減壓后壓力在0.5MPa[6]范圍內(nèi)波動(dòng)，三級(jí)減壓后壓力在0.25MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，且其范圍式可以調(diào)節(jié)的，下面說明它的工作原理：
1）減壓器未進(jìn)氣狀態(tài)[7]
減壓器一、二級(jí)處于常開，三級(jí)經(jīng)調(diào)整后處于常開狀態(tài)，一級(jí)減壓閥經(jīng)調(diào)整調(diào)壓螺栓1后，彈簧4被壓縮，推動(dòng)一級(jí)膜片9、下彈簧座6、一級(jí)閥芯5，使一級(jí)閥芯與高壓密封片18間的閥口產(chǎn)生一級(jí)減壓器處于常開狀態(tài)。
二級(jí)減壓器膜片組15在二級(jí)彈簧16的作用下使二級(jí)減壓器膜片組15的小三角板離開二級(jí)頂桿14，使二級(jí)閥桿14與二級(jí)閥口產(chǎn)生間隙處于常開狀態(tài)。
三級(jí)減壓閥根據(jù)用途可設(shè)置成常開狀態(tài)，也可調(diào)成常閉狀態(tài)。
2）減壓器進(jìn)氣及工作狀態(tài)
當(dāng)一級(jí)減壓器進(jìn)口，通入<20MPa的氣體后，一級(jí)閥芯5與一級(jí)閥口之間即有氣體流過，使一級(jí)減壓腔（即A腔）的壓力上升的同時(shí)該氣壓將一級(jí)膜片推動(dòng)并壓縮主彈簧4，當(dāng)膜片的推力克服主彈簧的預(yù)壓力時(shí)，閥口關(guān)閉，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷不斷變化使燃?xì)獾牧髁孔兓瘯r(shí)，A腔內(nèi)壓力及膜片的推力也隨之變化，當(dāng)主彈簧的預(yù)壓力大于膜片推力的情況下，閥口隨時(shí)變化開度，保持輸出壓力穩(wěn)定，通過調(diào)壓螺栓1調(diào)整主彈簧的預(yù)壓力可以將A腔的壓力控制在范圍內(nèi)，在一定流量范圍內(nèi)穩(wěn)壓輸出。A腔的氣體經(jīng)二級(jí)閥口進(jìn)入B腔，B腔氣壓經(jīng)通氣孔推動(dòng)二級(jí)膜片組15向上壓縮二級(jí)彈簧16同時(shí)壓迫二級(jí)頂桿14關(guān)閉二級(jí)閥口，當(dāng)三級(jí)閥口座打開后，B腔壓力下降，二級(jí)膜片組15在二級(jí)彈簧16的推動(dòng)下放松二級(jí)頂桿14及二級(jí)閥片，打開二級(jí)閥口。隨著三級(jí)閥口流量的變化，二級(jí)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(jí)腔室C，膜片組推動(dòng)掛鉤28和杠桿22打開三級(jí)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(dòng)機(jī)所需燃?xì)饬髁俊?
3）安全閥
為保證減壓器的安全，在一級(jí)減壓器的減壓室內(nèi)安有彈簧式安全閥，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定大于輸出壓力時(shí)，安全閥就自動(dòng)排氣卸壓。
4）加溫裝置
由于一級(jí)減壓比很大，流量最大高達(dá)10m3/h以上，因此氣體膨脹吸熱嚴(yán)重，如果不設(shè)置加溫裝置，減壓閥將大量結(jié)冰，降低機(jī)械性能，降低部件的使用壽命，同時(shí)有可能堵塞管道。因此，減壓調(diào)節(jié)器均設(shè)有加熱防凍裝置。其加熱介質(zhì)有利用發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)水加熱，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢棄加熱和電加熱等多種方式。
3.2減壓閥的設(shè)計(jì)
3.2.1一級(jí)減壓閥設(shè)計(jì)
1）流量的計(jì)算 [7]：
式中 ：
K：調(diào)壓器的綜合流量系數(shù) ， 是根據(jù)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(jì)算得 。
——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的天然氣密度，0.7174kg/m3。
——進(jìn)氣口的熱力學(xué)穩(wěn)度，。
——壓縮系數(shù)，200。
——查表得，0.72。
——進(jìn)氣口的絕對(duì)壓力 20 經(jīng)過和前的計(jì)算的所需流量，該流量是合格的。
2）膜片的設(shè)計(jì)[8]
圖3-1 E型波紋膜片
Figure 3-1 E-corrugated patch
（1）膜片的結(jié)構(gòu)[8]
圖3.1所示的是位移與壓力成線性關(guān)系的E型波紋膜片。E型波紋膜片的特性很接近于線性關(guān)系，且相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定。此類膜片的有效面積在整個(gè)特性區(qū)間均為定值，適合作為減壓閥的一級(jí)減壓器。
（2）膜片的設(shè)計(jì)[8]
材料：鈹青銅，當(dāng)時(shí)，其位移與壓力的關(guān)系：
即當(dāng)時(shí)，=11.50。
有效面積：
式中：
——進(jìn)氣壓強(qiáng)，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(shù)，135000。
——膜片的中心位移 。
——膜片的直徑，。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)未開始工作時(shí)，一級(jí)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(diào)節(jié)螺栓在初始狀態(tài)。高壓氣體進(jìn)入后，膜片在壓力的作用下上移。設(shè)定該級(jí)的壓力輸出范圍，則
正常值
最大值
其他結(jié)構(gòu)尺寸：
具體的參數(shù)意義可參照彈簧手冊(cè)。
3）彈簧的設(shè)計(jì)[9]
按照要求選擇彈簧材料為碳素彈簧鋼絲，許用剪切應(yīng)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(jì)彈簧絲直徑
補(bǔ)償系數(shù)
許用剪切應(yīng)力
直徑，取整
（2）確定彈簧的有效圈數(shù)
，圓整取5
取兩端的支撐圈數(shù)，總?cè)?shù)
（3）彈簧的幾何尺寸
中徑
外徑
內(nèi)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(jì)算式為：
實(shí)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(shè)計(jì)[10]
（1）結(jié)構(gòu)圖
圖3-2上彈簧座
Figure 3-2 the Spring Block
（2）強(qiáng)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(diào)節(jié)螺栓的選定[10]
型號(hào)M20
6）四個(gè)緊固螺栓的設(shè)計(jì)[9]
（1）材料的選擇及性能等級(jí)
45鋼，6.8級(jí)，，,螺栓數(shù)目4。
（2）螺栓的受力分析
螺栓工作拉力：。
殘余預(yù)緊力： 。
總拉力：。
相對(duì)剛度系數(shù)：。
螺栓所需的預(yù)緊力：
（3）螺栓直徑
安全系數(shù)：。
許用拉應(yīng)力 ：。
小徑：,取 。
7）閥桿尺寸的確定
閥桿的尺寸應(yīng)該根據(jù)其他零件的尺寸進(jìn)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(jìn)行校核，只是根據(jù)與其有關(guān)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(yīng)力，。
——補(bǔ)償量，。
實(shí)際應(yīng)該考慮到鑄造工藝性進(jìn)行選取10mm。
3.2.2二級(jí)減壓閥的設(shè)計(jì)[6]~[10]
二級(jí)減壓器實(shí)現(xiàn)由到，開口常開。
1）流量的計(jì)算
式中：
K——調(diào)壓器的綜合流量系數(shù)， ，是根據(jù)行程比來確定的 ， ，，式中H 是主閥行程，是主閥的最大行程。
——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的天然氣密度，0.7174kg/m3 。
——進(jìn)氣口的熱力學(xué)穩(wěn)度，。
——壓縮系數(shù)，5。
——查表得，0.74。
——進(jìn)氣口的絕對(duì)壓力，1。
——壓力變化量，。
2）平面膜片彈簧設(shè)計(jì) 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(shù)，。
——膜片的中心位移，。
經(jīng)過計(jì)算得：
膜片彈簧的布置形式如圖3.3。
圖3-3二級(jí)膜片
Figure 3-3 the second patch
右側(cè)的膜片下降的位移：
3）彈簧的設(shè)計(jì)
按照要求選擇彈簧材料為青銅絲，許用剪切應(yīng)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(jì)彈簧絲直徑
補(bǔ)償系數(shù)：
許用剪切應(yīng)力：
直徑 ：，取整。
（2）、確定彈簧的有效圈數(shù)
，圓整取7。取兩端的支撐圈數(shù) ，總?cè)?shù) 。
（3）、彈簧的幾何尺寸
中徑：
外徑：
內(nèi)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(yīng)力，。
——補(bǔ)償量，。
實(shí)際應(yīng)該考慮到鑄造工藝性，選取8mm。
5）螺栓的選擇與一級(jí)減壓閥相同，數(shù)量4。
3.2.3三級(jí)減壓閥的設(shè)計(jì)
三級(jí)減壓閥要求輸出壓力穩(wěn)定左右。
1）膜片的設(shè)計(jì) 材料：鈹青銅，E形波紋膜片。
當(dāng)時(shí)，其位移與壓力的關(guān)系：
即當(dāng)時(shí)，=4.0625。
有效面積：
式中：
——進(jìn)氣壓強(qiáng)，。
——膜片半徑，60。
——膜片的厚度 ，0.4。
——泊松比，0.3。
——材料的彈性模數(shù) ，。
——膜片的中心位移 。
——膜片的直徑，。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)未開始工作時(shí)，減壓閥閥口常開，閥桿開度，膜片未工作，調(diào)節(jié)螺栓在初始狀態(tài)。氣體進(jìn)入后，膜片在壓力的作用下上移，該級(jí)的壓力輸出范圍，則：
其他結(jié)構(gòu)尺寸：
2）彈簧的設(shè)計(jì)
按照要求選擇彈簧材料為青銅絲，許用剪切應(yīng)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(jì)彈簧絲直徑。
補(bǔ)償系數(shù)：
許用剪切應(yīng)力：
，取整
（2）確定彈簧的有效圈數(shù)
，圓整取5。取兩端的支撐圈數(shù) ，總?cè)?shù) 。
（3）彈簧的幾何尺寸
中徑：
外徑：
內(nèi)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(jì)算[10]
單層圓筒壁的導(dǎo)熱公式：
式中：
——冷卻水的溫度，90。
——減壓閥內(nèi)氣體的溫度，-150。
——導(dǎo)熱系數(shù)，43。
——熱水通道內(nèi)外壁半徑5，15。
——通道長度，1664。
考慮到從發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)際的換熱量為總換熱量的，。
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的流量，實(shí)際流量不低于。冷卻水道的體積實(shí)際調(diào)節(jié)應(yīng)該加流量調(diào)節(jié)器，當(dāng)溫度高于某一設(shè)定值的時(shí)候，則自動(dòng)停止冷卻水的供應(yīng)，否則加大冷卻水的供應(yīng)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(shí)間：
換熱量：
所需的熱量：
該換熱水道滿足要求。
4安全閥的設(shè)計(jì)
4.1安全閥的有關(guān)概念[10]
1）整定壓力：安全閥在運(yùn)行條件下，開始開啟的預(yù)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(shí)，進(jìn)口處的靜壓值。
4.2安全閥的設(shè)計(jì)[10]
1）閥體厚度計(jì)算 材料40，，閥體鍛造
，厚度取為。
式中：
——設(shè)計(jì)壓力，。
——設(shè)計(jì)直徑，。
——需用拉應(yīng)力，。
——腐蝕余量，。
2）閥座密封面上的計(jì)算比壓
密封墊片的材料鑄鐵，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖4-1。
圖4-1密封墊片的外形結(jié)構(gòu)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(jì)算
判定合格條件是額定排量大于或等于被保護(hù)設(shè)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(shù)。
——?dú)怏w特性系數(shù)。
——流道面積，。
——絕對(duì)額定排放壓力，。
——?dú)怏w相對(duì)分子量，。
——?dú)怏w的壓縮系數(shù)。
——安全閥進(jìn)口的絕對(duì)溫度，。
4）閥桿的設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)[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(yīng)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(bǔ)償系數(shù)：
許用剪切應(yīng)力
取整，。
（2）確定彈簧的有效圈數(shù)
最大變形量：
，圓整取28，取兩端的支撐圈數(shù) ，總?cè)?shù)
（3）彈簧的幾何尺寸
中徑：
外徑：
內(nèi)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(qiáng)度及穩(wěn)定性校核，其零件的結(jié)構(gòu)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(shí)，，。
（1）閥桿的壓應(yīng)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(shù)：。
，合格。
7）對(duì)外殼上螺紋強(qiáng)度的校核與設(shè)計(jì)[9]
（1）螺紋外殼的寬度，中經(jīng)，小徑。
（2）螺紋的計(jì)算載荷，對(duì)40鋼在20時(shí)，，，該螺紋合格。
5噴射器的設(shè)計(jì)[10]
1）流通面積的計(jì)算
，取為2.6mm。實(shí)際得到的流通面積。
2）閥桿的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
閥桿結(jié)構(gòu)見圖
圖5-1閥桿結(jié)構(gòu)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(shù)70，電阻值0.75。電磁吸力：=6N
式中：
——磁通量。
——真空磁導(dǎo)率。
——線圈的平均電流
——線圈匝數(shù)。
——工作氣隙長度。
3）彈簧的設(shè)計(jì)
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(yīng)力，，載荷的最大值。
（1）確定彈簧絲的直徑
初選旋繞比：。
補(bǔ)償系數(shù)：。
許用剪切應(yīng)力：。
直徑：， 取整 。
（2）確定彈簧的有效圈數(shù)
最大變形量，，圓整取5，取兩端的支撐圈數(shù)，總?cè)?shù) 。
（3）彈簧的幾何尺寸
中徑：。
外徑：。
內(nèi)徑：。
節(jié)距：。
軸向間隙：。
自由高度：。
螺旋升角：。
（4）閥體壁厚的計(jì)算
，計(jì)算取5，鍛造。
（5）、比壓計(jì)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(dòng)機(jī)的新技術(shù)
6.1儲(chǔ)氣瓶數(shù)量的確定[7]
數(shù)目取5
式中 s——設(shè)計(jì)行駛里程 250km。
Q——原車百公里油耗
q——單個(gè)氣瓶的水溶量 45L。
表6-1為所選型號(hào)氣瓶的參數(shù)
表6-1儲(chǔ)氣瓶參數(shù)[7]
Table6-1 Reserve cylinders parameters
氣瓶型號(hào)
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(gè)，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(jié)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(guān)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(dòng)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(dòng)截止閥
用于從儲(chǔ)氣瓶到減壓閥的。作用是當(dāng)CNG汽車因加氣、修理、入庫停車時(shí)截止儲(chǔ)氣瓶到減壓調(diào)節(jié)器之間的氣路連接。要求時(shí)能快速的開和關(guān)，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(zhì)對(duì)減壓閥閥口造成沖刷損壞，導(dǎo)致密封不嚴(yán)，影響減壓閥工作的可靠性，因此在儲(chǔ)氣瓶和減壓調(diào)節(jié)器之間設(shè)置了過濾器。
5）氣壓顯示及油氣轉(zhuǎn)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(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)[7]
1）天然氣存儲(chǔ)技術(shù)的研究
短期內(nèi)，壓縮氣體儲(chǔ)存仍是市場(chǎng)的主導(dǎo)，儲(chǔ)氣瓶將從鋼質(zhì)瓶、鋼膽纏繞瓶發(fā)展到塑料膽輕質(zhì)氣瓶以及復(fù)合材料氣瓶，使氣瓶質(zhì)量更輕，容量更大，安全系數(shù)更高，檢側(cè)更方便，成本更低。同時(shí)天然氣吸附儲(chǔ)存技術(shù)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(chǔ)氣能力，該項(xiàng)技術(shù)的突破將使天然氣儲(chǔ)存技術(shù)產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。天然氣的液化儲(chǔ)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(shù)主要是提高液化天然氣瓶耐熱保溫技術(shù)水平，降低成本，提高實(shí)用性。
近年來，一種新型的天然氣固態(tài)儲(chǔ)存技術(shù)研究已經(jīng)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(dá)到降低損耗，降低儲(chǔ)存壓力，提高儲(chǔ)載密度(單位體積儲(chǔ)存180倍以上)的目的，該新技術(shù)已申請(qǐng)了國家專利。如果該項(xiàng)技術(shù)能廣泛應(yīng)用于天然氣儲(chǔ)存領(lǐng)域，將引領(lǐng)天然氣汽車進(jìn)人一個(gè)全新的時(shí)代。
2）配裝專用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的單燃料天然氣汽車的研究
簡單改裝的天然氣汽車動(dòng)力損失大，排放特性不能得到明顯改善，雖然通過結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的改進(jìn)，能使天然氣汽車的動(dòng)力性能有所恢復(fù)，排放有所降低，但離真正實(shí)用的清潔汽車還相差甚遠(yuǎn)。專用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可直接從設(shè)計(jì)的角度來解決動(dòng)力損失和排放問題，能夠充分發(fā)揮天然氣自身的優(yōu)勢(shì):可通過優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)，增強(qiáng)缸內(nèi)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(dòng)機(jī)的壓縮比提高到12以上;對(duì)于進(jìn)排氣系統(tǒng)，可優(yōu)化設(shè)計(jì)配氣機(jī)構(gòu)，提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率;由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)和改進(jìn)后，可以使汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性明顯提高。近年來，專
用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，國外已經(jīng)有成型的產(chǎn)品投入使用，取得良好的實(shí)用效果。因此，配裝專用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的單燃料天然氣汽車
將是未來的主導(dǎo)趨勢(shì)。
3）車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)的研究
目前，提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率及其熱效率，進(jìn)一步降低排放水平，以及實(shí)現(xiàn)整車的優(yōu)化匹配技術(shù)是天然氣汽車推廣應(yīng)用的關(guān)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(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)，使天然氣汽車不論在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面都有顯著的提高。天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的主導(dǎo)趨勢(shì)是:電子控制噴氣技術(shù)(主要是電控多點(diǎn)順序噴射
技術(shù)，特別是電控高壓缸內(nèi)直噴技術(shù))，可變配氣相位技術(shù)，稀薄燃燒技術(shù)，廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)，空燃比控制技術(shù)(主要是氧傳感器閉環(huán)控制技術(shù))，新型催化劑和催化技術(shù)(主要是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)專用的三效催化轉(zhuǎn)化器和氧化催化轉(zhuǎn)化器技術(shù))。
另外，還包括進(jìn)氣增壓技術(shù)、進(jìn)氣節(jié)流技術(shù)、進(jìn)氣預(yù)熱技術(shù)、可變幾何渦輪增壓器技術(shù)、分層充量和跳缸點(diǎn)火技術(shù)、新材料技術(shù)、高能量點(diǎn)火技術(shù)、車用天然氣加工技術(shù)、專用潤滑油技術(shù)等，也將促進(jìn)車用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)天然氣汽車的應(yīng)用推廣。
7經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析
7.1現(xiàn)今的雙燃料供氣系統(tǒng)
1）進(jìn)氣管混合器供氣方式[14][15]
雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改裝技術(shù)發(fā)展初期，多數(shù)是通過安裝在進(jìn)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(dòng)機(jī)，通入混合器的燃?xì)鈮毫τ膳c加速踏板相連接的機(jī)械裝置控制，使?jié)M負(fù)荷時(shí)天然氣壓力最大，低負(fù)荷時(shí)天然氣壓力最小;或者通過機(jī)械裝置控制供氣管道中的閥門開啟角度來調(diào)節(jié)供氣量。柴油泵設(shè)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(xiàn)在仍有應(yīng)用。該類型的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較低，便于對(duì)現(xiàn)有的化油器式汽油機(jī)進(jìn)行改造。但是由于無法進(jìn)行閉環(huán)控制，難于精確地控制空燃比，因而難于達(dá)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(jì)90年代初國外出現(xiàn)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(dòng)機(jī)和美國Caterpillar公司的Caterpillar 3208 CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況下性能和排放對(duì)空燃比的要求，靈活地調(diào)整天然氣供應(yīng)量、引燃柴油的噴射時(shí)刻和噴射量。但這種改裝方式的問題是不能精確控制進(jìn)入各氣缸的天然氣量。
2）進(jìn)氣噴射方式
進(jìn)氣噴射方式是將天然氣引至進(jìn)氣總管或進(jìn)氣口處，燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)利用天然氣噴射閥來實(shí)現(xiàn)控制。裝有高速電磁閥的噴射閥采用脈寬調(diào)制控制方式，依照電控單元的指令定時(shí)向相應(yīng)缸的進(jìn)氣管噴射天然氣。噴出的天然氣與進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的新鮮空氣混合進(jìn)入氣缸。
如果將一個(gè)大流量天然氣噴射閥安裝在某型發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣總管，稱為天然氣電控單點(diǎn)噴射式雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。比較典型的是Cummins的C系列電控進(jìn)氣道單點(diǎn)噴氣增壓中冷天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。該方式采用電控單點(diǎn)噴射(SI)，并結(jié)合氧傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制可較精確地控制空燃比，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和排放性。但是由于單點(diǎn)噴射器與廢氣氧傳感器之間有較長的距離，因而系統(tǒng)對(duì)空燃比的變化響應(yīng)較遲鈍，難于依靠氧傳感器的信號(hào)在設(shè)定的空燃比附近實(shí)現(xiàn)快速振蕩控制，尤其是在加速和減速時(shí)不能迅速響應(yīng)空燃比的變化，從而使混合氣在較長的時(shí)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(biāo)。
本設(shè)計(jì)的原理是采用多個(gè)天然氣噴射閥安裝在進(jìn)氣口，則稱該型發(fā)動(dòng)機(jī)為天然氣電控多點(diǎn)噴射式(MPI)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。這種系統(tǒng)采用噴射閥直接向進(jìn)氣口噴射天然氣，分別測(cè)量空氣和氣體燃料的流量，且在各種工況下都能精確地計(jì)量，從而在整個(gè)使用期內(nèi)可以保持高精度和高穩(wěn)定性。由于可以嚴(yán)格控制氣體燃料噴射量和噴射始點(diǎn)與進(jìn)排氣門及活塞運(yùn)動(dòng)的相位關(guān)系，易于實(shí)現(xiàn)定時(shí)供氣及層狀供氣，并可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)荷更準(zhǔn)確地控制空燃比:同時(shí)，電子控制的靈活性和高速處理能力使其可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的變化，使發(fā)動(dòng)機(jī)按合理的方式運(yùn)行，從而取得良好的排放性能。
3）缸內(nèi)氣體噴射技術(shù)
采用氣體噴射器直接向氣缸內(nèi)噴射天然氣，分為缸內(nèi)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(dòng)機(jī)上;高壓噴射供氣方式主要用在高壓縮比和壓縮終點(diǎn)噴射的氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上，對(duì)于大型發(fā)動(dòng)機(jī)和高速發(fā)動(dòng)機(jī)，往往采用高壓噴射，達(dá)到較高的燃料供給量和延續(xù)較短的供氣噴射時(shí)間。這種改裝技術(shù)(尤其是高壓噴射式)降低或消除了燃料供給對(duì)空氣充量的影響，實(shí)現(xiàn)了燃料供給的質(zhì)調(diào)節(jié)，易于實(shí)現(xiàn)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_(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷下更完善的動(dòng)力性，避免爆振，使雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率可與柴油機(jī)媲美，同時(shí)避免雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)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(dòng)機(jī)燃燒過程組織的復(fù)雜性。但是大部分缸內(nèi)氣體噴射系統(tǒng)采用兩個(gè)噴射器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對(duì)柴油機(jī)氣缸蓋進(jìn)行改動(dòng)，技術(shù)難度大，費(fèi)用高。
7.2各種供氣技術(shù)比較[14]
在上述三種供氣方式中，機(jī)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(dá)到較高的排放要求。為達(dá)到更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，必須采用電控氣體燃料噴射技術(shù)。其中缸內(nèi)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(diǎn)順序電控噴射高。而氣口多點(diǎn)順序電控噴射既能滿足精度要求，又在國內(nèi)屬于基本成熟技術(shù)，因此對(duì)于國內(nèi)而言，宜采用氣口多點(diǎn)順序電控噴射方式。所以本設(shè)計(jì)的原理采用采用氣口多點(diǎn)順序電控噴射方式。
8結(jié)論
1）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵的零部件是減壓閥、氣瓶和流量控制部分。本設(shè)計(jì)就這幾個(gè)關(guān)鍵部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了實(shí)用可行的結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算，用現(xiàn)今國內(nèi)比較流行的系統(tǒng)組成了一套發(fā)動(dòng)機(jī)氣體供給系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程要注意不同的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)為0.25Mpa,而實(shí)際應(yīng)用可根據(jù)文獻(xiàn)[6]進(jìn)行調(diào)節(jié)。
3）合理的設(shè)計(jì)一套電子控制部分是本文所設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)供給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。
致謝
本文是在劉克銘老師的悉心指導(dǎo)下完成的，論文選題、方案構(gòu)思、工作實(shí)施以及論文撰寫的整個(gè)過程中，無不浸透著導(dǎo)師的大量心血，并且在生活上，導(dǎo)師也給了我無微不至的關(guān)懷和巨大的幫助，使我深受感動(dòng)。導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)、虛懷若谷的風(fēng)范、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)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(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的榜樣。在此謹(jǐn)對(duì)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(shí)，在這近四年的本科生學(xué)習(xí)生活中，冷岳峰老師、李惟慷老師、張強(qiáng)老
師、朱占平老師、蘇暢老師等無論在學(xué)習(xí)和生活上也都給了我很多的關(guān)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(xué)，這四年來我們互相幫助，互相學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步，結(jié)下了深厚的友誼;我將永遠(yuǎn)懷念和他們一起度過的美好時(shí)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(xué)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(xué)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(lì)和關(guān)懷支持著我度過了在工大的求學(xué)生涯，我將永遠(yuǎn)銘記在心。
劉立豐
2008年5月
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附錄A 譯文
新德里空氣中PAH的濃度：比較使用CNG汽車前后的空氣情況
摘要：使用替代燃料被認(rèn)為是一項(xiàng)改善城市空氣質(zhì)量有效措施。新德里十分關(guān)注日益惡化的空氣質(zhì)量，印度政府開始采取不同的措施，包括采取嚴(yán)格的廢氣排放規(guī)范，改善燃油品質(zhì)及全部公共交通系統(tǒng)采用清潔燃料的CNG汽車。在2002年，整個(gè)城市的公共汽車轉(zhuǎn)化為CNG汽車。本研究報(bào)告比較新德里CNG汽車在公共交通系統(tǒng)引入前后，空氣中可吸入顆粒物和PAH評(píng)估前后含量的對(duì)比。這項(xiàng)研究在兩個(gè)不同的時(shí)間段開展：第一次是在1998年，第二次在2004年。公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)在2002年使用天然氣后，所得CNG汽車的數(shù)據(jù)表明，PM急劇減少51-74%，TPAH濃度減少58-68%。
關(guān)鍵詞：CNG，新德里，PAH，可吸入顆粒物
1.簡介
在城市地區(qū)高濃度的空氣污染產(chǎn)生的有毒物質(zhì)會(huì)不受控制的對(duì)暴露人群產(chǎn)生危害。在這些有毒物質(zhì)中，PAH的危害占據(jù)著重要地位，由于它能使人體細(xì)胞致癌和致突變。癌癥在城市地區(qū)多發(fā)，PAH及其衍生物是主要的罪魁禍?zhǔn)祝―oll and Peto 1981年；Speizer 等人1986年；Westerholm等人1988年）。PAH是具有半揮發(fā)性的性質(zhì)，無論是在氣體和微粒階段（Gundel等人1995年）都很危險(xiǎn)，這些化合物無所不在的。已發(fā)現(xiàn)與之關(guān)聯(lián)的顆粒物是PM10（Feilberg 2000年；Lighty等人2000年）。在城市環(huán)境中PAH的主要來源是不完全燃燒的有機(jī)物質(zhì)。車輛的排放被認(rèn)為（主要是柴油車）是大氣中PAH超標(biāo)的最主要來源（Wingfors等人2001年）。柴油車尾氣有毒性在科學(xué)上是有案可查的，柴油車尾氣被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（國際癌癥研究機(jī)構(gòu)）歸類作為可能導(dǎo)致人類致癌（第2 A組）的主要來源。這些PAH顆粒多是微小的，這些顆粒有很高的概率通過呼吸道沉積到肺中，并可能引發(fā)肺癌（Sidhu等人2001年）和職業(yè)性呼吸系統(tǒng)疾?。≧antanen 等人1993年）。PAH的濃度在大城市周圍的城市仍然偏高。由于使用汽車人數(shù)的增加，汽車仍在排放大量的微粒物質(zhì)。
印度首都新德里，就是世界上污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市中的一個(gè)（Aneja 2001年）。在印度，主要的空氣污染問題是可吸入的懸浮粒子和顆粒物（RSPM和Bhanarkar 2002年）。空氣中PM10的可吸入顆粒物一直與相關(guān)的健康損害有關(guān)，并增加發(fā)病率、哮喘和死亡率（Dockery 和Pope 1994年）。在各項(xiàng)研究的報(bào)告中，死亡率和其他流行病學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算也反映了問題的嚴(yán)重性，據(jù)估計(jì)，僅在新德每年里數(shù)以十萬計(jì)的呼吸系統(tǒng)疾病例，都與大氣污染相關(guān)（Faiz and Sturmn 2000年）。隨著汽車數(shù)量的增加，汽車污染，無論是柴油和汽油，都將繼續(xù)成為新德里主要問題（Goyal and Sidhartha 2003 ）。和1998的3200000輛車相比，目前新德里有4200000車輛在其道路行駛。
新德里政府已頒布了若干政策手段來減輕和控制在城市中心車輛污染。1998-2004所采取的各種措施可以概括為：（1）逐步淘汰和禁止舊式商業(yè)/運(yùn)輸車輛（> 15年1998年）。（2）只有符合歐盟II 的車和柴油的士才能發(fā)放牌照（1999年）。（3）柴油的含硫量減少到0.25 ％ （1999年），然后到0.05 ％（2000年）。（4）以煤發(fā)電廠轉(zhuǎn)向以優(yōu)質(zhì)煤發(fā)電（2000年）。（5）關(guān)閉重污染的行業(yè)（2001年）。（6）大力推廣乘坐德里地鐵（在2003-04年度；Mohan 和Kandya 2007 ）。（7）在2001年4月，印度最高法院作出一個(gè)重大的決定， CNG燃料強(qiáng)制性應(yīng)用在公共交通的法令新德里實(shí)施。這個(gè)具有里程碑意義的決定之后，到2001年7月，擁有壓縮天然氣車輛的總?cè)藬?shù)約有32884 （CPCB 2003年）號(hào)決議，這個(gè)數(shù)字上升到57240和94246在2002年3月和2005年4月。
2.材料與方法
2.1研究地區(qū)
新德里是位于喜馬拉雅山以南的160公里，海拔在的213.3和305.4米以上。由塔爾拉賈斯坦邦的沙漠在其西部和熱的平原中央的印度在其南部地區(qū)所包圍。城市面積1483平方公里，和1970年的350萬人口相比，目前的人口約1300萬。新德里在一年中氣候主要是大陸性季風(fēng)氣候。夏季炎熱干燥，冬天的寒冷是新德里氣候的主要特征。正常的雨量是611.8mm。除了季風(fēng)月份外，風(fēng)向