CNG汽車及結(jié)構(gòu)與原理

1、.CNG汽車的結(jié)構(gòu)與原理曾祥熙（南充石油機械廠、四川華油NGV開發(fā)公司）壓縮天然氣、汽油兩用燃料汽車（簡稱CNG汽車），是采用定型的汽油汽車改裝，在保留原車供油系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一套"車用壓縮天然氣裝置"，可燃用壓縮天然氣，也可燃用汽油，油氣兩種燃料轉(zhuǎn)換非常方便。"車用壓縮天然氣裝置"由以下三個系統(tǒng)組成。1天然氣儲氣系統(tǒng)：主要由充氣閥、高壓截止閥、天然氣貯氣瓶、高壓管線、高壓接頭、壓力傳感器及氣量顯示器等組成。2天然氣供給系統(tǒng)：主要由天然氣濾清器、減壓調(diào)節(jié)器、動力調(diào)節(jié)閥、混合器等組成。3油氣燃料轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：主要由油氣燃料轉(zhuǎn)換開頭、天然氣電磁閥、汽油電磁閥等

2、組成。一、車用壓縮天然氣裝置工作原理目前，我國在用的CNG汽車，有機械控制式和機電控制式兩大類，"NCNG型車用壓縮天然氣裝置"屬于后者，為國內(nèi)外使用最多，并較為先進的一種裝置?，F(xiàn)重點介紹該裝置的結(jié)構(gòu)原理，同時也介紹相關(guān)的其它類型裝置。NCNG型車用壓縮天然氣裝置工作原理方塊圖如下：該系統(tǒng)分天然氣氣路、汽油油路和控制電路三大部分。充氣站將壓縮天然氣，通過充氣閥充入貯氣瓶至20MP。當使用天然氣作燃料時，手動截止閥打開，安裝在駕駛室內(nèi)的油氣燃料轉(zhuǎn)換電開關(guān)，汽油電磁閥關(guān)閉，貯氣瓶內(nèi)的20MPa高壓天然氣通過高壓管路進入減壓調(diào)節(jié)器減壓。該減壓調(diào)節(jié)器裝置為三級組合式結(jié)構(gòu)，可將不高于

3、20MPa的壓縮天然氣逐級減壓至負壓，再通過低壓管路、動力閥進入混合器，并與經(jīng)空氣濾清器進入的空氣混合，經(jīng)化油器通道進入發(fā)動機氣缸燃燒?；旌掀魇且粋€根據(jù)文丘里管原理設(shè)計的部件，可將發(fā)動機進氣道的真空度傳遞到減壓調(diào)節(jié)器內(nèi)，直接調(diào)節(jié)天然氣的供給量。減壓調(diào)節(jié)器與混凝合器相匹配，根據(jù)發(fā)動機的各種不同工況產(chǎn)生不同的真空度，自動調(diào)節(jié)減壓調(diào)節(jié)器的供氣量，并使天然氣與空氣均勻混合，滿足發(fā)動機不同工況的使用要求。動力閥是一個調(diào)節(jié)天然氣管道截面積的裝置，可調(diào)節(jié)混合氣的空燃比，使空燃比達到最佳狀態(tài)。油路中安裝一個汽油電磁閥，其余部件均保留不變。當使用汽油作燃料時，司機將油氣燃料轉(zhuǎn)換開頭扳到"油"

4、的位置，此時天然氣電磁閥關(guān)閉，汽油電磁閥打開，汽油通過汽油電磁閥進入化油器、并吸入氣缸燃燒。燃料轉(zhuǎn)換開關(guān)有三個位置，當撥到中位時，油、氣電磁閥均關(guān)閉，該功能是專門用來由汽油轉(zhuǎn)換到天然氣時，燒完化油器油室里殘存汽油而設(shè)置的，以免發(fā)生油氣混燒現(xiàn)象。有的CNG汽車用晶體管電動油泵代替汽油電磁閥，其性能基本相同。機械控制式系統(tǒng)與本系統(tǒng)相比，其區(qū)別在于未安裝電磁閥及油氣燃料轉(zhuǎn)換開關(guān)，燃料轉(zhuǎn)換時要操作手動截止閥，操作性能和安全性能均較差。目前，國外正在研制由微機控制的團環(huán)氣路供給系統(tǒng)，其工作原理是，在發(fā)動機進排氣管中安裝溫度、排放物成份、壓力、流量等傳感器，微機接受各傳感器信號后，及時校正供氣系統(tǒng)的流量、

5、壓力及供氣和點火時間，從而達到最佳的動力性、經(jīng)濟性及最低的排放污染物。但該系統(tǒng)改裝成本高、技術(shù)復(fù)雜，目前我國尚未推廣。除此之外，由于汽油和天然氣燃點不同，汽油的燃點為427，天然氣為650，天然氣燃燒時火焰?zhèn)鞑ニ俣缺绕吐?，因此天然氣?yīng)比汽油點火時間提前，一般為12-17。目前我們正在研制一種點火線圈內(nèi)，由燃料轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，能分別自動轉(zhuǎn)換兩種燃料的點火提前角。以上新技術(shù)是今后CNG汽車的發(fā)展方向。二、主要部件的結(jié)構(gòu)和工作原理1充氣閥充氣裝置有插銷式和卡口式兩種，我國標準已統(tǒng)一為孔徑12的插銷式充氣閥，該閥設(shè)置手動截止閥與之串聯(lián)，充氣后將截止閥關(guān)閉。插銷孔內(nèi)的防塵塞有排氣螺塞，截止閥一旦漏氣，防

6、塵塞可起到密封作用，如要拔出防塵塞，則可先打開排氣螺塞泄壓。2貯氣瓶天然氣貯氣瓶有鋼質(zhì)瓶、鋁合金輕質(zhì)瓶和由內(nèi)膽加碳素纖維或玻璃絲增強纖維纏繞的復(fù)合材料瓶。我國目前主要使用鋼質(zhì)氣瓶，該瓶生產(chǎn)成本較低，安全耐用，但容重比大，重量大。復(fù)合材料瓶最大的優(yōu)點是容重比小、重量輕，但生產(chǎn)成本高，價格貴，該瓶是今后CNG汽車貯氣瓶的發(fā)展方向。（1）天然氣鋼瓶目前，鋼瓶由兩種生產(chǎn)工藝制造，一種為無縫鋼管兩端收口，尾部一般為凸狀，另一種是由鋼坯直接沖壓而成，尾部一般為凹狀。標準規(guī)定，天然氣鋼瓶必須由經(jīng)省級主管部門和國家勞動部鍋爐壓力容器安全監(jiān)察局批準的鋼瓶設(shè)計單位和制造單位設(shè)計和制造，質(zhì)量符合GB5099標準。材

7、料一般選用30CRMO高強度優(yōu)質(zhì)鋼。車用鋼瓶額定工作壓力為20MPa，產(chǎn)品出廠時，每件均進行1.5倍額定工作壓力的水壓試驗，氣密性試驗及內(nèi)外表面缺陷檢驗，每批產(chǎn)品均進行材料的拉力，沖擊韌性，硬度試驗，金相組織檢查，水壓爆破等試驗，合格后才能出廠。鋼瓶在鑒定時，已進行過充氣狀態(tài)下的火燒、撞擊、槍擊、爆炸等特種試驗，因此，天然氣鋼瓶是安全可靠的。我國目前生產(chǎn)的鋼瓶主要規(guī)格如下： 每個鋼瓶體上，打鋼印標記（2）瓶口裝置瓶口裝置由進氣口、出氣口、手動截止閥和安全裝置四部份組成。進氣口為ZW27.8錐螺紋、錐度3：25，14牙/吋（螺距1.814mm）。出氣口為G5/8（左）外螺紋連接，60°

8、錐面密封。特別注意的是，天然氣為可燃氣體，因此標準規(guī)定連接螺紋為左旋（即反扣）。手動截止閥的作用是在必要時關(guān)閉氣瓶與高壓管線間的通道。安全裝置有膜片式和膜片與易熔合金復(fù)合式兩種。當遇到意外時，高溫將易熔合金熔化，高壓將膜片爆破，氣瓶內(nèi)的高壓天然氣泄放，以保護氣瓶。易熔合金熔化溫度為100±5，膜片爆破壓力為1.2-1.6倍額定充氣壓力。3高壓管線及高壓接頭高壓管線采用不銹鋼無縫鋼管或其它車用高壓天然氣專用管線。我國目前采用的是6或8的1CR18NI9TI不銹鋼無縫鋼管。高壓接頭采用卡套式管件，它由接頭體、卡套和壓緊螺母三部份組成。4減壓調(diào)節(jié)器減壓調(diào)節(jié)器是CNG汽車核心和關(guān)鍵部件，它的

9、性能好壞，直接影響整車的性能。該裝置按結(jié)構(gòu)分為組合式和分體式兩種，NCNG型減壓調(diào)節(jié)器為三級組合結(jié)構(gòu)，裝置完善，功能齊全。該部件設(shè)置有以下機構(gòu)：（1）一級減壓閥；（2）二級減壓閥；（3）三級調(diào)節(jié)閥；（4）高壓電磁閥；（5）怠速電磁閥；（6）天然氣濾清器；（7）安全閥；（8）加溫裝置；（9）動力閥；（10）壓力傳感器。20MP a高壓天然氣經(jīng)一級減壓后壓力為0.35-0.4MPa，二級減壓后壓力為0.15-0.19MPa，三級調(diào)節(jié)后壓力減為負壓。下面將分別介紹各機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理。（1）一級減壓閥一級減壓閥為常開式減壓閥，主要由閥座、閥芯、通桿、膜片、彈簧、減壓室等部份組成。該閥在未通入高壓氣

10、體時，在壓力彈簧的作用下，使膜片向下運動，帶動杠桿轉(zhuǎn)動，使閥芯與閥口保持一定間隙，閥口處于常開狀態(tài)。當通入高壓氣體時，減壓室的壓力逐步增高，達到額定輸出壓力時，氣體作用在膜片下方的壓力克服彈簧的彈力，使膜片向上動作，從而帶動杠桿轉(zhuǎn)動，使閥品關(guān)閉。當減壓室的氣體向三級閥輸出后，壓力降到額定輸出壓力以下，在壓力彈簧的作用下又使閥口打開，如此反復(fù)，使減壓閥在保證流量的基礎(chǔ)上，出口壓力穩(wěn)定在一個數(shù)值內(nèi)。該閥壓力彈簧設(shè)計為不可調(diào)節(jié)式，如要調(diào)節(jié)出口壓力和流量，可調(diào)節(jié)杠桿上的調(diào)節(jié)螺釘或更換壓力彈簧。一般閥口間隙保持在0.5-1mm左右。測試壓力時，可將安全閥拆下，裝上壓力表接頭和壓力表即可。根據(jù)車型，壓力可

11、調(diào)到0.3-0.4MPa。（2）二級減壓閥二級減壓閥的原理與一級減壓閥相同，也屬于常開式減壓閥，其不同點在于壓力彈簧為扭簧，可調(diào)節(jié)式，根據(jù)不同的車型，出口壓力調(diào)節(jié)到0.15-0.19MPa。另了個不同點是，杠桿為不可調(diào)節(jié)式，閥芯可微調(diào)，其調(diào)節(jié)目的是調(diào)節(jié)閥口的吃合線，保持良好的密封性能。測試壓力時，可將二級出口管堵頭拆出，裝上壓力表接頭和壓力表即可。（3）三級調(diào)節(jié)閥三級調(diào)節(jié)閥為常閉式閥，當閥室內(nèi)真空度為零時，在壓力彈簧的作用下，閥口處于關(guān)閉狀態(tài)。當閥室處于負壓時，由于膜片上方與大氣相通，膜片兩邊出現(xiàn)壓力差，膜片向閥里運動，帶動杠桿克服彈簧壓力，使閥口打開供氣。當減壓室負壓減小時，在壓力彈簧作用下

12、，閥口又處于關(guān)閉狀態(tài)。如此反復(fù)，就使減壓閥出口壓力穩(wěn)定在一個數(shù)值內(nèi)。該閥的壓力彈簧可通過手柄調(diào)節(jié)，天然氣的流量完全由發(fā)動機真空度調(diào)節(jié)，因而能滿足發(fā)動機各種工況的供氣量。（4）高壓電磁閥在一級減壓閥之前，設(shè)置有高壓電磁閥，以控制供、斷天然氣。由于高壓電磁閥的控制最高壓力為20MPa，并要保證最大流量40m3/h，如直接關(guān)閉，則需要很大的電功率，所以該閥設(shè)計為先導(dǎo)式二位二通常閉式電磁閥，電功率為16W，工作電壓為CD12V。該閥由電磁線圈、閥芯套筒、回位彈簧、電磁閥芯、連接銷、先導(dǎo)閥及閥座等幾部份組成，這種閥與常規(guī)的電磁閥不同之處在于增加一個先導(dǎo)閥。先導(dǎo)閥套裝在電磁閥芯上，通過銷子連接為一體，先導(dǎo)

13、閥套裝在電磁閥芯上，通過銷子連接為一體，先導(dǎo)閥銷孔比銷子直徑大，因而兩者間存在相對運動，先導(dǎo)閥中心有一個小孔，能使電磁閥的高壓室與代壓室相通，先導(dǎo)閥下端裝有O型密封圈，電磁閥芯下端有密封膠墊。在電磁線圈未通電時，電磁鐵芯在回位彈簧的作用下，將先導(dǎo)閥的小孔密封，繼而推動先導(dǎo)閥將O型密封圈坐落在閥座上，通道全部關(guān)閉。當電磁閥通電時，由于電磁鐵的磁力較小，不能直接把主通道打開，只能先打開先導(dǎo)閥的小孔，這時高壓腔的高壓氣通過小孔流到低壓腔，使高低壓腔差減小，然后電磁鐵芯通過連接銷，將先導(dǎo)閥一起提起，打開主通道。該閥性能的好壞，直接影響整個裝置的運行，而電磁鐵和先導(dǎo)閥又直接影響該閥的性能，因此應(yīng)特別注意

14、該閥的裝配質(zhì)量。（5）怠速電磁閥由于三級閥是常閉式，在發(fā)動機不運轉(zhuǎn)時，三級閥關(guān)閉，發(fā)動機起動和怠速運轉(zhuǎn)時，真空度較小，無法打開三級閥，因而設(shè)置了一套供發(fā)動機超支和怠速供氣的怠速電磁閥。該閥為常閉式二位二通電磁閥，功率14W，工作電壓DC12V，由電磁線圈、電磁閥套筒、電磁閥芯、調(diào)節(jié)手柄總成和怠速氣管等組成。怠速電磁閥由二級減墳閥直接供氣，輸出的天然氣由怠速管流入減壓閥低壓出氣管。當電磁閥未通電時，在回位彈簧的作用下，電磁鐵芯將閥座孔關(guān)閉。當電磁線圈通電時，閥芯產(chǎn)生磁力，克服回位彈簧彈力，使閥座孔打開通氣。起動、怠速的供氣量，可由調(diào)節(jié)手柄改變閥芯的運動行程而調(diào)節(jié)，其方法為先將調(diào)整螺栓旋到底，然后

15、倒退1-1.5圈即可。（6）動力閥動力閥又稱動力調(diào)節(jié)閥，安裝在減壓調(diào)節(jié)器總成的低壓通氣管上，結(jié)構(gòu)如圖六所示。調(diào)節(jié)螺釘?shù)纳顪\可調(diào)節(jié)通氣道的橫截面積。由于空氣通道的截面積不變，改變天然氣通道截面積，則可調(diào)節(jié)混合器中燃氣與空氣的比例，簡稱空燃比。從理論上分析，空燃比達10：1最理想。具體調(diào)節(jié)方法是：調(diào)整螺釘深淺，在發(fā)動機廢氣測試儀上，測出最大扭矩時，排氣中CO含量為1-1.5%即可。（7）安全閥為了保證減壓調(diào)節(jié)的安全，在一級減壓閥的減壓室安裝有彈簧式安全閥。按標準規(guī)定當壓力大于額定輸出壓力1.3倍，即0.52MPa時，安全閥將自動排氣泄壓。（8）加溫裝置由于一級減壓閥減壓比高達50：1，流量最大達到

16、40m3/h，因此氣體膨脹吸熱嚴重，如果不設(shè)置加溫裝置，減壓閥將大量結(jié)霜，直至結(jié)冰，降低機械性能，減少部件的使用壽命，同時也可能產(chǎn)生管道冰堵。減壓閥上的加溫裝置為一水道，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水，通過軟管引入減壓調(diào)節(jié)器進行加溫，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。安裝時注意，應(yīng)使循環(huán)水進出口的壓力差盡量大。5混合器為與減壓調(diào)節(jié)器相匹配，混合器設(shè)計為文丘里管結(jié)構(gòu)。根據(jù)發(fā)動機化油器和空氣濾清器型號的不同，混合器可選用盤式、筒式等多種樣式，但不管那種樣式，混合器均安裝在空濾器與化油器之間，其工作原理基本相同。該混合器由殼體和芯子兩部份組成，芯子喉徑最小處均勻分布一圈小孔，殼體上有天然氣進氣道，其結(jié)構(gòu)如圖七。這種混合器

17、一方面要使喉管處產(chǎn)生真空度來調(diào)節(jié)減壓調(diào)節(jié)器的天然氣流量，另一方面又要將天然氣與空氣均勻混合。該混合器結(jié)構(gòu)雖然簡單，但其設(shè)計參數(shù)直接影響發(fā)動機的性能，混合器喉徑過大，真空度小，不靈敏；過小，吸入空氣量少，影響空燃比，發(fā)動機功率下降。通氣小孔總截面積應(yīng)與天然氣進氣道截面積相匹配。按標準規(guī)定，混合器安裝后，各連接處不得有竄漏現(xiàn)象，使用汽油燃料時，安裝混合器后影響過大，就得重新改變混合器參數(shù)。值得注意的是，安裝混合器芯子時，圓弧端應(yīng)朝向空氣濾清器，圓錐端應(yīng)朝向化油器，不可裝反。6汽油電磁閥和晶體管電動燃油泵汽油電磁閥是一個二位二通常閉式電磁閥，安裝在汽油濾清器和汽油泵之間，由燃料轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，當使用天

18、然氣時電磁閥將油路切斷，使用汽油時將油路打開。該閥工作電壓為DC12V，功率為12W。汽油電磁閥上還有一個手動開關(guān)，旋轉(zhuǎn)手動開關(guān)能使汽油電磁閥處于常開狀態(tài)，不受燃料轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，主要在長期使用汽油時使用。晶體管電動燃油泵可代替汽油電磁閥，安裝在汽油濾清器和化油器之間，它由燃料轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，不僅可以控制油路的通斷，還可以代替機械汽油泵。7燃料轉(zhuǎn)換開關(guān)燃料轉(zhuǎn)換開關(guān)控制汽油和天然氣的通斷。它有三個位置，一個是"油"位，接通汽油電磁閥或晶體管電動燃油泵電路，切斷天然氣電磁閥電路；一個是"中間"位，油、氣電路均不接通；還有一個"氣"位，接通天然氣電磁閥電路，切斷汽油電磁閥電路。燃