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一、立題依據(jù)
隨著社會(huì)發(fā)展，汽車保有量的不斷增多，由汽車導(dǎo)致的環(huán)境污染和能源危機(jī)的問題日益嚴(yán)重。為汽車尋找清潔而且豐富的替代燃料，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性，已成為相關(guān)研究技術(shù)人員迫切需要解決的問題。天然氣繼煤碳、石油之后，作為三大能源之一。在煤碳、石油大量開采和耗盡下，天然氣的儲(chǔ)量顯得比較豐富。同時(shí)它具有使用、儲(chǔ)存方便，熱效率高，燃燒清潔等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)天然氣的開發(fā)和使用受到各國重視。
用天然氣替代常規(guī)的汽油或柴油作為汽車燃料具有很多優(yōu)點(diǎn)。最大的好處在于環(huán)保方面，不但排放性能優(yōu)，而且汽車噪音也低；同時(shí)把傳統(tǒng)汽車改裝成天然氣汽車只需要在原發(fā)動(dòng)機(jī)上加裝一套天然氣供給系統(tǒng)，改裝方便、成本低；此外，天然氣汽車安全性高。天然氣是一種高燃點(diǎn)的輕量氣體，在通常的溫度和壓力下比汽油更安全。天然氣本身無毒、無腐蝕性和非致癌的，即使泄漏也不會(huì)對(duì)土地或水形成威脅。在我國天然氣儲(chǔ)量相當(dāng)豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國天然氣總資源量約為５４萬億立方米，天然氣可采資源總量為14 ~ 22萬億立方米。天然氣資源總量列世界第五位、亞洲第一位。所以在我國發(fā)展天然氣汽車，開發(fā)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)前景廣闊。
天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代產(chǎn)品是機(jī)械式，第二代屬于簡(jiǎn)單閉環(huán)控制，第三代是采用電控噴射CNG技術(shù)。具體來說，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了從最先汽油機(jī)改裝到柴油機(jī)改裝，最后到專門根據(jù)天然氣特性設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)階段。同時(shí)燃料也經(jīng)歷了從雙用燃料、雙燃料到單用燃料過程。在這發(fā)展過程中，產(chǎn)生了許多技術(shù)，如：增壓中冷技術(shù)、燃燒稀燃技術(shù)、天然氣缸內(nèi)噴射技術(shù)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)閉環(huán)電控技術(shù)、天然氣零部件開發(fā)可靠性技術(shù)、天然氣催化器應(yīng)用技術(shù)等。
就目前我國天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展上看，大多是在原汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上加裝一套天然氣供給系統(tǒng)，開發(fā)成汽油-天然氣雙用發(fā)動(dòng)機(jī)?？刂菩问蕉酁闄C(jī)械式的，天然氣供給方式多為混合器預(yù)混合式。我們知道汽油—天然氣雙用發(fā)動(dòng)機(jī)天然氣替代率低，同時(shí)機(jī)械式控制不精確的自身缺陷，混合器預(yù)混合式天然氣-空氣混合不均等原因，實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)排放性改善并不大。
鑒于以上情況和對(duì)城市環(huán)境造成很大污染的公交車大多很用柴油機(jī)，在柴油機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)一款電控天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。電控天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是在原電控柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)安裝一套天然氣供給系統(tǒng)，用少量柴油引燃天然氣來工作。充分利用柴油機(jī)上的電控系統(tǒng)，來精確控制柴油引燃量和天然氣的供給量。達(dá)到提高天然氣替代率，提高原發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性的目的。
二、設(shè)計(jì)內(nèi)容
本設(shè)計(jì)是在原YC6108電控柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)安裝一套天然氣供給系統(tǒng)，并充分利用原柴油機(jī)上的電控系統(tǒng)，通過加裝相關(guān)傳感器，精確控制柴油引燃量和天然氣的供給量，來提高原發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放性。具體來說，一方面分析了電控天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給策略，對(duì)天然氣供給系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)；另一方面重點(diǎn)設(shè)計(jì)了天然氣供給系統(tǒng)的一些主要專用裝置，如：氣瓶、瓶口閥、手動(dòng)關(guān)閉閥、充氣閥、燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器、加溫器等，對(duì)其它所需部件按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了選用；同時(shí)還根據(jù)公交車車架，對(duì)天然氣供給系統(tǒng)布置與安裝進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。
三、設(shè)計(jì)方案
由電控柴油機(jī)改裝的柴油/天然氣電控發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖如下：
天然氣由氣瓶通過高壓管流入壓力調(diào)節(jié)器。其間設(shè)置有充氣閥、手動(dòng)關(guān)閉閥、壓力表等。然后，天然氣通過電磁閥進(jìn)入氣體流量閥，由燃?xì)鈬娚淦鲊娙脒M(jìn)氣道。在進(jìn)氣道內(nèi)天然氣與空氣混合后流入進(jìn)氣歧管，最后到達(dá)各氣缸內(nèi)。在汽車的一些部位安有傳感器，通過數(shù)據(jù)采集由中央控制器控制柴油和天然氣的供給量。
1 氣瓶
氣瓶儲(chǔ)存壓力為20Mpa的壓縮天然氣，在其后先后接有氣瓶閥、充氣閥、手動(dòng)關(guān)閉閥及壓力表等。氣瓶閥在必要時(shí)封住瓶內(nèi)氣體及防止瓶內(nèi)壓力過高損壞氣瓶；充氣閥是在儲(chǔ)氣瓶內(nèi)壓力不足時(shí)向儲(chǔ)氣瓶內(nèi)充入天然氣；手動(dòng)關(guān)閉閥是當(dāng)CNG汽車因加氣、修理、入庫停車時(shí)，用來截止氣瓶到燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器之間的氣路聯(lián)接。壓力表用于表針加氣時(shí)天然氣是否加足。
2 壓力調(diào)節(jié)器
燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器可以將天然氣的壓力從20MPa降到0.5 Mpa左右，而且在壓力調(diào)節(jié)器上裝有壓力傳感器且與駕駛室內(nèi)控制面板相連，這樣在駕駛室內(nèi)即可通過壓力值了解氣瓶內(nèi)天然氣的儲(chǔ)量。在壓力調(diào)節(jié)器前分別安裝有加溫器和過濾器。其中加溫器是為了給天然氣加熱，以避免因天然氣壓力降低吸收熱量而使壓力調(diào)節(jié)器凍結(jié)。過濾器是為了濾除氣體中的雜質(zhì)，以避免減壓器閥口被堵塞。燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器后連接電磁閥，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障或發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)，電磁閥自動(dòng)切斷天然氣的供給。
3 氣體流量閥
氣體流量閥可精確控制雙燃料工作狀態(tài)下的燃?xì)饬髁?。其?nèi)有一小容積室，與燃?xì)鈬娚淦?、天然氣壓力傳感器和溫度傳感器相連，2個(gè)傳感器分別測(cè)出容積室中天然氣的壓力和溫度。中央控制器(ECU)將實(shí)測(cè)天然氣壓力與存儲(chǔ)在ECU內(nèi)的目標(biāo)壓力值相比較，根據(jù)二者的差值調(diào)整容積室的容積，保證確的天然氣噴射量。天然氣以1O～80 Mpa的噴射壓力噴入時(shí)進(jìn)氣道內(nèi)，與空氣充分混合后進(jìn)入氣缸。燃?xì)鈬娚淦鞯膰娍着c空氣的流向相反，使天然氣與空氣充分混合。
4 中央控制器
ECU是YC6108雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的控制核心，它接受8個(gè)傳感器的信息，通過計(jì)算分析處理后，向柴油油量控制器及氣體流量閥等主要執(zhí)行器發(fā)出指令，控制雙燃料狀態(tài)下的柴油量以及燃?xì)獾牧髁?，進(jìn)而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。ECU具有故障自診斷功能。當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)問時(shí)，ECU 自動(dòng)記錄錯(cuò)誤信息，并將錯(cuò)誤代碼在控制面板上顯示出來。它可自動(dòng)記錄天然氣流量、柴油流量天然氣溫度和壓力、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓力等3O余個(gè)參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，并進(jìn)行分析。
5 油門位置傳感器
油門位置信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)是決定燃料MAP和節(jié)氣門開度MAP的主要參數(shù)。油門位置傳感器固定在噴油泵的油門操縱桿上，并通過油門拉線與油門踏板連接，由駕駛員直接控制。ECU根據(jù)它的信號(hào)確定天然氣、空氣和柴油的供給量。
6 柴油油量控制器
柴油油量控制器安裝在噴油泵的后端。發(fā)動(dòng)機(jī)在雙燃料工作狀態(tài)時(shí)，ECU 按照其內(nèi)設(shè)定的燃料MAP，通過控制步進(jìn)電機(jī)的行程從而控制噴油泵齒條的位移量來控制在雙燃料工作狀態(tài)的柴油油量。在純柴油工作狀態(tài)時(shí)，柴油油量控制器不起作用，由噴油泵調(diào)速器直接控制發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油噴射量。
7 冷卻水溫度傳感器
冷卻水溫度傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的出水管上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度在65 c以上和轉(zhuǎn)速超過900 r／min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到雙燃料的工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器安裝在齒輪室罩蓋一飛輪殼上測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其信號(hào)是決定燃料MAP和節(jié)氣門開度MAP的主要參數(shù)。
8 控制面板
控制面板固定在駕駛室內(nèi)的儀表板上?？刂泼姘迳嫌锌刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換開關(guān)，還可以顯示雙燃料工作狀態(tài)下的天然氣替代率及氣瓶內(nèi)的天然氣儲(chǔ)量。當(dāng)雙燃料工作狀態(tài)下出現(xiàn)故障時(shí)，控制面上的故障顯示燈就會(huì)提醒駕駛員，同時(shí)可以通過外接設(shè)備端口把故障的原因打印出來。
四、設(shè)計(jì)提綱
摘要
1 前言
2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
3 各部件設(shè)計(jì)
2.1 氣瓶
2.2 手動(dòng)關(guān)閉閥
2.3 瓶口閥
2.4 充氣閥
2.5 燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器
2.6 加溫器
4 系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)
5 設(shè)計(jì)小結(jié)
參考文獻(xiàn)
五、進(jìn)度安排
4月15日至4月20日：綜合、歸納、分析所收集資料的有關(guān)內(nèi)容。
4月21日至4月30日：完成開題報(bào)告，翻譯英語文章。
5月 1 日至5月10日：完成氣瓶、瓶口閥、手動(dòng)關(guān)閉閥及充氣閥的設(shè)計(jì)。
5月11日至5月31日：完成燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)器及加溫器的設(shè)計(jì)與計(jì)算。
6月 1 日至6月10日：完成進(jìn)天然氣汽車供氣系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)。
6月11日至6月15日：設(shè)計(jì)編輯整理，準(zhǔn)備答辯。
6月15日至6月20日：答辯。
六、主要參考文獻(xiàn)
1 黃海波主編 . 燃?xì)馄嚱Y(jié)構(gòu)原理與維修 . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002
2 孫濟(jì)美主編 . 天然氣和液化石油氣汽車 . 北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.12
3 高獻(xiàn)坤，徐國強(qiáng)等 . CNG/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供氣技術(shù)發(fā)展與趨勢(shì) . 柴油機(jī)，2005.2
4 羅齊江，潘志翔 . 天然氣/柴油雙燃料公交車改裝技術(shù)研究 . 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車2001.1
5楊源泉主編 . 閥門設(shè)計(jì)手冊(cè) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.12
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