雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)--天然氣供氣【4張cad圖紙+文檔全套資料】

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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 valveI目錄前言11天然氣汽車21.1天然氣汽車的發(fā)展現(xiàn)狀21.2天然氣汽車存在的問題21.3發(fā)展我國天然氣汽車的對(duì)策32供氣量的理論計(jì)算52.1發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇52.2發(fā)動(dòng)機(jī)所需參數(shù)的計(jì)算62.3天然氣供氣量計(jì)算62.3.1摻燒氣體燃料對(duì)充氣效率的影響62.3.2不同工況下的CNG供給量72.3.3 CNG量的計(jì)算83減壓閥的設(shè)計(jì)93.1減壓閥的原理93.2減壓閥的設(shè)計(jì)103.2.1一級(jí)減壓閥設(shè)計(jì)103.2.2二級(jí)減壓閥的設(shè)計(jì)153.2.3三級(jí)減壓閥的設(shè)計(jì)183.2.4減壓閥換熱量的計(jì)算204安全閥的設(shè)計(jì)224.1安全閥的有關(guān)概念224.2安全閥的設(shè)計(jì)225噴射器的設(shè)計(jì)266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)296.1儲(chǔ)氣瓶數(shù)量的確定296.2供氣系統(tǒng)的其他零件296.3天然氣汽車的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)307經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析327.1現(xiàn)今的雙燃料供氣系統(tǒng)327.2各種供氣技術(shù)比較338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(zhǎng)，平均增長(zhǎng)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(yíng)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(zhǎng)。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5001000萬元人民幣，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）121813911604182020022186239425882784轉(zhuǎn)矩Me（Nm）330.8348.1368.1376.2369.8347.4342.5333.4324.9功率Pe（Kw）42.250.861.871.477.879.68690.594.9耗油率ge（g/kwh）242.4230.5226.5223.9220.6220.7220.9225.9230.1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 engine2.2發(fā)動(dòng)機(jī)所需參數(shù)的計(jì)算241）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 air2.3.2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11.5MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，二級(jí)減壓后壓力在0.5MPa6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 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