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  • 1 # 小姜妹兒

    壓縮天然氣、汽油兩用燃料汽車(簡稱CNG汽車),是採用定型的汽油汽車改裝,在保留原車供油系統的基礎上,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,油氣兩種燃料轉換非常方便。"車用壓縮天然氣裝置"由以下三個系統組成。

    1.天然氣儲氣系統: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、壓力感測器及氣量顯示器等組成。

    2.天然氣供給系統:主要由天然氣濾清器、減壓調節器、動力調節閥、混合器等組成。

    3.油氣燃料轉換系統:主要由油氣燃料轉換開頭、天然氣電磁閥、汽油電磁閥等組成。

    一、車用壓縮天然氣裝置工作原理

    目前,中國在用的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"屬於後者,為國內外使用最多,並較為先進的一種裝置。現重點介紹該裝置的結構原理,同時也介紹相關的其它型別裝置。

    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,透過充氣閥充入貯氣瓶至20MP。當使用天然氣作燃料時,手動截止閥開啟,安裝在駕駛室內的油氣燃料轉換電開關,汽油電磁閥關閉,貯氣瓶內的20MPa高壓天然氣透過高壓管路進入減壓調節器減壓。該減壓調節器裝置為三級組合式結構,可將不高於20MPa的壓縮天然氣逐級減壓至負壓,再透過低壓管路、動力閥進入混合器,並與經空氣濾清器進入的空氣混合,經化油器通道進入發動機氣缸燃燒。混合器是一個根據文丘裡管原理設計的部件,可將發動機進氣道的真空度傳遞到減壓調節器內,直接調節天然氣的供給量。減壓調節器與混凝合器相匹配,根據發動機的各種不同工況產生不同的真空度,自動調節減壓調節器的供氣量,並使天然氣與空氣均勻混合,滿足發動機不同工況的使用要求。動力閥是一個調節天然氣管道截面積的裝置,可調節混合氣的空燃比,使空燃比達到最佳狀態。

    油路中安裝一個汽油電磁閥,其餘部件均保留不變。當使用汽油作燃料時,司機將油氣燃料轉換開頭扳到"油"的位置,此時天然氣電磁閥關閉,汽油電磁閥開啟,汽油透過汽油電磁閥進入化油器、並吸入氣缸燃燒。燃料轉換開關有三個位置,當撥到中位時,油、氣電磁閥均關閉,該功能是專門用來由汽油轉換到天然氣時,燒完化油器油室裡殘存汽油而設定的,以免發生油氣混燒現象。有的CNG汽車用電晶體電動油泵代替汽油電磁閥,其效能基本相同。

    機械控制式系統與本系統相比,其區別在於未安裝電磁閥及油氣燃料轉換開關,燃料轉換時要操作手動截止閥,操作效能和安全效能均較差。

    目前,國外正在研製由微機控制的團環氣路供給系統,其工作原理是,在發動機進排氣管中安裝溫度、排放物成份、壓力、流量等感測器,微機接受各感測器訊號後,及時校正供氣系統的流量、壓力及供氣和點火時間,從而達到最佳的動力性、經濟性及最低的排放汙染物。但該系統改裝成本高、技術複雜,目前中國尚未推廣。除此之外,由於汽油和天然氣燃點不同,汽油的燃點為427℃,天然氣為650℃,天然氣燃燒時火焰傳播速度比汽油慢,因此天然氣應比汽油點火時間提前,一般為12-17℃。目前我們正在研製一種點火線圈內,由燃料轉換開關控制,能分別自動轉換兩種燃料的點火提前角。以上新技術是今後CNG汽車的發展方向。

    二、主要部件的結構和工作原理

    1.充氣閥

    充氣裝置有插銷式和卡口式兩種,中國標準已統一為孔徑Ф12的插銷式充氣閥,該閥設定手動截止閥與之串聯,充氣後將截止閥關閉。插銷孔內的防塵塞有排氣螺塞,截止閥一旦漏氣,防塵塞可起到密封作用,如要拔出防塵塞,則可先開啟排氣螺塞洩壓。

    2.貯氣瓶

    天然氣貯氣瓶有鋼質瓶、鋁合金輕質瓶和由內膽加碳素纖維或玻璃絲增強纖維纏繞的複合材料瓶。中國目前主要使用鋼質氣瓶,該瓶生產成本較低,安全耐用,但容重比大,重量大。複合材料瓶最大的優點是容重比小、重量輕,但生產成本高,價格貴,該瓶是今後CNG汽車貯氣瓶的發展方向。

    (1)天然氣鋼瓶

    目前,鋼瓶由兩種生產工藝製造,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衝壓而成,尾部一般為凹狀。標準規定,天然氣鋼瓶必須由經省級主管部門和國家勞動部鍋爐壓力容器安全監察局批准的鋼瓶設計單位和製造單位設計和製造,質量符合GB5099標準。材料一般選用30CRMO高強度優質鋼。車用鋼瓶額定工作壓力為20MPa,產品出廠時,每件均進行1.5倍額定工作壓力的水壓試驗,氣密性試驗及內外表面缺陷檢驗,每批產品均進行材料的拉力,衝擊韌性,硬度試驗,金相組織檢查,水壓爆破等試驗,合格後才能出廠。鋼瓶在鑑定時,已進行過充氣狀態下的火燒、撞擊、槍擊、爆炸等特種試驗,因此,天然氣鋼瓶是安全可靠的。

    中國目前生產的鋼瓶主要規格如下:

     

    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)外螺紋連線,60°錐面密封。特別注意的是,天然氣為可燃氣體,因此標準規定連線螺紋為左旋(即反扣)。手動截止閥的作用是在必要時關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複合式兩種。當遇到意外時,高溫將易熔合金熔化,高壓將膜片爆破,氣瓶內的高壓天然氣洩放,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

    高壓管線採用不鏽鋼無縫鋼管或其它車用高壓天然氣專用管線。中國目前採用的是φ6或φ8的1CR18NI9TI不鏽鋼無縫鋼管。

    高壓接頭採用卡套式管件,它由接頭體、卡套和壓緊螺母三部份組成。

    4.減壓調節器

    減壓調節器是CNG汽車核心和關鍵部件,它的效能好壞,直接影響整車的效能。該裝置按結構分為組合式和分體式兩種,NCNG型減壓調節器為三級組合結構,裝置完善,功能齊全。該部件設定有以下機構:(1)一級減壓閥;(2)二級減壓閥;(3)三級調節閥;(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)壓力感測器。20MP a高壓天然氣經一級減壓後壓力為0.35-0.4MPa,二級減壓後壓力為0.15-0.19MPa,三級調節後壓力減為負壓。

    下面將分別介紹各機構的結構和工作原理。

    (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、通杆、膜片、彈簧、減壓室等部份組成。

    該閥在未通入高壓氣體時,在壓力彈簧的作用下,使膜片向下運動,帶動槓桿轉動,使閥芯與閥口保持一定間隙,閥口處於常開狀態。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,從而帶動槓桿轉動,使閥品關閉。當減壓室的氣體向三級閥輸出後,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開啟,如此反覆,使減壓閥在保證流量的基礎上,出口壓力穩定在一個數值內。該閥壓力彈簧設計為不可調節式,如要調節出口壓力和流量,可調節槓桿上的調節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,裝上壓力錶接頭和壓力錶即可。根據車型,壓力可調到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,也屬於常開式減壓閥,其不同點在於壓力彈簧為扭簧,可調節式,根據不同的車型,出口壓力調節到0.15-0.19MPa。另了個不同點是,槓桿為不可調節式,閥芯可微調,其調節目的是調節閥口的吃合線,保持良好的密封效能。測試壓力時,可將二級出口管堵頭拆出,裝上壓力錶接頭和壓力錶即可。

    (3)三級調節閥

    三級調節閥為常閉式閥,當閥室內真空度為零時,在壓力彈簧的作用下,閥口處於關閉狀態。當閥室處於負壓時,由於膜片上方與大氣相通,膜片兩邊出現壓力差,膜片向閥裡運動,帶動槓桿克服彈簧壓力,使閥口開啟供氣。當減壓室負壓減小時,在壓力彈簧作用下,閥口又處於關閉狀態。如此反覆,就使減壓閥出口壓力穩定在一個數值內。該閥的壓力彈簧可透過手柄調節,天然氣的流量完全由發動機真空度調節,因而能滿足發動機各種工況的供氣量。

    (4)高壓電磁閥

    在一級減壓閥之前,設定有高壓電磁閥,以控制供、斷天然氣。由於高壓電磁閥的控制最高壓力為20MPa,並要保證最大流量40m3/h,如直接關閉,則需要很大的電功率,所以該閥設計為先導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、連線銷、先導閥及閥座等幾部份組成,這種閥與常規的電磁閥不同之處在於增加一個先導閥。先導閥套裝在電磁閥芯上,透過銷子連線為一體,先導閥套裝在電磁閥芯上,透過銷子連線為一體,先導閥銷孔比銷子直徑大,因而兩者間存在相對運動,先導閥中心有一個小孔,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,將先導閥的小孔密封,繼而推動先導閥將O型密封圈坐落在閥座上,通道全部關閉。當電磁閥通電時,由於電磁鐵的磁力較小,不能直接把主通道開啟,只能先開啟先導閥的小孔,這時高壓腔的高壓氣透過小孔流到低壓腔,使高低壓腔差減小,然後電磁鐵芯透過連線銷,將先導閥一起提起,開啟主通道。該閥效能的好壞,直接影響整個裝置的執行,而電磁鐵和先導閥又直接影響該閥的效能,因此應特別注意該閥的裝配質量。

    (5)怠速電磁閥

    由於三級閥是常閉式,在發動機不運轉時,三級閥關閉,發動機起動和怠速運轉時,真空度較小,無法開啟三級閥,因而設定了一套供發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、調節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閉。當電磁線圈通電時,閥芯產生磁力,克服回位彈簧彈力,使閥座孔開啟通氣。起動、怠速的供氣量,可由調節手柄改變閥芯的運動行程而調節,其方法為先將調整螺栓旋到底,然後倒退1-1.5圈即可。

    (6)動力閥

    動力閥又稱動力調節閥,安裝在減壓調節器總成的低壓通氣管上,結構如圖六所示。調節螺釘的深淺可調節通氣道的橫截面積。由於空氣通道的截面積不變,改變天然氣通道截面積,則可調節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。具體調節方法是:調整螺釘深淺,在發動機廢氣測試儀上,測出最大扭矩時,排氣中CO含量為1-1.5%即可。

    (7)安全閥

    為了保證減壓調節的安全,在一級減壓閥的減壓室安裝有彈簧式安全閥。按標準規定當壓力大於額定輸出壓力1.3倍,即0.52MPa時,安全閥將自動排氣洩壓。

    (8)加溫裝置

    由於一級減壓閥減壓比高達50:1,流量最大達到40m3/h,因此氣體膨脹吸熱嚴重,如果不設定加溫裝置,減壓閥將大量結霜,直至結冰,降低機械效能,減少部件的使用壽命,同時也可能產生管道冰堵。減壓閥上的加溫裝置為一水道,發動機冷卻系統的迴圈水,透過軟管引入減壓調節器進行加溫,結構簡單,效能可靠。安裝時注意,應使迴圈水進出口的壓力差儘量大。

    5.混合器

    為與減壓調節器相匹配,混合器設計為文丘裡管結構。根據發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佈一圈小孔,殼體上有天然氣進氣道,其結構如圖七。

    這種混合器一方面要使喉管處產生真空度來調節減壓調節器的天然氣流量,另一方面又要將天然氣與空氣均勻混合。該混合器結構雖然簡單,但其設計引數直接影響發動機的效能,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,發動機功率下降。通氣小孔總截面積應與天然氣進氣道截面積相匹配。按標準規定,混合器安裝後,各連線處不得有竄漏現象,使用汽油燃料時,安裝混合器後影響過大,就得重新改變混合器引數。值得注意的是,安裝混合器芯子時,圓弧端應朝向空氣濾清器,圓錐端應朝向化油器,不可裝反。

    6.汽油電磁閥和電晶體電動燃油泵

    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,由燃料轉換開關控制,當使用天然氣時電磁閥將油路切斷,使用汽油時將油路開啟。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,旋轉手動開關能使汽油電磁閥處於常開狀態,不受燃料轉換開關控制,主要在長期使用汽油時使用。

    電晶體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,它由燃料轉換開關控制,不僅可以控制油路的通斷,還可以代替機械汽油泵。

    7.燃料轉換開關

    燃料轉換開關控制汽油和天然氣的通斷。它有三個位置,一個是"油"位,接通汽油電磁閥或電晶體電動燃油泵電路,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。燃料轉換開關上有五根導線,紅色線接12V電源,黑色線搭鐵,綠色線接汽油電磁閥或電晶體電動燃油泵,蘭色線接減壓調節器上的高壓電磁閥和怠速電磁閥,棕色線是一個控制訊號線。棕色線纏繞在點火線圈高壓線上,當燃料開關處於"氣"位,發動機運轉,棕色線能接收脈衝訊號,保證蘭色線長期通電,開啟氣路;如果發動機不運轉,高壓線上就沒有脈衝訊號,蘭色線僅通電三秒左右就自動斷電,這樣就使發動機熄火後,自動關閉天然氣高壓系統,既安全又節約燃料。燃料轉換開頭上還有一個點動按鈕,用於氣轉油過渡時臨時供氣使用。

    8.氣量顯示器

    氣量顯示器用來定性指示氣瓶剩餘氣量的多少,有4只綠燈和1只紅燈,全部綠燈亮表示已充滿氣、熄一個綠燈表示已用約1/4氣量,若只有紅燈亮,表示氣快用完,應加氣了。氣量顯示器上有四根導線,紅色線接12V電源,搭接在燃料轉換開關的蘭色線上,黑色線搭鐵,綠色線、蘭色線接在減壓調節器的感測器上。氣量顯示器的顯示燈可透過調整感測器上的滑移電位器進行調節。

    三、主要技術性能

    由汽油車改裝的CNG汽車,其主要技術性能根據改裝部件的不同略有差別,但大體趨於一致。按有關標準和樣車測試,當使用天然氣作燃料時,車輛主要技術性能如下:

    1.動力效能

    發動機功率 不低於原車的85%

    發動機最大扭矩 不低於原車的90%

    汽車最高車速 不低於原車的90%

    2.經濟效能

    1立方米天然氣可代替汽油1升以上

    2.汽車怠速汙染物排放

    燃料種類 CO含量(%) HC含量(ppm)

    汽油 符合GB/T20735-2006

    天然氣 ≤1.5 ≤800

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