天然氣汽車供氣系統減壓裝置設計

                    天然氣汽車供氣系統減壓裝置設計  

                       上海申弘閥門有限公司

摘要   天然氣汽車減壓裝置是天然氣的汽車的一個重要部件，它的質量好壞與車的性能有很大的關系，它在天然氣汽車中主要起減壓和穩壓的作用。因此，通過利用減壓裝置，可以把2-20MPa的壓縮天然氣壓力降到1-2.5kPa進入混合器，以便與空氣混合進入汽缸，由于高壓氣瓶中的CNG氣體壓力隨著燃料充裝和使用不斷變化，要保持較穩定的空燃比控制，還要求無論瓶內壓力如何變化，減壓調節器也應保證進入混合器的燃氣壓力基本恒定，以此實現比較穩定的燃氣與空氣混合比控制。從而實現減壓和穩壓的作用。   本次畢業設計在原有減壓產品的基礎上，對其結構布局及形狀進行了修改，并對輸入發動機過程中的天然氣壓力的變化值進行了的設計，主要是對一級減壓閥的縫隙減壓和二級減壓閥的縫隙減壓，以及三級減壓閥利用真空度進行減壓進行計算，使其能夠滿足減壓至預期的要求。而且對各主要受載荷的零部件進行了強度校核，使選擇的材料滿足強度要求。預計本次設計出來的減壓裝置具有結構簡單，外行美觀，精度高的特點，可提高同類產品的質量，可以滿足廣大用戶的需求。     關鍵詞   天然氣汽車；減壓裝置；減壓閥  

 
 第1章 緒  論 
1.1  天然氣汽車減壓裝置的用途和功能 
以天然氣作為燃料的汽車叫做天然氣汽車。為了提高天然氣汽車一次沖氣行使的里程，車用天然氣一般是壓縮在20MPa存儲在高壓汽缸里，但發動機工作時，卻要求燃氣壓力降到1-2.5kPa進入混合器，以便與空氣混合進入汽缸，而且由于高壓氣瓶中的CNG氣體壓力隨著燃料充裝和使用不斷變化，要保持較穩定的空燃比控制，還要求無論瓶內壓力如何變化，減壓調節器也應保證進入混合器的燃氣壓力基本恒定，以此實現比較穩定的燃氣與空氣混合比控制。因此在燃氣供給系統中必須要有減壓調節器。天然氣汽車的核心和關鍵部件就是減壓調節器，在CNG汽車上，減壓調節器的作用主要是起減壓和穩壓的作用，它的性能好壞，將會直接影響到天然氣汽車的性能。 
1.2  天然氣汽車減壓裝置在我國的發展概況 
天然氣汽車減壓裝置是隨著天然氣汽車的產生而產生的，同時，也隨著天然氣汽車的發展而發展。早在1958年，四川就曾研制過天然氣汽車，但是由于當時科技的發展，有一些技術問題不能解決，以及當時油價較低，而未能得到發展。1986年，四川石油管理局南充機械廠組織人員再次著手該技術的研究工作。1988年，中國石油天然氣總公司從新西蘭引進壓縮天然氣充氣站裝置（其中就包括了減壓裝置），在南充建立起了全國*座壓縮天然氣充氣站。南充機械廠用進口配件改裝了*批50輛壓縮天然氣汽車，并結合自己的經驗，根據國情，借鑒國外的技術，實現了天然氣汽車減壓裝置及其他車用燃氣裝置的全部國產化。該裝置在1991年通過技術鑒定，1993年通過部級驗收，樣車經測試，性能達到國外同類產品水平。 
目前，國內特別是四川、重慶等天然氣供氣減壓系統生產企業已形成國產上萬套的天然氣汽車減壓裝置的產業規模，它們生產的產品成為國內各大汽車廠燃氣汽車改裝車用減壓器的產品。近些年又有四川彭州興威、重慶恩潔威、四川宜賓海家、成飛公司等CNG技術開發公司的減壓調節器產品不斷推出。  

減壓器工作原理
未進氣狀態：
一級膜片在一級彈簧預應力的作用下，使一級杠桿組中的杠桿與進氣閥芯的鋼球保特一定的間隙，閥口處于常開狀態。
二級膜片在二級彈簧的作用下，將二級杠桿一端下移，使二級閥口處于常開狀況。
三級杠桿在彈簧張力作用下，使三級杠桿與閥座處于常閉。
進氣及工作狀態：
當20Mpa天然氣通過進氣閥芯組進入一級減壓腔使一級膜片逐步上移，當一級減壓腔氣壓達到一定值，膜片的推力*克服一級彈簧的預緊力時，作用于杠桿的合力矩使閥芯關閉閥口。燃氣流量隨發動機負荷變化而變化，在彈簧與膜片相互作用下，閥口隨時變化開度，保證輸出壓力穩定在0.4～0.6Mpa，完成一級減壓。
經過一級減壓的氣體進入二級減壓腔，隨發動機負荷的變化，二級膜片通過二級傳動桿帶動二級杠桿的閥片（閥門）調節二級閥口的開度。隨著三級減壓腔流量的變化不斷改變二級閥口的開度，保特輸出壓力在0.08Mpa左右。
在只進氣狀態下，二級減壓腔的氣體克服三級調節彈簧的張力，打開三級閥座進入三級減壓腔，使三級減壓腔的壓力穩定在0.3～0.5KPa。當發動機起動時，首先有0.5Kpa的低壓天然氣進入發動機，便于起動。發動機運轉產生真空吸力將三級膜片吸向下方，三級膜片組推動三級杠桿，打開三級閥座，二級減壓腔的氣體進入三級減壓腔，混合氣由低壓出氣口經低壓管動力閥進入發動機。三級閥口的開度隨發機負荷吸氣負壓的變化而變化，以滿足發動機的各種工況所需要的燃氣流量。
減壓器各級背壓腔：
一級背壓腔大氣通孔在一級減壓器上蓋上；二級背壓腔大氣通道在二級內蓋上；三級背壓腔大氣通孔在三級底蓋側面上。要保證減壓器工作正常須保持背壓腔大氣通孔暢通。

1.3  天然氣汽車減壓裝置設計的目的和意義 
從20世紀70年代開始，上燃氣汽車技術逐漸進入較快的發展時期。在當今社會，天然氣與柴油的熱值相當，但價格僅為柴油的三分之二左右，而且天然氣汽車對大氣的污染小，可以大大改善環境污染和能源緊缺的問題，因此，天然氣汽車以其排放清潔、技術成熟、資源豐富等特點在世界范圍內已得到廣泛應用。 
雖然天然氣汽車在在近幾年來，在我國發展的很快，但是那只是相對的。預計到2010年的時候，我國民用機動車保有量將增加到4900萬輛，而天然氣汽車卻只達到100萬輛。如果以1000立方米天然氣相對于1噸石油來計算，世界上天然氣的儲量和石油的儲量是在同一數量級的。天然氣汽車以其減輕環境污染、緩解石油資源的優點得到了快速發展，但是我國的天然氣汽車在2010年只能達到100萬輛，而與世界水平相比還有非常大的差別。這主要是由于天然氣汽車在發展過程中會遇到很多困難。據統計，建設一座天然氣汽車加氣站一次性投資大約需要200-300萬元，保證一座中等加氣站有一定的效益，至少需要有100輛天然氣汽車，而改裝一部汽車需要投資約100萬元。如此昂貴的投資，會讓那些車主對汽車的改裝望而卻步。因此，我們必須對壓縮天然氣裝置（包括減壓裝置）的制造和改裝成本進行一次大的調整，對其性能進行改進，另一方面，在我國市場上銷售的天然氣減壓裝置一半是國產的，一半是進口的。國產減壓調節器在國內的競爭力是有限的，在上更是有限。把國產產品打到市場上去就需要對現有產品的性能、外觀、體積、質量、成本等關鍵問題進行改進和調整。  
天然氣的減壓裝置是天然氣發動機供氣系統中的關鍵部件，它需要根據發動機的不同工況改變供給混合器的低壓天然氣量從而使混合器配制不同空燃比的混合氣，以滿足發動機的不同工況的要求。由于發動機所需要的天然氣的壓力很低（通常控制在0-0.178MPa），要將20MPa的天然氣壓力降到如此低的氣壓是很難的，同時需要將氣壓穩定在所要求的范圍內，從而達到由減壓器出口流出的低壓氣量，僅由混合器喉管真空度所決定，保證調節可靠使發動機工況穩定，節約燃氣，改善排放的目的。  
1.4  設計參數規范 
減壓閥進口額定壓力為20MPa，進氣接頭強度試驗壓力為27.5MPa，當進氣壓力為2-20MPa時，進行一級減壓后，壓力變化為0.5MPa，變化許可值為0.05MPa，進行二級減壓后，壓力變化為，0.2-0.3MPa，其變化許可值為0.02MPa，之后進行三級減壓，而其閥口的開啟程度由發動機工作時的真空度的大小自動調節，但是可以調節初始開度。突然輸出放氣時，大流量可達403m/h，當氣瓶壓力小于2MPa時，仍能對發動機正常供氣。 

1.4.1 符合標準 
減壓調節器各部分應符合標準QC/T245-1998的有關規定。  
1.4.2 設計思路 
根據國內外文獻資料，了解有關天然氣汽車供氣系統減壓裝置的基本情況。 
設計一種符合上述規范的減壓裝置，其中包括方案設計及工作原理的分析，總體結構設計以及重要零件的強度校核。  
1.4.3  設計方案 
根據已有國家標準和要求，一級減壓閥的輸入壓力為2-20MPa，而要求供給發動機的壓力為負壓，壓力降低非常大，一級或者二級減壓都不能一下就減壓到規定的要求，而且減壓器主要是起減壓和穩壓的作用，在減壓過程中要吸收大量的熱量，如果只采用一級或者二級減壓裝置，會因溫度降低太多而無法達到要求，因此只能采用三級減壓，才可以將輸入壓力降低到規定的要求。由于在減壓過程中要吸收大量的熱量，減壓器上一般都設有將發動機循環水引人減壓器的水套，利用發動機循環冷卻水的熱量加熱減壓器。

第2章 設計方案的研究與選擇 
2.1 減壓調節器的分類 
減壓閥按其結構主要分為彈簧活塞式減壓閥、彈簧膜片式減壓閥、氣腔控制活塞式減壓閥和氣腔控制膜片式減壓閥；按多級減壓室的組裝方式可分為正壓進氣減壓閥和負壓進氣減壓閥；按減壓方式可分為杠桿式減壓閥和正負式彈簧減壓閥；按是否用電動控制可分為機電控制式減壓閥和機械控制式減壓閥。 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。應用在糧油加工系統中。用于涂料行業的生產管線生產，及加工。
2.2 方案選擇 
根據以上分析，采用三級減壓，本方案擬采用三級減壓，高壓截止，負壓進氣，一、二、三級減壓方式都是采用杠桿減壓，機動起動，組合式。  
本方案的工作原理方框圖如下：  
此方案的優點是容易控制，精度高，起動容易，安全。其缺點是鑄造難度大，體積大，零部件多，費用較高。 選擇該方案可使減壓閥操作簡單方便，而且，這種方案更加安全。但是在設計中，應該盡量降低鑄造的難度，減少零部件的數量。

3.1.3  一級減壓閥杠桿、彈簧與閥口的設計 
在設計閥口時，閥口不能取得太大，但也不能太小。閥口太大，流量難以控制，閥口太小，氣體壓強受到影響，因此，在參考了現有減壓閥的設計之后，一級閥口的內徑初選4.0mm，外徑初選6.0mm，杠桿的長度初選36mm，高度初選9.5mm。閥芯的大行程初選0.5±0.1mm，膜片到一級閥蓋下壁的距離初選25mm，上壓板直徑初選40mm，厚度初選3mm，則彈簧初始壓縮后的長度初選為22mm。  
因為該閥的大流量可達403m/h，當氣體初始壓強為2-20MPa時，閥口的實際開度并不等于0.5±0.1mm，只有當氣體壓強小于1MPa時，閥口開度才能達到0.5±0.1mm，此時，一級閥室的壓強不能保持在原定范圍，但其流量可達403m/h。 
天然氣縫隙減壓的壓降與流量q的關系與其粘度有關，天然氣粘度在不同壓強狀態下的值是不同的，下面對天然氣在高壓狀況下的粘度進行計算（因為天然氣的主要成份是甲烷，甲烷的含量可高達98％，故在計算過程中，將天然氣的物理性質以甲烷為準）。 根據《類物理化學數據手冊》[8]22頁，關于高壓下氣體粘度的計算， ? 

再由7-8頁表7.1-8彈簧的許用應力（摘自GB/T1239.6-1992）可知，由淬火回火鋼絲制成的壓縮彈簧（指受變載荷作用次數在以上的彈簧）的許用切應力p?為（0.35—0.40）b?，為了安全，取小值
3.2  二級減壓閥的設計 
3.2.1 二級減壓閥的工作原理 
二級減壓閥的工作原理與一級減壓閥的工作原理基本一致，也屬于常開式減壓閥，利用縫隙進行減壓，但也有一定的不同的地方，二級減壓閥的壓力彈簧是鈕簧，可調節，而杠桿是不可調節的，閥芯可實現微調。  
3.2.2 二級減壓閥閥室及蓋板、杠桿、上檔板的設計 
二級閥室設計在殼體的背面，二級閥口內徑d =5mm，閥口外徑D=8mm。二級閥室除了與一級閥室聯通外，還與怠速閥閥室和三級閥閥室聯通，二級閥室上面有閥蓋，三級閥口設計在二級閥蓋上。二級閥與一級閥一樣，利用縫隙減壓原理對其進行減壓，二級閥膜片的實際受力并移動的面積與蓋上φ49的孔面積相等。二級閥膜片上擋板直徑2D初選31mm，杠桿在左端部分的轉臂初選為26.5mm，右端部分的轉臂長度初選為16.5mm，即21a=26.5mm，

3.3 三級減壓閥的設計 
3.3.1 三級減壓閥的工作原理及蓋板、杠桿等的設計 
在本次設計中，三級減壓閥是常閉式的閥，主要是利用閥室的真空度進行調壓。當閥室內的真空度為0或是不夠大時，在壓力彈簧的作用下，閥口處于關閉狀態。當閥室處于負壓或真空度大于一定的值時，膜片兩邊的壓力差使膜片向閥室里運動，帶動杠桿克服彈簧壓力，使閥口打開供氣。三級壓力彈簧的壓力可以根據具體的情況進行調節。天然氣的流量*由發動機的真空度進行調節。 
三級閥蓋的底邊外徑與減壓閥殼體底邊的外徑相同，初選192mm，閥蓋的底邊寬度初選為11mm，可安裝M6的螺栓和螺母。蓋板的8個螺孔均布，在閥蓋上還有4個進氣孔，從而使膜片與大氣相通。  

杠桿的長度初選為85mm，頭部與三級調節彈簧相連，在安裝閥芯的部位有一塊墊板，在墊板上絞螺紋孔使閥芯更加牢固。下面是三級減壓杠桿剖面簡圖。  

 
圖3.3 三級減壓閥杠桿 
三級閥口的內徑初選為8mm，外徑初選為11mm，三級閥的真空度一般為0.3~1KPa。  
三級閥的上擋板的直徑初選3D為45mm，厚度初選1.5mm，中間開φ5.5的孔。 
3.3.2 三級減壓閥調節彈簧的設計 
三級閥膜片芯子受膜片向上的作用力為：

3.3.3 三級減壓閥膜片的設計與校核 
三級減壓閥減壓的原理主要是根據真空度的原理進行減壓，三級閥與大氣相通，利用膜片內外的壓差進行氣體的控制。現對三級閥的膜片進行設計。  
三級閥的膜片直徑與外殼的外徑基本相同，初選196mm，內徑初選180mm，周圍開8個φ6螺紋孔，使連接三級閥蓋與閥體的螺紋從中穿過。厚度初選3mm。 現將膜片示意圖表示如圖3.4：

3.4 怠速閥的設計 
3.4.1 怠速閥的工作原理 
怠速閥是在發動機起動時從二級閥向發動機直接輸氣的閥。在發動機剛起動時，由于發動機沒真空度，供給發動機起動的氣體只能從二級閥室直接輸出。在怠速閥中有一個與閥體旋緊且密封的室，它與二級閥室相連通。當電磁鐵通電時，閥芯向上移動，氣體由二級閥經斜孔流入密封室，再經垂直小孔流入閥體內腔，并終流入發動機。

對于彈簧的設計，先選擇彈簧的材料為碳素彈簧鋼絲制成的。把彈簧壓縮后的大長度設計初選為18mm，彈簧的自由長度初選為24mm，則彈簧的1?=6mm，1P=3.2N，中徑2D=15mm，d=1.1mm，右旋，總圈數為6，有效圈數4。 
3.5 其他重要零部件的設計 
3.5.1 高壓電磁閥閥芯、彈簧的設計 
高壓電磁閥先導閥是用59-1鉛黃銅制作而成的，它放置在φ8的閥體內腔里，其形狀如下圖3.7所示： 

總結 
   天然氣汽車供氣系統減壓裝置設計，通過這次畢業設計，我學到了許多關于天然氣汽車供氣系統減壓裝置的知識。減壓閥作為天然氣汽車燃料供給系統中關鍵的部件，其特性直接影響到發動機的性能，減壓閥*調整特性的研究成功，將大大改善天然氣汽車的動力性和經濟性。另外，機械式減壓閥難以控制各工況下的空燃比，開發出能對各工況下的空燃比進行優化控制，滿足經濟性、動力性、排放要求及可靠性。維護性好的車用電子燃料供給系統將具有重要的意義。本設計的減壓裝置，是在原有產品的基礎上，對其結構布局及形狀進行了修改，并對輸入發動機過程中的天然氣壓力的變化值進行了的設計，本次設計出來的減壓裝置具有結構簡單，外形美觀，精度高的特點。 
通過這次畢業設計我得出一個結論：知識必須通過應用才能實現其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發現是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。

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