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一、立題依據(jù)
隨著社會發(fā)展，汽車保有量的不斷增多，由汽車導致的環(huán)境污染和能源危機的問題日益嚴重。為汽車尋找清潔而且豐富的替代燃料，從而提高發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性，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，天然氣的儲量顯得比較豐富。同時它具有使用、儲存方便，熱效率高，燃燒清潔等優(yōu)點，對天然氣的開發(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。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；同時把傳統(tǒng)汽車改裝成天然氣汽車只需要在原發(fā)動機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，即使泄漏也不會對土地或水形成威脅。在我國天然氣儲量相當豐富。據(jù)統(tǒng)計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)動機前景廣闊。
天然氣發(fā)動機發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：第一代產(chǎn)品是機械式，第二代屬于簡單閉環(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)動機經(jīng)歷了從最先汽油機改裝到柴油機改裝，最后到專門根據(jù)天然氣特性設計發(fā)動機階段。同時燃料也經(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)動機閉環(huán)電控技術(shù)、天然氣零部件開發(fā)可靠性技術(shù)、天然氣催化器應用技術(shù)等。
就目前我國天然氣發(fā)動機發(fā)展上看，大多是在原汽油發(fā)動機的基礎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)動機?？刂菩问蕉酁闄C械式的，天然氣供給方式多為混合器預混合式。我們知道汽油—天然氣雙用發(fā)動機天然氣替代率低，同時機械式控制不精確的自身缺陷，混合器預混合式天然氣-空氣混合不均等原因，實際發(fā)動機排放性改善并不大。
鑒于以上情況和對城市環(huán)境造成很大污染的公交車大多很用柴油機，在柴油機的基礎上開發(fā)一款電控天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機。電控天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機是在原電控柴油機的基礎上，設計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。達到提高天然氣替代率，提高原發(fā)動機的經(jīng)濟性和排放性的目的。
二、設計內(nèi)容
本設計是在原YC6108電控柴油機的基礎上，設計安裝一套天然氣供給系統(tǒng)，并充分利用原柴油機上的電控系統(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)動機的經(jīng)濟性和排放性。具體來說，一方面分析了電控天然氣發(fā)動機燃料供給策略，對天然氣供給系統(tǒng)進行了整體設計；另一方面重點設計了天然氣供給系統(tǒng)的一些主要專用裝置，如：氣瓶、瓶口閥、手動關(guān)閉閥、充氣閥、燃氣壓力調(diào)節(jié)器、加溫器等，對其它所需部件按國家標準進行了選用；同時還根據(jù)公交車車架，對天然氣供給系統(tǒng)布置與安裝進行了分析與設計。
三、設計方案
由電控柴油機改裝的柴油/天然氣電控發(fā)動機原理圖如下：
天然氣由氣瓶通過高壓管流入壓力調(diào)節(jié)器。其間設置有充氣閥、手動關(guān)閉閥、壓力表等。然后，天然氣通過電磁閥進入氣體流量閥，由燃氣噴射器噴入進氣道。在進氣道內(nèi)天然氣與空氣混合后流入進氣歧管，最后到達各氣缸內(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、手動關(guān)閉閥及壓力表等。氣瓶閥在必要時封住瓶內(nèi)氣體及防止瓶內(nèi)壓力過高損壞氣瓶；充氣閥是在儲氣瓶內(nèi)壓力不足時向儲氣瓶內(nèi)充入天然氣；手動關(guān)閉閥是當CNG汽車因加氣、修理、入庫停車時，用來截止氣瓶到燃氣壓力調(diào)節(jié)器之間的氣路聯(lián)接。壓力表用于表針加氣時天然氣是否加足。
2 壓力調(diào)節(jié)器
燃氣壓力調(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。燃氣壓力調(diào)節(jié)器后連接電磁閥，當發(fā)動機出現(xiàn)故障或發(fā)動機熄火時，電磁閥自動切斷天然氣的供給。
3 氣體流量閥
氣體流量閥可精確控制雙燃料工作狀態(tài)下的燃氣流量。其內(nèi)有一小容積室，與燃氣噴射器、天然氣壓力傳感器和溫度傳感器相連，2個傳感器分別測出容積室中天然氣的壓力和溫度。中央控制器(ECU)將實測天然氣壓力與存儲在ECU內(nèi)的目標壓力值相比較，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的噴射壓力噴入時進氣道內(nèi)，與空氣充分混合后進入氣缸。燃氣噴射器的噴孔與空氣的流向相反，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)動機的控制核心，它接受8個傳感器的信息，通過計算分析處理后，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)下的柴油量以及燃氣的流量，進而保證發(fā)動機的性能。ECU具有故障自診斷功能。當控制系統(tǒng)出現(xiàn)問時，ECU 自動記錄錯誤信息，并將錯誤代碼在控制面板上顯示出來。它可自動記錄天然氣流量、柴油流量天然氣溫度和壓力、進氣溫度、進氣壓力等3O余個參數(shù)隨時間變化的曲線，并進行分析。
5 油門位置傳感器
油門位置信號和轉(zhuǎn)速信號是決定燃料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)動機在雙燃料工作狀態(tài)時，ECU 按照其內(nèi)設定的燃料MAP，通過控制步進電機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，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)動機的柴油噴射量。
7 冷卻水溫度傳感器
冷卻水溫度傳感器安裝在發(fā)動機的出水管上，當發(fā)動機冷卻水溫度在65 c以上和轉(zhuǎn)速超過900 r／min時，發(fā)動機自動轉(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量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，其信號是決定燃料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)動機工作狀態(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)的天然氣儲量。當雙燃料工作狀態(tài)下出現(xiàn)故障時，控制面上的故障顯示燈就會提醒駕駛員，同時可以通過外接設備端口把故障的原因打印出來。
四、設計提綱
摘要
1 前言
2 系統(tǒng)整體設計
3 各部件設計
2.1 氣瓶
2.2 手動關(guān)閉閥
2.3 瓶口閥
2.4 充氣閥
2.5 燃氣壓力調(diào)節(jié)器
2.6 加溫器
4 系統(tǒng)布置設計
5 設計小結(jié)
參考文獻
五、進度安排
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、手動關(guān)閉閥及充氣閥的設計。
5月11日至5月31日：完成燃氣壓力調(diào)節(jié)器及加溫器的設計與計算。
6月 1 日至6月10日：完成進天然氣汽車供氣系統(tǒng)布置設計。
6月11日至6月15日：設計編輯整理，準備答辯。
6月15日至6月20日：答辯。
六、主要參考文獻
1 黃海波主編 . 燃氣汽車結(jié)構(gòu)原理與維修 . 北京：機械工業(yè)出版社，2002
2 孫濟美主編 . 天然氣和液化石油氣汽車 . 北京：北京理工大學出版社，2001.12
3 高獻坤，徐國強等 . CNG/柴油雙燃料發(fā)動機供氣技術(shù)發(fā)展與趨勢 . 柴油機，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)燃機與摩托車2001.1
5楊源泉主編 . 閥門設計手冊 . 北京：機械工業(yè)出版社，1992.12
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