天然氣供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
? 天然氣供氣系統(tǒng)的性能、同發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化匹配情況，對天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能有至關(guān)重要的影響。如表4-1所示，在解放CA6102型汽油機(jī)上，采用不同的供氣系統(tǒng)裝置，提高壓縮比，充分證明壓縮比的提高可部分補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定功率損失，而且采用性能優(yōu)良的供氣裝置可使標(biāo)定功率損失大幅度降低。原機(jī)壓縮比為6.75時(shí)，采用1#供氣裝置的標(biāo)定功率損失達(dá)24.2%，壓縮比提高到7.6時(shí)標(biāo)定功率損失降為18.1%。而采用2#供氣裝置，壓縮比為7.6時(shí)，同原機(jī)型相比，標(biāo)定功率損失可降低到10%左右。
試驗(yàn)中采用的天然氣中CH4含量均在95%左右。采用7.6壓縮比和2#供氣裝置時(shí)，同時(shí)采用了改進(jìn)型進(jìn)氣道，加大了進(jìn)氣充量。若作為CNG和汽油兩用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)采用90#汽油。
天然氣供氣系統(tǒng)包括高壓電磁閥、減壓閥和混合器等，其中最關(guān)鍵組件就是減壓閥和混合器，下面分別介紹。
一、減壓閥
??? 天然氣減壓閥是GNG汽車供氣系統(tǒng)中的重要組成部分，目前國內(nèi)使用的進(jìn)口減壓閥有三級也有四級，其玉作原理基本上是一致的。
汽車在運(yùn)行中所需天然氣的量值是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)，對減壓系統(tǒng)的技術(shù)要求非常高，生產(chǎn)工藝的難度也比較大。整套減壓系統(tǒng)進(jìn)口價(jià)格較高。圖4-5是減壓閥的結(jié)構(gòu)原理圖。
??? 從高壓鋼瓶中釋放出的CNG流經(jīng)高壓管，再經(jīng)過接頭1進(jìn)入減壓閥。CNG經(jīng)過過濾器2濾除氣體中的雜質(zhì)，進(jìn)入閥腔4，氣體作用在橡膠膜片5上產(chǎn)生與彈簧6的相互作用力。當(dāng)腔4氣壓達(dá)到一定值時(shí)，作用于杠桿的合力矩迫使，閥門3關(guān)閉，CNG不再進(jìn)入腔4。這一過程，完成了高壓天然氣到低壓天然氣的第一級壓降。腔4中的氣體經(jīng)孔7進(jìn)入腔8，此時(shí)電磁閥14處在斷電的常閉狀態(tài)，氣體經(jīng)標(biāo)定孔9和孔10進(jìn)入腔11，腔8與腔11由膜片12分開，由于膜片12兩面所承受的氣壓相同，在這種情況下彈簧16封閉了通向腔18的通道17，使腔8、腔4、腔11中的氣體保持靜態(tài)，其壓強(qiáng)等于0.25MPa。當(dāng)汽車開始發(fā)動(dòng)時(shí)，電磁閥14通電，封閉孔13打開，腔8中的氣體經(jīng)標(biāo)定孔9流入孔13；閥門15是控制由孔13進(jìn)入腔18的氣流。在彈簧21的作用下調(diào)整旋鈕22可以控制進(jìn)入腔18的氣壓，通常將其控制在0～0.178MPa。
??? 無論何時(shí)只要腔18產(chǎn)生文氏真空，經(jīng)孔13和閥15進(jìn)入腔18的氣體超過了標(biāo)定孔9的供氣能力，腔11就會(huì)產(chǎn)生壓降，腔8因?yàn)橛袕那?的不斷補(bǔ)充仍然保持在0.25MPa。這樣腔8與腔11的壓力差迫使彈簧16打開通道17，大量的氣體流入腔18滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)需要。
??? 減壓閥的大幅度壓降導(dǎo)致溫度的下降，為防止結(jié)冰影響密封件的壽命必須采用加溫裝置。將減壓閥與發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)接通。熱水由接頭A流入，經(jīng)腔B由接頭C流出，在接頭c里安裝有一個(gè)特殊的恒溫器。由于熱水不斷循環(huán)就使減壓閥的工作溫度始終保持在50℃左右。
二、混合器
??? 天然氣的混合器同汽油機(jī)的化油器作用類似，因此由簡入繁，從最簡單的單一功能到發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況要求而愈發(fā)復(fù)雜。
在定量配氣時(shí)，空氣和天然氣處于同一聚集狀態(tài)，其流量規(guī)律是相近似的，可以比氣液更容易混合成所需比例。因此，混合器最簡單流程如圖4-6所示。但是，實(shí)際的減壓閥不能提供這樣的理想條件。減壓閥出口氣壓變化很大，這是由于混合器的流量特征以及氣體總能量的下降所致。氣體總能量下降在其流量小時(shí)對壓力影響很大。也就是說，在壓差較小情況下，氣體的準(zhǔn)確定量是不可能的。由此得出的結(jié)論是：供給怠速系統(tǒng)和主供氣系統(tǒng)的燃料應(yīng)分別送到混合器擴(kuò)散管(圖4-7)。這兩個(gè)系統(tǒng)的供氣比例可按兩種方法確定：直接在減壓閥出口處使用限制量孔或混合器中的燃料氣噴孔。
圖4-7結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是流程簡單并能節(jié)約天然氣。其缺點(diǎn)是在主定量配氣單元之后管路分叉，因此可能在系統(tǒng)之間產(chǎn)生無法控制的氣體串流。這種串流會(huì)歪曲氣體的定量配比，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)在某些運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下混合器的工作穩(wěn)定性。實(shí)際上，在限制量孔之后管路中的真空狀況，決定于通過怠速系統(tǒng)的氣流量和主供氣系統(tǒng)出口處的真空狀況。在最低空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速(即怠速)時(shí)主供氣系統(tǒng)出口處真空度小，因此空氣很容易從混合器空氣道進(jìn)入主供氣系統(tǒng)。在這種情況下，天然氣干道的壓力接近大氣壓。由于減壓閥所調(diào)壓力低于大氣壓，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上是不可能工作的。所以，這種最簡單的流程只有在減壓閥所調(diào)壓力大于大氣壓時(shí)才能工作。但是，在這種情況下，由怠速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)幫助，精確控制供氣量是不可能的，因?yàn)槭Ｓ鄽怏w很容易經(jīng)過主供氣系統(tǒng)進(jìn)入混合器的空氣道?；谶@個(gè)原因，就必須用調(diào)整減壓閥的方法來調(diào)節(jié)最低空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)的供氣量，這就不能保證供氣的高度精確性和穩(wěn)定性。此外，在打開節(jié)氣閥增加負(fù)荷的初期時(shí)，天然氣干道中的真空度將迅速上升，這將導(dǎo)致混合氣變稀和發(fā)動(dòng)機(jī)工作“間歇”。
? ??消除上述缺點(diǎn)的較合理方法是在混合器中采用一種專門的單向閥
(圖4-8)，可以在天然氣干道中壓力低于該系統(tǒng)出口孔處壓力時(shí)，防止空氣通過主供氣系統(tǒng)進(jìn)入怠速系統(tǒng)，同時(shí)也可在空氣道真空度不夠情況下防止天然氣不受控制地進(jìn)入混合器空氣道。但是，這個(gè)流程需要采用足夠密封的高靈敏度的(即具有不大鎖閉力)單向閥。然而，單向閥在打開時(shí)刻前會(huì)阻礙天然氣通過主供氣系統(tǒng)，從而會(huì)使混合氣變稀，并在節(jié)氣閥打開時(shí)刻使發(fā)動(dòng)機(jī)工作“間歇”。為彌補(bǔ)“間歇”必須節(jié)氣引進(jìn)轉(zhuǎn)移孔。
