【正文】 可提高同類產(chǎn)品的質(zhì)量，可以滿足廣大用戶的需求。 depressor。 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(chǔ)在高壓汽缸里，但發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，卻要求燃?xì)鈮毫档? 進(jìn)入混合器，以便與空氣混合進(jìn)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(wěn)定的空燃比控制，還要求無(wú)論瓶?jī)?nèi)壓力如何變化，減壓調(diào)節(jié)器也應(yīng)保證進(jìn)入混合器的燃?xì)鈮毫竞愣?，以此?shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的燃?xì)馀c空氣混合比控制。天然氣汽車的核心和關(guān)鍵部件就是減壓調(diào)節(jié)器，在CNG 汽車上，減壓調(diào) 節(jié)器的作用主要是起減壓和穩(wěn)壓的作用，它的性能好壞，將會(huì)直接影響到天然氣汽車的性能。 早在 1958 年，四川就曾研制過(guò)天然氣汽車，但是由于當(dāng)時(shí)科技的發(fā)展，有一些技術(shù)問(wèn)題不能解決，以及當(dāng)時(shí)油價(jià)較低，而未能得到發(fā)展。 1988 年，中國(guó)石油天然氣總公司從新西蘭引進(jìn)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(guó)第一座壓縮天然氣充氣站。該裝置在 1991 年通過(guò)技術(shù)鑒定， 1993 年通過(guò)部級(jí)驗(yàn)收，樣車經(jīng)測(cè)試，性能達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品水平。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(shù)開(kāi)發(fā)公司的減壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)品不斷推出。 在當(dāng)今社會(huì)，天然氣與柴油的熱值相當(dāng)，但價(jià)格僅為柴油的三分之二左右，而且天西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 然氣汽車對(duì)大氣的污染小，可以大大改善環(huán)境污染和能源緊缺的問(wèn)題，因此，天然氣汽車以其排放清潔、技術(shù)成熟、資源豐富等特點(diǎn)在世界范圍內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用 。預(yù)計(jì)到 2021 年的時(shí)候，我國(guó)民用機(jī)動(dòng)車保有量將增加到 4900 萬(wàn)輛， 而天然氣汽車卻只達(dá)到 100 萬(wàn)輛。天然氣汽車以其減輕環(huán)境污染、緩解石油資源的優(yōu)點(diǎn)得到了快速發(fā)展，但是我國(guó)的天然氣汽車在 2021 年只能達(dá)到100 萬(wàn)輛，而與世界水平相比還有非常大的差別。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建設(shè)一座天然氣汽車加氣站一次性投資大約需要 200300 萬(wàn)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(wàn)元。因此，我們必須對(duì)壓縮天然氣裝置（包括減壓裝置）的制造和改裝成本進(jìn)行一次大的調(diào)整，對(duì)其性能進(jìn)行改進(jìn)，另一方面，在我國(guó)市場(chǎng)上銷售的天然氣減壓裝置一半是國(guó)產(chǎn)的，一半是進(jìn)口的。把國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品打到國(guó)際市場(chǎng)上去就需要對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的性能、外觀、體積、質(zhì)量、成本等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。由于發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的天然氣的壓力很低（通?？刂圃?），要將 20MPa 的天然氣壓力降到如此低的氣壓是很難的，同時(shí)需要將氣壓穩(wěn)定在所要求的范圍內(nèi)，從而達(dá)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(diào)節(jié)可靠使發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定，節(jié)約燃?xì)猓纳婆欧诺哪康?。突然輸出放氣時(shí)，最大流量可達(dá) 40m3/h， 當(dāng)氣瓶壓力小于2MPa 時(shí)，仍能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)正常供氣。 設(shè)計(jì)思路 根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，了解有關(guān)天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置的基本情況 。 設(shè)計(jì)方案 根據(jù)已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和要求，一級(jí)減壓閥的輸入壓力為 220MPa，而要求供給發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力為負(fù)壓，壓力降低非常大，一級(jí)或者二級(jí)減壓都不能一下就減壓到規(guī)定的要求，而且減壓器主要是起減壓和穩(wěn)壓的作用，在減壓過(guò)程中要吸收大量的熱量，如果只采用一級(jí)或者二級(jí)減壓裝置，會(huì)因溫度降低太多而無(wú)法達(dá)到要求，因此只能采用三級(jí)減壓，才可以將輸入壓力降低到規(guī)定的要求。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 資料調(diào)研 減壓閥的定義 國(guó)標(biāo) GB1224489關(guān)于減壓閥的定義是 :通過(guò)啟閉件的節(jié)流 ,將進(jìn)口壓力降至某一個(gè)需要的出口壓力 ,并能在進(jìn)口壓力及流量變動(dòng)時(shí) ,利用本身介質(zhì)能量保持出口壓力基本不變的閥門。一是減壓 ,即將進(jìn)口壓力降至某一個(gè)需要的出口壓力；二是穩(wěn)壓 ,即能在進(jìn)口壓力及流量變動(dòng)時(shí) ,利用本身介質(zhì)能量保持出口壓力基本不變。而節(jié)流閥雖有減壓功能 ,通過(guò) 啟閉件的節(jié)流來(lái)實(shí)現(xiàn) ,但是它沒(méi)有穩(wěn)壓功能。減壓的原理是節(jié)流 ,氣體流經(jīng)活門與活門座之間的縫隙時(shí) ,壓力減小 ,達(dá)到減壓的目的。這是一個(gè)動(dòng)平衡過(guò)程 ,并不是瞬間完成的。 一級(jí)減壓部分 圖 一級(jí)減壓原理 圖 。在一級(jí)減壓室內(nèi)壁上有許多擋片， CNG氣體在流過(guò)它們時(shí)壓力被進(jìn)一步降低。 一級(jí)閥門的開(kāi)啟與關(guān)閉由一級(jí)膜片的位置決定，而一級(jí)膜片的位置又受到一級(jí)減壓室壓力、二級(jí)減壓室壓力、一級(jí)彈簧預(yù)緊力的共同影響。 二級(jí)減壓部分 圖 二級(jí)減壓原理 圖 。隨著進(jìn)入二級(jí)減壓室中的氣體數(shù)量的增多，當(dāng)二級(jí)室內(nèi)壓力超過(guò)二級(jí)彈簧的預(yù)緊力時(shí)，二級(jí)膜片向上凸起，壓迫二級(jí)彈簧，通過(guò)二級(jí)圓柱又帶動(dòng)二級(jí)杠桿動(dòng)作，使二級(jí)閥門開(kāi)度減小，減少了 CNG氣體的進(jìn)入量。二級(jí)閥 門的開(kāi)啟與關(guān)閉由二級(jí)杠桿來(lái)控制，二級(jí)杠桿的動(dòng)作由二級(jí)膜片位置決定，而二級(jí)膜片的位置由二級(jí)減壓室壓力、二級(jí)彈簧預(yù)緊力、三級(jí)減壓室壓力共同決定。圖 、真空加濃和怠速調(diào)整的原理圖。由于三級(jí)閥門的節(jié)流作用使 CNG氣體的壓力降至負(fù)壓左右。三級(jí)閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉受到三級(jí)杠桿的作用，而三級(jí)杠桿的動(dòng)作又受到真空膜片的位置（由真空膜片彈簧 預(yù)緊力、進(jìn)氣管真空度及三級(jí)減壓室壓力決定） ,三級(jí)膜片的位置（由三級(jí)減壓室的壓力、下蓋室壓力決定）、怠速調(diào)整螺釘及三級(jí)杠桿彈簧預(yù)緊力的共同作用。真空泵室通過(guò)一個(gè)真空管引入發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管真空度。隨著進(jìn)氣管真空度的增大，三級(jí)杠桿會(huì)壓下助射閥閥芯，打開(kāi)助射閥 ，使三級(jí)減壓室同二級(jí)減壓室膜片與阻尼板之間的小室連通，使二級(jí)減壓室膜片與阻尼板間的壓力降低，二級(jí)減壓閥膜片在二級(jí)彈簧預(yù)緊力的作用下向下移動(dòng)，通過(guò)二級(jí)圓柱又帶動(dòng)二級(jí)杠桿使二級(jí)閥門開(kāi)度增加，增加 CNG 氣體的進(jìn)氣量。 怠速調(diào)整部分 圖 三級(jí)減壓、真空加濃和怠速調(diào)整原理 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計(jì) 7 怠速工況的調(diào)整是通過(guò)旋動(dòng)怠速調(diào)節(jié)螺釘實(shí)現(xiàn)的。 啟動(dòng)加濃部分 圖 啟動(dòng)加濃原理 可在啟動(dòng)時(shí)向發(fā)動(dòng)機(jī)額外提供天然氣，以滿足啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)混合氣濃度的要求。 在減壓器主氣道之外設(shè)置一旁通氣道，旁通氣道的接通與截?cái)嘤善饎?dòng)電磁閥控制。 CNG 氣體由一級(jí)減壓室直接進(jìn)入三級(jí)減壓室，增大了天然氣的供給量，起動(dòng)調(diào)整螺釘用于調(diào)整旁通氣道進(jìn)口截面的大小，可根據(jù)需要改變啟動(dòng)時(shí) CNG 氣體的供給量。尤其在冷啟動(dòng)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度很低，氣缸內(nèi)混合氣過(guò)稀，難以保證其著火與燃燒。 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電磁閥接通，起動(dòng)旁通氣道打開(kāi)，來(lái)自一級(jí)減壓室的 CNG氣體經(jīng)起動(dòng)電磁閥的閥門和旁通氣道直接進(jìn)入三級(jí)減壓室，通過(guò)燃料出口供給混合氣，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的順利著火運(yùn)轉(zhuǎn)。 怠速工況 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于節(jié)氣門開(kāi)度很小，轉(zhuǎn)速又低，因此混合器喉管處的真空度很低，難以從減壓器燃料出口吸出天然氣，但怠速工況下節(jié)氣門后面的真空度卻很高，利用一真空管將此真空度引入真空泵室，節(jié)氣門后的真空度越大，真空膜片壓縮真空彈簧并帶動(dòng)三級(jí)閥門開(kāi)啟得越大，進(jìn)入三級(jí)減壓室的 CNG 便增多，這就滿足了怠速工況對(duì)混合氣的要求。 瞬變工況 汽車在運(yùn)行過(guò)程中，由于路況的突變會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的突然改變，從而導(dǎo)致喉管真空度發(fā)生變化，三級(jí)減壓室的壓力就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，此壓力波動(dòng)將會(huì)影響到三級(jí)閥門開(kāi)度的大小，使三級(jí)減壓室 CNG 供給量發(fā)生相應(yīng)的變化，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，為了保證減壓閥在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬變工況下的工作穩(wěn)定性，減 壓閥中各運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量應(yīng)較小。 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計(jì) 9 2 設(shè)計(jì)方案的研究與選擇 減壓調(diào)節(jié)器的分類 減壓閥按其結(jié)構(gòu)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(jí)減壓室的組裝方式可分為正壓進(jìn)氣減壓閥和負(fù)壓進(jìn)氣減壓閥；按減壓方式可分為杠桿式減壓閥和正負(fù)式彈簧減壓閥；按 是否用電動(dòng)控制可分為機(jī)電控制式減壓閥和機(jī)械控制式減壓閥。一級(jí)減壓方式為杠桿減壓，二級(jí)減壓方式為正負(fù)彈簧減壓。其缺點(diǎn)是不太安全，如果一級(jí)閥室損壞，高壓天然氣會(huì)從安全閥中排泄到大氣中，污染環(huán)境，如果不關(guān)閉手動(dòng)截止閥， 左右的天然氣長(zhǎng)期作用在一、二級(jí)閥室，使閥室的彈簧、橡膠 的使用壽命下降，而且正負(fù)壓彈簧減壓精度難以控制，需要較高的技術(shù)，因此可靠性較差。 方案二及其優(yōu)缺點(diǎn) 根據(jù)以上分析，采用三級(jí)減壓，本方案擬采用三級(jí)減壓，高壓截止，負(fù)壓進(jìn)西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 氣，一、二、三級(jí)減壓方式都是采用杠桿減壓，機(jī)動(dòng)起動(dòng)，組合式。其缺點(diǎn)是鑄造難度大，體積大，零部件多，費(fèi)用較高。但是在設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量降低鑄造的難度，減少零部件的數(shù)量。該減壓閥在未通入氣體時(shí)，閥芯與閥口保持一定的間隙，通入高壓氣體時(shí)，隨著閥室壓力的升高，氣體作用在膜片下方并克服膜片上方彈簧的壓力使膜片及其芯子產(chǎn)生向上的動(dòng)作，從而帶動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使閥口關(guān)閉。該減壓閥的壓力彈簧為不可調(diào)節(jié)式彈簧，如果要調(diào)節(jié)出口壓力和流量，可調(diào)節(jié)杠桿上的調(diào)節(jié)螺釘或更換壓力彈簧。閥室的容積與閥 室的高度有關(guān)，容積的大小，與氣體變化快慢程度相關(guān)，因此，也要取得適當(dāng)，再參照已有減壓閥，初選 27mm。 一級(jí)減壓閥杠桿、彈簧與閥口的設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)閥口時(shí)，閥口不能取得太大，但也不能太小。閥芯的最大行程初選 177。 因?yàn)樵撻y的最大流量可達(dá) 40m3/h，當(dāng)氣體初始?jí)簭?qiáng)為 220MPa 時(shí)，閥口的實(shí)際開(kāi)度并不等于 177。 ，此時(shí)，一級(jí)閥室的壓強(qiáng)不能保持在原定范圍，但其流量可達(dá) 40m3/h。 根據(jù)《烴類物理化學(xué)數(shù)據(jù)手冊(cè)》 [8]22 頁(yè)，關(guān)于高壓下氣體粘度的計(jì)算， 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計(jì) 13 根 據(jù)《 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 手冊(cè) 》 [13] 75 頁(yè)，表 彈 簧 常 用 材料 （ 摘 自GB/）彈簧材料選擇閥門用油淬火回火碳素彈簧鋼絲（ GB4359）牌號(hào)為 65Mn，這類材料的性能是強(qiáng)度高，性能好，用于內(nèi)燃機(jī)閥門彈簧或類似用途彈簧，直徑 ，而本設(shè)計(jì)的彈簧絲直徑 d=，滿足要求；推薦溫度范圍為 40150℃， 而本設(shè)計(jì)的 減壓閥要求在 585℃ ，符合推薦溫度范圍。 二級(jí)減壓閥的設(shè)計(jì) 二級(jí)減壓閥的工作原理 二級(jí)減壓閥的工作原理與一級(jí)減壓閥的工作原理基本一致，也屬于常開(kāi)式減壓閥，利用縫隙進(jìn)行減壓，但也有一定的不同的地方，二級(jí)減壓閥的壓力彈簧是鈕簧，可調(diào)節(jié)，而杠桿是不可調(diào)節(jié)的，閥芯可實(shí)現(xiàn)微調(diào)。二級(jí)閥室除了與一級(jí)閥室聯(lián)通外，還與怠速閥閥室和三級(jí)閥閥室聯(lián)通，二級(jí)閥室上面有閥蓋，三級(jí)閥口設(shè)計(jì)在二級(jí)閥蓋上。二級(jí)閥膜片上擋板直徑 2D下 檔 初選 31mm，杠桿在左端部分的轉(zhuǎn)臂初選為，右端部分的轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度初選為 ，即 2al杠 桿 =， 2bl杠 桿 =。 根據(jù)公式 35，可算出二級(jí)閥口在 0P =220 MPa 時(shí)的最大縫隙 maxh 。 222 3 . 1 44 9 4 DA ???? ? ?22 2 上 擋 2 上 擋 下 擋有 效 3 . 1 4 D D3 . 1 4 4 9（ ）44 = 223 1 3 .1 4 3 14 9 4? ? ???23 . 1 4 4 9 3 . 1 4 3 1（ ）44 =（ ） ? ? =1470 2mm 當(dāng) 2P = 時(shí)，膜片芯子受膜片向下的作用力為： 614 70 10F ?? ? ? ?6二 芯 （ ） 10 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 =147N 當(dāng) 2P = 時(shí)，膜片芯子受膜片向下的作用力為： 639。 根據(jù)上述計(jì)算可得二級(jí)彈簧在 2 ~ M Pa? 的情況下的受力范圍為118N~147N，則其彈性系數(shù)為： 39。 現(xiàn)將二級(jí)減壓閥彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖 所示： 圖 二級(jí)減壓閥彈簧 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計(jì) 17 三級(jí)減壓閥的設(shè)計(jì) 三級(jí)減壓閥的工作原理 在本次設(shè)計(jì)中，三級(jí)減壓閥是常閉式的閥，主要是利用閥室的真空度進(jìn)行調(diào)壓。當(dāng)閥室處于負(fù)壓或真空度大于一定的值時(shí)，膜片兩邊的壓力差使膜片向閥室里運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)杠桿克服彈簧壓力 ，使閥口打開(kāi)供氣。天然氣的流量完全由發(fā)動(dòng)機(jī)的真空度進(jìn)行調(diào)節(jié)。蓋板的 8 個(gè)螺孔均布，在閥蓋上還有 4 個(gè)進(jìn)氣孔，從而使膜片與大氣相通。下面是三級(jí)減壓杠桿剖面簡(jiǎn)圖。 三級(jí)閥的上擋板的直徑初選 3上 擋D =45mm，厚度初選 ，中間開(kāi) ? 的孔。 6 371 01 .4 10 1 10F ?? ? ? ?三 芯 = 當(dāng)流量為 40 3/mh時(shí)，三級(jí)閥口的最大縫隙 maxh 為： 23 1m a x 22211 2 ln()mrq R TrhPP??? ? = 732 2 125. 512 0. 00 79 7 14 6. 81 10 51 8. 3 32 3. 15 l n43. 14 ( 0. 19 0. 11 ) 10?? ? ? ? ?? ? ? = 410?? m = 膜片芯子的移動(dòng)量為： l?三 芯 = max 5711h ? = 11? = 三級(jí)壓力彈簧在三級(jí)閥真空度為 ~1KPa 時(shí)的最小壓縮為： 39。m a x 5 7 5 77 . 1 3 6 . 81 1 1 1F F N? ? ? ? ?三 彈 三 芯