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天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計
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(zhì)量好壞車的性能有很大的關(guān)系，它在天然氣汽車中主要起減壓和穩(wěn)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(jìn)入混合器，以便與空氣混合進(jìn)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(wěn)定的空燃比控制，還要求無論瓶內(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?，以此實現(xiàn)比較穩(wěn)定的燃?xì)馀c空氣混合比控制。從而實現(xiàn)減壓和穩(wěn)壓的作用。
本次畢業(yè)設(shè)計在原有減壓產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)布局及形狀進(jìn)行了修改，并對輸入發(fā)動機(jī)過程中的天然氣壓力的變化值進(jìn)行了精確的設(shè)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(jìn)行減壓進(jìn)行計算，使其能夠滿足減壓至預(yù)期的要求。而且對各主要受載荷的零部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，使選擇的材料滿足強(qiáng)度要求。預(yù)計本次設(shè)計出來的減壓裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，外行美觀，精度高的特點，可提高同類產(chǎn)品的質(zhì)量，可以滿足廣大用戶的需求。
關(guān)鍵詞：天然氣汽車；減壓裝置；減壓閥
ABSTRACT
The natural gas automobile decompressor is a natural gas automobile important part, its quality quality vehicle performance has the very big relations, it is main the reduced pressure in the natural gas automobile and the constant voltage function. Therefore, through use decompressor, may 1-20MPa compression natural gas pressure drop to 1-2.5kPa enters the mixer, in order to enters the cylinder with the air mix, because in the high-pressure bottle CNG gas pressure changes, must maintain the stable air-fuel ratio control, also requests regardless of how the bottle internal pressure does change, the reduced pressure regulator also should guarantee enters the mixer basically the fuel gas pressure constant, by this realization quite stable fuel gas and air mixture ratio control. Thus realization reduced pressure and constant voltage function.
This graduation project in original reduced pressure product foundation, have carried on the revision to its structural configuration and the shape, and to input in the engine process the natural gas pressure change value to carry on the precise design, mainly is to the level pressure relief valve slit reduced pressure and two level of pressure relief valve slit reduced pressure, as well as three levels of pressure relief valves carry on the reduced pressure using the vacuum degree to carry on the computation, enables its to satisfy the reduced pressure to the anticipated request. Moreover to each mainly has been carried on the load spare part the intensity examination, causes the choice the material to satisfy the intensity request. Estimated this time designs the decompressor has the structure simply, the layman is artistic, precision high characteristic, may enhance the similar product the quality, May satisfy the user community the demand.
Key words: Natural gas automobile; decompressor; pressure relief valve
39
目 錄
摘要 .................................................................?
ABSTRACT..........................................................П
緒論 .................................................................1
0.1天然氣汽車減壓裝置的用途和功能 1
0.2天然氣汽車減壓裝置在我國的發(fā)展概況 1
0.3天然氣汽車減壓裝置設(shè)計的目的和意義 1
1 設(shè)計任務(wù)書 .........................................................3
1.1設(shè)計題目 3
1.2題目說明 3
1.2.1設(shè)計參數(shù)規(guī)范 3
1.2.2符合標(biāo)準(zhǔn) 3
1.2.3設(shè)計思路 3
1.3設(shè)計方案 3
1.4資料調(diào)研 4
1.4.1減壓閥的定義 4
1.4.2減壓閥的工作原理 4
1.4.3減壓閥的工作過程 7
2 設(shè)計方案的研究與選擇............................................. 9
2.1減壓調(diào)節(jié)器的分類 9
2.2方案選擇 9
2.2.1方案一及其優(yōu)缺點 9
2.2.2方案二及其優(yōu)缺點 9
2.2.3 設(shè)計方案的選擇 10
3 總體方案設(shè)計 ......................................................11
3.1一級減壓閥的設(shè)計 11
3.1.1一級減壓閥的工作原理 11
3.1.2一級減壓閥閥室的設(shè)計 11
3.1.3一級減壓閥杠桿、彈簧與閥口的設(shè)計 11
3.2二級減壓閥的設(shè)計 19
3.2.1二級減壓閥的工作原理 19
3.2.2二級減壓閥閥室及蓋板、杠桿、上檔板的設(shè)計 19
3.2.3二級減壓閥彈簧的設(shè)計 19
3.3三級減壓閥的設(shè)計 22
3.3.1三級減壓閥的工作原理 22
3.3.2三級減壓閥蓋板、杠桿、上擋板、閥口的設(shè)計 22
3.3.3三級減壓閥調(diào)節(jié)彈簧的設(shè)計 22
3.3.4 三級減壓閥膜片的設(shè)計與校核 25
3.4怠速閥的設(shè)計 26
3.4.1怠速閥的工作原理 26
3.4.2怠速閥閥室及閥體的設(shè)計 26
3.4.3怠速閥芯及怠速閥彈簧的設(shè)計 28
3.5其他重要零部件的設(shè)計 29
3.5.1高壓電磁閥閥芯、先導(dǎo)閥、彈簧的設(shè)計 29
3.5.2安全閥及其彈簧的設(shè)計 30
3.5.3進(jìn)氣接頭的設(shè)計 31
3.5.4一級閥蓋連結(jié)螺柱和三級閥蓋連結(jié)螺栓的選擇 32
4 天然氣汽車減壓裝置的使用說明 ......................................35
4.1天然氣汽車減壓裝置的使用注意事項 35
4.2天然氣汽車減壓裝置的拆裝、檢查與調(diào)整 35
4.2.1拆卸 35
4.2.2清洗、檢查、更換 35
4.2.3組裝、調(diào)整 36
5 總結(jié) ..............................................................38
謝辭 39
參考文獻(xiàn)............................................................40
緒 論
0.1 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(fā)動機(jī)工作時，卻要求燃?xì)鈮毫档?-2.5kPa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，還要求無論瓶內(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ǎ源藢崿F(xiàn)比較穩(wěn)定的燃?xì)馀c空氣混合比控制。因此在燃?xì)夤┙o系統(tǒng)中必須要有減壓調(diào)節(jié)器。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，將會直接影響到天然氣汽車的性能。
0.2 天然氣汽車減壓裝置在我國的發(fā)展概況
天然氣汽車減壓裝置是隨著天然氣汽車的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，同時，也隨著天然氣汽車的發(fā)展而發(fā)展。
早在1958年，四川就曾研制過天然氣汽車，但是由于當(dāng)時科技的發(fā)展，有一些技術(shù)問題不能解決，以及當(dāng)時油價較低，而未能得到發(fā)展。1986年，四川石油管理局南充機(jī)械廠組織人員再次著手該技術(shù)的研究工作。1988年，中國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第一座壓縮天然氣充氣站。南充機(jī)械廠用進(jìn)口配件改裝了全國首批50輛壓縮天然氣汽車，并結(jié)合自己的經(jīng)驗，根據(jù)國情，借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了天然氣汽車減壓裝置及其他車用燃?xì)庋b置的全部國產(chǎn)化。該裝置在1991年通過技術(shù)鑒定，1993年通過部級驗收，樣車經(jīng)測試，性能達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。目前，國內(nèi)特別是四川、重慶等天然氣供氣減壓系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)已形成國產(chǎn)上萬套的天然氣汽車減壓裝置的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，它們生產(chǎn)的產(chǎn)品成為國內(nèi)各大汽車廠燃?xì)馄嚫难b車用減壓器的指定產(chǎn)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(shù)開發(fā)公司的減壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)品不斷推出。
0.3 天然氣汽車減壓裝置設(shè)計的目的和意義
從20世紀(jì)70年代開始，國際上燃?xì)馄嚰夹g(shù)逐漸進(jìn)入較快的發(fā)展時期。在當(dāng)今社會，天然氣與柴油的熱值相當(dāng)，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(huán)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(shù)成熟、資源豐富等特點在世界范圍內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用。
雖然天然氣汽車在在近幾年來，在我國發(fā)展的很快，但是那只是相對的。預(yù)計到2010年的時候，我國民用機(jī)動車保有量將增加到4900萬輛，而天然氣汽車卻只達(dá)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(shù)量級的。天然氣汽車以其減輕環(huán)境污染、緩解石油資源的優(yōu)點得到了快速發(fā)展，但是我國的天然氣汽車在2010年只能達(dá)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(fā)展過程中會遇到很多困難。據(jù)統(tǒng)計，建設(shè)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(jìn)行一次大的調(diào)整，對其性能進(jìn)行改進(jìn)，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(chǎn)的，一半是進(jìn)口的。國產(chǎn)減壓調(diào)節(jié)器在國內(nèi)的競爭力是有限的，在國際上更是有限。把國產(chǎn)產(chǎn)品打到國際市場上去就需要對現(xiàn)有產(chǎn)品的性能、外觀、體積、質(zhì)量、成本等關(guān)鍵問題進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。
天然氣的減壓裝置是天然氣發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它需要根據(jù)發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)的不同工況的要求。由于發(fā)動機(jī)所需要的天然氣的壓力很低（通?？刂圃?-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(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)動機(jī)工況穩(wěn)定，節(jié)約燃?xì)?，改善排放的目的?
1 設(shè)計任務(wù)書
1.1 設(shè)計題目
天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計
1.2 題目說明
1.2.1 設(shè)計參數(shù)規(guī)范
減壓閥進(jìn)口額定壓力為20MPa，進(jìn)氣接頭強(qiáng)度試驗壓力為27.5MPa，當(dāng)進(jìn)氣壓力為2-20MPa時，進(jìn)行一級減壓后，壓力變化為0.5MPa，變化許可值為0.05MPa，進(jìn)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(jìn)行三級減壓，而其閥口的開啟程度由發(fā)動機(jī)工作時的真空度的大小自動調(diào)節(jié)，但是可以調(diào)節(jié)初始開度。突然輸出放氣時，最大流量可達(dá)40m3/h，當(dāng)氣瓶壓力小于2MPa時，仍能對發(fā)動機(jī)正常供氣。
1.2.2 符合標(biāo)準(zhǔn)
減壓調(diào)節(jié)器各部分應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)QC/T245-1998的有關(guān)規(guī)定。
1.2.3 設(shè)計思路
根據(jù)國內(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)計一種符合上述規(guī)范的減壓裝置，其中包括方案設(shè)計及工作原理的分析，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及重要零件的強(qiáng)度校核。
1.3 設(shè)計方案
根據(jù)已有國家標(biāo)準(zhǔn)和要求，一級減壓閥的輸入壓力為2-20MPa，而要求供給發(fā)動機(jī)的壓力為負(fù)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(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(dá)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(guī)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(shè)有將發(fā)動機(jī)循環(huán)水引人減壓器的水套，利用發(fā)動機(jī)循環(huán)冷卻水的熱量加熱減壓器。
1.4 資料調(diào)研
1.4.1 減壓閥的定義
國標(biāo)GB12244-89關(guān)于減壓閥的定義是:通過啟閉件的節(jié)流,將進(jìn)口壓力降至某一個需要的出口壓力,并能在進(jìn)口壓力及流量變動時,利用本身介質(zhì)能量保持出口壓力基本不變的閥門。就是說這樣的一句話已經(jīng)說明了減壓閥的兩個基本功能。一是減壓,即將進(jìn)口壓力降至某一個需要的出口壓力；二是穩(wěn)壓,即能在進(jìn)口壓力及流量變動時,利用本身介質(zhì)能量保持出口壓力基本不變。兩個基本功能缺一不可。而節(jié)流閥雖有減壓功能,通過啟閉件的節(jié)流來實現(xiàn),但是它沒有穩(wěn)壓功能。
1.4.2 減壓閥的工作原理
減壓閥的工作原理簡而言之就是：A:減壓；B:穩(wěn)壓。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,壓力減小,達(dá)到減壓的目的。穩(wěn)壓的原理是力的平衡,因為彈簧的行程是設(shè)定的,要達(dá)到平衡,出口腔的壓力必須跟彈簧力平衡,當(dāng)進(jìn)口壓力及流量變動時,利用彈簧力與出口腔的壓力平衡保持出口壓力基本不變。這是一個動平衡過程,并不是瞬間完成的。因為彈簧、活門等有一定的質(zhì)量,在移動中與閥體等一些其他零件都有摩擦。
1.4.2.1 一級減壓部分
圖1.1 一級減壓原理
圖1.1是一級減壓原理示意圖。從儲氣瓶流出的CNG氣體依靠自身的壓力打開一級閥門，從一級閥門和閥座之間的縫隙流入一級減壓室，在此過程中CNG氣體的壓力被大幅度降低。在一級減壓室內(nèi)壁上有許多擋片，CNG氣體在流過它們時壓力被進(jìn)一步降低。隨著一級減壓室中氣體數(shù)量不斷增多，室內(nèi)壓力不斷升高，當(dāng)壓力上升到一定值時，一級膜片向上凸起，壓迫一級彈簧，通過一級圓柱又帶動一級杠桿動作，使一級閥門開度減小，減少CNG氣體的進(jìn)入，隨著一級減壓室中的CNG氣體不斷進(jìn)入二級減壓閥室，一級減壓室中的氣壓降低，當(dāng)壓力降至某一值時，在一級彈簧預(yù)緊力的作用下，壓下一級膜片，通過一級圓柱又帶動一級杠桿動作，使一級閥門開度增大，CNG氣體又流入一級減壓室。
一級閥門的開啟與關(guān)閉由一級膜片的位置決定，而一級膜片的位置又受到一級減壓室壓力、二級減壓室壓力、一級彈簧預(yù)緊力的共同影響。增加一級彈簧預(yù)緊力，降低一級減壓室壓力及提高二級減壓室壓力等都將使一級膜片下移，一級閥門開度加大；反之，一級膜片上移，則一級閥門開度減小。
1.4.2.2 二級減壓部分
圖1.2 二級減壓原理
圖1.2是二級減壓原理示意圖。在一級減壓室中經(jīng)過初步減壓的CNG氣體經(jīng)過二級閥門進(jìn)入二級減壓室，由于二級閥門的節(jié)流作用，壓力得到更進(jìn)一步的降低。隨著進(jìn)入二級減壓室中的氣體數(shù)量的增多，當(dāng)二級室內(nèi)壓力超過二級彈簧的預(yù)緊力時，二級膜片向上凸起，壓迫二級彈簧，通過二級圓柱又帶動二級杠桿動作，使二級閥門開度減小，減少了CNG氣體的進(jìn)入量。隨著二級減壓室中的CNG氣體不斷進(jìn)入三級減壓室，二級減壓室中的氣壓降低，當(dāng)壓力小于二級彈簧預(yù)緊力時，在二級彈簧預(yù)緊力的作用下，二級膜片被壓下，通過二級圓柱又帶動二級杠桿動作，使二級閥門開度增大，進(jìn)入二級減壓室的CNG氣體量又開始增多。二級閥門的開啟與關(guān)閉由二級杠桿來控制，二級杠桿的動作由二級膜片位置決定，而二級膜片的位置由二級減壓室壓力、二級彈簧預(yù)緊力、三級減壓室壓力共同決定。
1.4.2.3 三級減壓部分
三級減壓是為了進(jìn)一步降低天然氣的壓力，使其接近負(fù)壓。圖1.3是三級減壓、真空加濃和怠速調(diào)整的原理圖。
經(jīng)過兩級減壓的天然氣通過三級閥門進(jìn)入三級減壓室。由于三級閥門的節(jié)流作用使CNG氣體的壓力降至負(fù)壓左右。接近負(fù)壓的天然氣由CNG燃料出口進(jìn)入混合器。三級閥門的開啟和關(guān)閉受到三級杠桿的作用，而三級杠桿的動作又受到真空膜片的位置（由真空膜片彈簧預(yù)緊力、進(jìn)氣管真空度及三級減壓室壓力決定）,三級膜片的位置（由三級減壓室的壓力、下蓋室壓力決定）、怠速調(diào)整螺釘及三級杠桿彈簧預(yù)緊力的共同作用。
1.4.2.4 真空加濃部分
它是設(shè)置在二級減壓室上方的一個真空泵室，在一定的進(jìn)氣管真空度范圍內(nèi)增加進(jìn)入氣缸的天然氣量，達(dá)到加濃混合氣的目的。真空泵室通過一個真空管引入發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣管真空度。當(dāng)進(jìn)氣管真空度增大時，真空膜片向上壓縮真空彈簧，三級杠桿隨之作用，加大三級閥門的開度，增加三級減壓室中天然氣的供給量。隨著進(jìn)氣管真空度的增大，三級杠桿會壓下助射閥閥芯，打開助射閥，使三級減壓室同二級減壓室膜片與阻尼板之間的小室連通，使二級減壓室膜片與阻尼板間的壓力降低，二級減壓閥膜片在二級彈簧預(yù)緊力的作用下向下移動，通過二級圓柱又帶動二級杠桿使二級閥門開度增加，增加CNG氣體的進(jìn)氣量。調(diào)節(jié)助射閥螺釘可調(diào)整助射閥通道的截面，改變進(jìn)氣量。
1.4.2.5 怠速調(diào)整部分
圖1.3 三級減壓、真空加濃和怠速調(diào)整原理
怠速工況的調(diào)整是通過旋動怠速調(diào)節(jié)螺釘實現(xiàn)的。向下旋動（順時針）調(diào)節(jié)螺釘，則推動壓頭使三級杠桿動作，減小三級閥門的開度，從而減小天然氣的供給量；反之，向外旋動（逆時針）則使三級閥門開度增大，增加天然氣的供給量。
1.4.2.6 啟動加濃部分
圖1.4 啟動加濃原理
可在啟動時向發(fā)動機(jī)額外提供天然氣，以滿足啟動時發(fā)動機(jī)對混合氣濃度的要求。原理如圖1.4所示。
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斷由起動電磁閥控制。啟動時，起動電磁閥使旁通氣道接通。CNG氣體由一級減壓室直接進(jìn)入三級減壓室，增大了天然氣的供給量，起動調(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)需要改變啟動時CNG氣體的供給量。
1.4.3 減壓閥的工作過程
1.4.3.1 啟動
發(fā)動機(jī)啟動時，轉(zhuǎn)速極低，混合器喉管處的氣流速度及真空度都很低，因此，三級閥門的開度很小，吸出的CNG氣體數(shù)量也很少。尤其在冷啟動時，由于發(fā)動機(jī)溫度很低，氣缸內(nèi)混合氣過稀，難以保證其著火與燃燒。為保證順利啟動發(fā)動機(jī)，要求在啟動時減壓器供給較濃的混合氣，完成這項任務(wù)的裝置是起動電磁閥。
發(fā)動機(jī)啟動時，起動電磁閥接通，起動旁通氣道打開，來自一級減壓室的CNG氣體經(jīng)起動電磁閥的閥門和旁通氣道直接進(jìn)入三級減壓室，通過燃料出口供給混合氣，從而保證發(fā)動機(jī)的順利著火運轉(zhuǎn)。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，混合器喉管中的真空度增加，三級減壓室的閥門開度相應(yīng)增大，從一級減壓室、二級減壓室送出的天然氣增多，可保證發(fā)動機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，起動電磁閥關(guān)閉，截斷旁通氣道。
1.4.3.2 怠速工況
發(fā)動機(jī)怠速運轉(zhuǎn)時，由于節(jié)氣門開度很小，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三級閥門開啟得越大，進(jìn)入三級減壓室的CNG便增多，這就滿足了怠速工況對混合氣的要求。
1.4.3.3 一般運轉(zhuǎn)工況
在發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)過程中，隨著節(jié)氣門開度的增大及轉(zhuǎn)速的升高，混合器喉管處的真空度也在不斷的增大，這一真空度通過主通道傳到三級減壓室，使三級減壓室的閥門開度增大，送出較多的天然氣以滿足發(fā)動機(jī)的需要。
1.4.3.4 瞬變工況
汽車在運行過程中，由于路況的突變會引起發(fā)動機(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，三級減壓室的壓力就會出現(xiàn)波動，此壓力波動將會影響到三級閥門開度的大小，使三級減壓室CNG供給量發(fā)生相應(yīng)的變化，以滿足發(fā)動機(jī)的需要，為了保證減壓閥在發(fā)動機(jī)瞬變工況下的工作穩(wěn)定性，減壓閥中各運動零件的質(zhì)量應(yīng)較小。
1.4.3.5 停機(jī)
發(fā)動機(jī)停止工作后，混合器喉管處及節(jié)氣門后的真空度均消失，三級膜片及真空膜片均在各彈簧預(yù)緊力的作用下處于平衡狀態(tài)，三級閥門在三級杠桿彈簧的作用下關(guān)閉，停止向混合器供給天然氣。
2 設(shè)計方案的研究與選擇
2.1 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；按是否用電動控制可分為機(jī)電控制式減壓閥和機(jī)械控制式減壓閥。
2.2 方案選擇
2.2.1 方案一及其優(yōu)缺點
根據(jù)以上分析，采用三級減壓，本方案擬采用三級減壓，中壓截止，負(fù)壓進(jìn)氣，機(jī)械啟動式。一級減壓方式為杠桿減壓，二級減壓方式為正負(fù)彈簧減壓。
本方案的工作原理方框圖如下：
本方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，簡單，鑄造容易，高度小，體積小，零部件少。其缺點是不太安全，如果一級閥室損壞，高壓天然氣會從安全閥中排泄到大氣中，污染環(huán)境，如果不關(guān)閉手動截止閥，4.0MPa左右的天然氣長期作用在一、二級閥室，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。本方案還有一個缺點就是起動不方便，起動時需要用人工調(diào)節(jié)怠速旋鈕。
2.2.2 方案二及其優(yōu)缺點
根據(jù)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(fù)壓進(jìn)氣，一、二、三級減壓方式都是采用杠桿減壓，機(jī)動起動，組合式。
本方案的工作原理方框圖如下：
此方案的優(yōu)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。
2.2.3 設(shè)計方案的選擇
經(jīng)過對方案一和方案二的研究，本設(shè)計選擇方案二，因為采用方案二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(shè)計中，應(yīng)該盡量降低鑄造的難度，減少零部件的數(shù)量。
3 總體方案設(shè)計
3.1 一級減壓閥的設(shè)計
3.1.1 一級減壓閥的工作原理
一級減壓閥為常開式減壓閥，主要由閥座、閥芯、杠桿、膜片、彈簧、減壓室等部分組成。該減壓閥在未通入氣體時，閥芯與閥口保持一定的間隙，通入高壓氣體時，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)生向上的動作，從而帶動杠桿轉(zhuǎn)動，使閥口關(guān)閉。當(dāng)減壓室的氣體向二級減壓閥輸出后，壓力降低，膜片及其芯子下移，閥口打開，使高壓氣體再次進(jìn)入一級閥室，如此反復(fù)，使減壓閥在保證流量的基礎(chǔ)上，出口壓力穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。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。
3.1.2 一級減壓閥閥室的設(shè)計
為了密封的嚴(yán)密性，閥室的壁厚初選5mm，由于初始?xì)怏w壓強(qiáng)在2-20MPa之間變化，氣體對閥芯的沖擊力在幾十牛頓至幾百牛頓之間變化，因此，閥室的內(nèi)徑不能取得太小，但是也沒有必要取得太大，參考現(xiàn)有減壓閥，初選64mm。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。
因為殼體及蓋板的實驗應(yīng)力為0.8+0.1MPa，因此，對一級閥室的強(qiáng)度進(jìn)行如下校核：
（3-1）
式中，=5mm，=64mm，=27mm
則
=32N/m2=3.2N/mm2
=63.7 N/mm2
所以，閥室的強(qiáng)度滿足要求。
3.1.3 一級減壓閥杠桿、彈簧與閥口的設(shè)計
在設(shè)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(qiáng)受到影響，因此，在參考了現(xiàn)有減壓閥的設(shè)計之后，一級閥口的內(nèi)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。閥芯的最大行程初選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。
因為該閥的最大流量可達(dá)40m3/h，當(dāng)氣體初始壓強(qiáng)為2-20MPa時，閥口的實際開度并不等于0.5±0.1mm，只有當(dāng)氣體壓強(qiáng)小于1MPa時，閥口開度才能達(dá)到0.5±0.1mm，此時，一級閥室的壓強(qiáng)不能保持在原定范圍，但其流量可達(dá)40m3/h。
天然氣縫隙減壓的壓降與流量q的關(guān)系與其粘度有關(guān)，天然氣粘度在不同壓強(qiáng)狀態(tài)下的值是不同的，下面對天然氣在高壓狀況下的粘度進(jìn)行計算（因為天然氣的主要成份是甲烷，甲烷的含量可高達(dá)98％，故在計算過程中，將天然氣的物理性質(zhì)以甲烷為準(zhǔn)）。
根據(jù)《烴類物理化學(xué)數(shù)據(jù)手冊》[8]22頁，關(guān)于高壓下氣體粘度的計算，
（）=1.08 （3-2）
（3-3）
（3-4）
再根據(jù)《烴類物理化學(xué)數(shù)據(jù)手冊》[8]96頁和86頁查得關(guān)于甲烷的參數(shù)如下：
絕對粘度=109.9510-7Pas,
臨界壓力Pc=4604KPa=4604000/1.01325=46.04atm
臨界溫度=190.58K,
臨界體積=0.09910-3m3/mol，
分子量MW=16.0139
則計算得：
=0.0467
=
當(dāng)天然氣壓強(qiáng)為20MPa時，
=0.884
則，
=
=1.08（3.568-0.413）
=3.407
=182.9
當(dāng)天然氣壓強(qiáng)為2MPa時，
=0.0884
則，
=
=1.08（1.136-0.988）
=0.1598
-109.95=0.1598/0.0467=3.423
=133.27
當(dāng)天然氣壓強(qiáng)為0.5MPa時，
=0.0221
則，
=
=1.08（1.0323-0.9991）
=0.0359
-109.95=0.769
=110.72
當(dāng)天然氣壓強(qiáng)為0.3MPa時，
=0.01326
=
=1.08（1.0193-0.9996）
=0.0218
-109.95=0.446
=110.4
當(dāng)天然氣壓強(qiáng)為0.2MPa時，
=0.00884
=
=1.08(1.0128-0.9998)
=0.014
-109.95=0.3
=110.25
查《液壓與氣動技術(shù)》[9]46頁得氣體流經(jīng)平行圓環(huán)平面縫隙的質(zhì)量流量為：
（3-5）
式中，r1、r2為圓環(huán)的大、小半徑，r1=5.5mm，r2=7.5mm
氣體常數(shù)R=0.5183KJ/Kg K=518.3J/Kg K
當(dāng)P1=20MPa，P2=0.5MPa時，
=0.039m=0.0039mm
當(dāng)P1=2MPa，P2=0.5MPa時，
=0.173m=0.0173mm
氣體從小孔流出流經(jīng)兩圓盤平面間的縫隙時，作用于圓盤的總壓力公式為：
（3-6）
當(dāng)=20MPa時，高壓天然氣作用于閥芯的力為：
=88.3125+2567.7
=2656N
當(dāng)=2MPa時，高壓天然氣作用于閥芯的力為：
=88.3125+197.516
=285.8N
當(dāng)=20MPa，=0.32MPa時，膜片芯子受膜片向上的推力為：
（3-7）
（3-8）
其中，為閥室內(nèi)徑，為上壓板的直徑
=64mm，=40mm
=3685
則，
=810.7-700.9
=109.8N
110N
當(dāng)=20MPa，=0.55MPa時，膜片芯子受膜片向上的推力為：
=
=1685.25-2656
=957.4N957N
當(dāng)=2MPa，=0.32MPa時，膜片芯子受膜片向上的推力為：
=
=810.7-285.8
=735.3N
735N
當(dāng)=2MPa，=0.55MPa時，膜片芯子受膜片向上的推力為：
=
=
=1582.8N
1583N
通過以上計算可知，彈簧在=20MPa，=0.32-0.55MPa時的受力范圍為110N-957N；在=2MPa，=0.32-0.55MPa時的受力范圍為735 N~1583N。因此，要保證=2-20MPa時，=0.3-0.55MPa時，彈簧的受力范圍必須在735N-957N范圍內(nèi)。
在彈簧的設(shè)計中，試取初始壓縮量=2mm，所受壓力=160N，=4mm，=454N，彈簧自由高度=30mm。
則，
=
=
=147N/mm
當(dāng)=20MPa時，=0.0039mm
又因為杠桿的長度=36mm，高度=9.5mm，
所以，=20MPa時，彈簧在工作時的作用力變化值為：
=
=2.18N
3N
又因為閥芯的行程=0.50.01mm，膜片芯子的實際上移距離：
所以，彈簧在=2~20MPa，最大時的受力為：
=
=
=311N
彈簧在=2~20MPa，最小時的受力為：
=311-3
=308N
根據(jù)對彈簧的設(shè)計，可算出在該彈簧的作用下，一級減壓閥閥室的氣體在=2-20MPa時的實際壓力范圍值。
=
=Pa
=
= Pa
通過以上計算，一級減壓彈簧可設(shè)計如下：
自由高度=30mm，=2mm，=160N，=4mm，=454N，，，中徑=18mm，總?cè)?shù)為5.5圈，有效圈數(shù)為3.5圈，旋向右，熱處理HRC45~50，彈簧表面不得有任何傷痕和毛刺，表面法蘭處理。
該彈簧的示意圖如下圖3.1所示：
圖3.1 一級減壓閥彈簧
下面對該彈簧進(jìn)行強(qiáng)度校核：
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》[13] 7-5頁，表7.1-4彈簧常用材料（摘自GB/T1239.6-1992）彈簧材料選擇閥門用油淬火回火碳素彈簧鋼絲（GB4359）牌號為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2.0-6.0mm，而本設(shè)計的彈簧絲直徑d=3.5mm，滿足要求；推薦溫度范圍為-40-150℃，而本設(shè)計的減壓閥要求在-5-85℃，符合推薦溫度范圍。根據(jù)表7.1-6彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度（摘自GB/T1239.6-1992）直徑為3.5mm的由該材料制成的彈簧的=1422MPa，由7-10頁的計算公式可得：
旋繞比C===5.14，滿足4
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