天然气电控发动机设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 为了解决日益严重的环境污染和能源危机的问题，开发了一种以天然气和柴油为燃料的电控双燃料发动机。它是在电控柴油机的基础上改装而成的，采用柴油引燃天然气的方式来工作。由于只需另外加装一套天然气供给系统，适当改变一下燃料供给策略，对原柴油机不必作什么改动，故改装简单、成本低 。 但改装后 天然气替代率高，发动机排放性明显改善。 本设计是在原 控柴油机的基础上，设计安装一套天然气供给系统，并充分利用原柴油机上的电控系统，通过加装相关传感器，精确控制柴油引燃量和天然气的供给量，来提高原发动机的经济性 和排放性。 具体来说， 一方面分析了电控天然气发动机燃料供给策略， 对 天然气供给系统 进行了整体设计 ； 另一方面重点设计了天然气供给系统的一些主要专用装置，如：气瓶、 瓶 口 阀、手动关闭阀、充气阀、燃气压力调节器、加温器等，对其它所需部件按国家标准进行了选用；同时还根据公交车车架，对天然气供给系统布置与安装进行了分析与设计。 关键词： 柴油 机 ； 天然气 ； 双燃料发动机 ； 供气系统 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 n to we a It by a by We a on in We on of We of on to of On we On we on of We 文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 1 前言 . 1 2 原始设计数据 . 2 2 1 柴油机数据 . 2 2 2 公交车数据 . 3 3 系统整体设计 . 4 3 1 控制原理设计 . 4 3 2 各部件功用 . 4 3 2 1 气瓶 . 4 3 2 2 压力调节器 . 5 3 2 3 气体流量阀 . 5 3 2 4 中央控制器 . 5 3 2 5 油门位置传感器 . 5 3 2 6 柴油油量控制器 . 5 3 2 7 冷却水温度传感器 . 6 3 2 8 控制面板 . 6 4 储气系统设计 . 7 4 1 气瓶设计 . 7 4 1 1 材料选择 . 7 4 1 2 储气压力确定 . 7 4 1 3 结构设计 . 8 4 1 4 尺寸设计 . 8 4 2 手动关闭阀设计 . 9 4 2 1 结构设计 . 9 4 2 1 阀杆设计 . 10 4 3 瓶口阀设计 . 13 4 3 1 结构设计 . 13 4 3 2 泄放直径校核 . 14 4 4 充气阀设计 . 15 4 5 其它部件选用 . 16 5 供给系统设计 . 17 5 1 燃气压力调节器设计 . 17 5 1 1 结构设计 . 17 5 1 2 阀口设计 . 18 5 1 3 密封膜片设计 . 20 5 1 4 弹簧设计 . 21 5 3 加温器设计 . 25 5 3 其它部件选用 . 26 6 总体布置 . 27 6 1 气瓶布置 . 27 6 2 气瓶架设计校核 . 30 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 结束语 . 32 参考文献 . 33 致 谢 . 34 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 1 前言 随着社会发展，汽车保有量的不断增多，由汽车导致的环境污染和能源危机的问题日益严重。为汽车寻找清洁而且丰富的替代燃料， 从而 提高发动机的经济性和排放性，已成为相关研究技术人员迫切 需要解决的问题。 天然气继煤碳、石油之后，作为三大能源之一。在煤碳、石油大量开采和耗尽下，天然气的储量显得比较丰富。同时它具有使用、储存方便，热效率高，燃烧清洁等优点，对天然气的开发和使用受到各国重视。 用 天然气替代常规的汽油 或柴油作为汽车燃料 具有很多优点。 最大的好处在于环保方面 ， 不但排放性能 优 ，而且汽车噪音也低 ； 同时把传统汽车改装成天然气汽车只需要在原发动机 上 加装一 套 天然气供给系统，改装方便、成本低 ； 此外，天然气汽车安全性高。天然气是一种高燃点的轻量气体，在通常的温度和压力下比汽油更安全。天然气 本身 无毒、无腐蚀性和非致癌的，即使泄漏也不会对土地或水形成威胁。 在我国 天然气 储量相当丰富。 据统计我国 天然气总资源量约为 万 亿 立方米 ， 天然气可采资源总量为14 22 万亿立方米。天然气资源总量列世界第五位、亚洲第一位。 所以在我国发展天 然气汽车，开发天然气发动机前景广阔。 天然气发动机发展大致经历了三个阶段： 第一代产品是机械式，第二代属于简单闭环控制，第三代是采用电控喷射 术。 具体来说， 天然气发动机经历了从最先汽油机改装到柴油机改装，最后到专门根据天然气特性设计发动机阶段 。 同时燃料也经历了从双用燃料、双燃料到单用燃料过程。在这发展过程中，产生了许多技术，如： 增压中冷技术 、 燃烧稀燃技术 、 天然气缸内喷射技术、天然气发动机闭环电控技术 、 天然气零部件开发可靠性技术 、 天然气催化器应用技术 等。 就目前我国天然气发动机发展上看，大多是在原汽油发动 机的基础上加装 一套天然气供给系统 ，开发成汽油 制形式多为机械式的，天然气供给方式多为 混合器预混合 式。 我们知道汽油 天然气双用发动机天然气替代率低，同时机械式 控制不精确的自 身缺陷， 混合器预混合 式天然气 原因 ，实际发动机排放性改善并不大。 鉴于以上情况和对城市环境造成很大污染的公交车大多很用柴油机，在柴油机的基础上开发一款电控天然气 /柴油双燃料发动机。 电控天然气 /柴油双燃料发动机是在原电控柴油机的基础上，设 计安装一套天然气供给系统，用少量柴油引燃天然气来工作。充分利用 柴油机上的 电控系统，来精确控制柴油引燃量和天然气的供给量 。达到提高天然气替代率， 提高原发动机的经济性和排放性 的目的 。 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 2 原始设计数据 本设计在 控单体泵柴油机的基础上开发一套天然气供给系统 ， 充分利用原有的电控系统， 把原发动机 改装成电控天然气发动机，并在使用这种发动机的公交车上对天然气供给系统布置进行设计。 下面给出了设计时所用的柴油机和公交车的一些数据参数。 2 1 柴油机数据 图 动机 缸径 行程 25108 额定功率 /转速 30/177 最大扭矩 /转速 60 0/8 00 外形尺寸 0 7 57 8 01 2 5 2 燃油消耗率 /250买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 2 2 公交车 数 据 图 公交车底盘 外形尺寸 1 0 02 4 0 08 5 0 0 百公里油耗 Q=27L 续驶里程 S=300车质量 M = 9740轴轴载质量 3270轴轴载质量 6470距 L = 4700架 参数 纵梁 异形钢管 0 通横梁 槽形钢 602 2 0 外伸横梁 槽形钢 60180 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 3 系统整体 设计 设计的电控柴油 /天然气 双燃料发动机是在原 油机的基础上开发而成 ， 主要开发了双燃料发动机的供气系统。 并 设置了多种传感器， 充分应用原发动机的电控系统，实现引燃柴油量和天然气量的精确控制。 3 1 控制 原理 设计 设计的柴油 /天然气 双燃料发动机采用电控单点喷气控制方式，其供气系统电子控制原理如 下 图 示 。 图 控制原理 设计的系统主要包括天然气的储气系统、供给系统及控制系统。 由图所示 ， 天然气由气瓶通过高压管流 入压力调节器 。 其间设置有充气阀、手动关闭阀、压力表等。 然后，天然气通过电磁阀进入气体流量阀，由燃气喷射器喷入 进气道 。在 进气道 内 天然气 与空气混合后流入进气歧管，最后到达各气缸内。 在汽车的一些部位安有传感器，通过数据采集由中央控制器控制柴油和天然气的供给量。 3 2 各部件 功 用 3 2 1 气瓶 气瓶 储存压力为 20其后先后接有 气瓶 阀、 充气阀 、 手动关闭阀 及 压力表等 。 气瓶 阀在必要时封住瓶内气体及防止瓶内压力过高损坏气瓶； 充气阀 是买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 在储气瓶内压力不足时向储气瓶内充入天然气； 手动关闭 阀是 当 理、入库停车时，用来截止 气瓶到 燃气压力调节 器之间的气路联接。 压力表用于表针加气时天然气是否加足。 3 2 2 压力调节器 燃气压力调节器可以将天然气的压力从 20且在压力调节器上装有压力传感器且与驾驶室内控制面板相连，这样在驾驶室内即可通过压力值了解气瓶内天然气的储量。 在压力调节器前分别安装有加温器和过滤器。其中 加温器是为了给天然气加热， 以避免因天然气压力降低吸收热量而使压力调节器冻结。 过滤器是为了 滤除气体中的杂质 ，以避免减压器阀口被堵塞 。燃气压力调节器后连接 电 磁阀，当发动机出现故障或发动机熄火时，电磁阀自动切断天然气的供给。 3 2 3 气体流量阀 气体流量阀可精确控制双燃料工作状态下的燃气流量。其内有一小容积室，与燃气喷射器、天然气压力传感器和温度传感器相连， 2个传感器分别测出容积室中天然气的压力和温度。中央控制器 (实测天然气压力与存储在 据二者的差值调整容积室的容积，保证确的天然气喷射量。天然气以 1O 80 进 气道 内，与空气充分混合后进入气缸。燃气喷射器的喷孔与空气的流向相反，使天然气 与空气充分混 合。 3 2 4 中央控制器 接受 8个传感器的信息，通过计算分析处理后，向柴油油量控制器及气体流量阀等主要执行器发出指令，控制双燃料状态下的柴油量以及燃气的流量，进而保证发动机的 性能。 控制系统出现问时， 动记录错误信息，并将错误代码在控制面板上显示出来。它可自动记录天然气流量、柴油流量天然气温度和压力、进气温度、进气压力等 3进行分析。 3 2 5 油门位置传感器 油门位置信号和转速信号是决定燃 料 门位置传感器固定在喷油泵的油门操纵杆上，并通过油门拉线与油门踏板连接，由驾驶员直接控制。 气和柴油的供给量。 3 2 6 柴油油量控制器 柴油油量控制器安装在喷油泵的后端。发动机 在双燃料工作状态时， 照其内买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 设定的燃料 过控制步进电机的行程从而控制喷油泵齿条的位移量来控制在双燃料工作状态的柴油油量。在纯柴油工作状态时，柴油油量控制器不起作用，由喷油泵调速器直接控制发动机的柴油喷射量。 3 2 7 冷却水温度传感器 冷却水 温度传感器安装在发动机的出水管上，当发动机冷却水温度在 65 转速超过 900 r 动机自动转换到双燃料的工作状态。 转速传感器 转速传感器安装在齿轮室罩盖一飞轮壳上测量发动机的转速，其信号是决定燃料 3 2 8 控制面板 控制面板固定在驾驶室内的仪表板上。控制面板上有控制发动机工作状态的转换开关，还可以显示双燃料工作状态下的天然气替代率及气瓶内的天然气储量。当双燃料工作状态下出现故障时，控制面上的故障显示灯就会提醒驾驶员，同时可以通过外接设备端口把故障 的原 因打印出来。 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 4 储气系统设计 天然气 储气系统 包括 气瓶、 瓶 口 阀、 充气阀 、 手动关闭阀、 高压管线及高压接头、气压表 等 。 这里主要设计了储气瓶、 气瓶 阀、 充气阀 、 手动关闭阀 ，对于高压管线、气压表、相关传感器 等 直接 按国家规定 选用。 4 1 气瓶 设计 储气瓶一直是天然气汽车重要的专用装置 之一 ，它的成本约占 车改装总成本的 30%70%。 图 气瓶 4 1 1 材料 选择 就目前使用的情况， 气瓶 大体分 二大 类：第一类钢或铝合金金属瓶；第二 类复合材料 储 气瓶 。合金金属瓶，生产成本低，安全耐用，容积率高，但重容比大，重量大；复合材料瓶重容比小，重量轻，但生产成本高，价格贵。 就本设计而言，由于是改装公交车 ，它上面空间大，对重量不太敏感， 同时 钢制气瓶在我国应用广泛，所以选择钢制气瓶。依据国家标准 7258车用压缩天然气钢瓶 ， 按照标准中表 2 对瓶体材料的要求， 综合考虑选择 35钢合金。 4 1 2 储气压力确定 根据 国家标准 7258规定 ， 天然气储气瓶的设计压力为 0 。 它是综合考虑到储气瓶的容重比以及 气站运行成本所确定的优化结果。过高的储气压力反而会导致气瓶容积率比的下降及加气站设备的成本和运行管理费用的升高。 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 4 1 3 结构 设计 目前储气瓶按生产工艺制造不同分三类：无缝钢管两端收口，尾部成凸状；无缝钢管两端收口，两端成管状；由钢坯直接冲压而成。 由于公交车用储气瓶对其形状没有特别要求， 考虑到工厂生产情况，形状的复杂程度，以及生产工艺 ，选择无缝钢管两端收口，尾部为凸状的形状。 图 气瓶结构 4 1 4 尺寸设计 结合目前市场用储气 瓶情况，考虑到公交的续驶里程为 300及国家标准查标准中表 1， 确定所设计 气瓶 的 公称容积 0 ，公称外径670 。 1 气瓶壁厚 气瓶壁厚应满足以下两式 S=2 1 1 3 30 3 3） （ S 1250（ 其中 S 气瓶壁厚 (0D 公称外径 (e 材料屈服应力 ( 水压试验压力 (买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 由 材料为 35 e= 440压试验压力 3P=53 20 33(p 为储气压力 ) 所以 S=2672（ 1440 1 31 440 0 31 ） 9 2671250 上 ,取壁厚 S 为 9 2 瓶口螺纹 依据 气瓶专用螺纹规定， 查标准中表 1 选择 瓶口阀 圆锥螺纹。 4 2 手动关闭阀 设计 气瓶到 燃气压力调节 器之间 应 设置手动 关闭 阀。当 车因加气、修理、入库停车时，用来截止储气瓶到减压器之间的气路联接。 手动关闭 阀是 统安全可靠的关键部件，要求能够做到快速“开”和“关”，启闭范围应为 ，并清楚标明“开”和“关”的方向。 手动关闭 阀应安装在易于操作的位置，阀体又不得直接安装在驾驶室内。 图 手动关闭阀 4 2 1 结构设计 设计的 手动关闭阀 的结构如图 示。 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 1 阀体 2 阀芯 3 内螺帽 4 密封膜片 5 外螺帽 6 阀杆 7 手轮 图 动关闭阀 结构 手动关闭阀实质是截止阀。由上图 天然气从 A 端进入 B 端流 出。 当旋传手轮 7 时，可以截止或打开气瓶与燃气压力调节器通路。用于截止天然气的阀芯 2 端部设置有密封垫，使截止充分防止泄漏。在阀杆和内螺帽之间安有密封膜片，防止在 手动关闭 阀打开时天然气泄漏。 4 2 1 阀杆设计 根据设计的 手动充气 阀结构， 初步设计阀杆的最小直径为 12材料为 1 1 阀杆轴向力计算 阀杆轴向力 (其中 阀杆轴向力 (N) 密封力 (N) 介质力 (N) 密封力 (由设计 结构初定 阀座密封面平均直径 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 阀座密封面宽度 又 密封必需比压 (p 为储气压力 ) 所以 F 介质力 4 (即 以 阀杆 的最大轴向力 5651507 阀杆力矩计算 阀杆力矩 (其中 阀杆力矩 ( ) 关闭时阀杆螺纹摩擦力矩 ( ) 关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩 ( ) 关闭时阀杆螺纹摩擦力矩 (由结构初定 关闭时阀杆螺纹的摩擦半径 0 所以 L 2 0 7 2 0102 0 7 2 关闭时阀杆头部与阀瓣接触面的摩擦力矩 3 (由结构知， 阀杆头部球面半径 5买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 由阀杆材料知， 阀杆材料弹性模数 10210 所以 3 310210 152 0 7 222 0 7 182故截止阀力矩 2 0 9 0 21 8 22 0 7 2 0 3 阀杆强度校核 由 阀杆材料为 1得 许用 拉伸应力 许用扭转应力 许用合成应力 阀杆所受拉伸应力 (即 22 M P 7 22阀杆所受 扭转应力 (即 32.0 M P 0902 3阀杆所受 合力应力 22 4 (即 22 4 M P 2故满足条件。 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 4 3 瓶口阀 设计 瓶 口 阀是连接储气瓶和高压管的部件，它由进气口、出气口、手轮、安全装置组成。 瓶 口 阀的作用是在必要时关闭储气瓶与高压管间的通道。 安全装置为爆破片易熔塞组合式。当遇到意外时，高温将易熔合金熔化，高压将爆破片爆破，使气瓶内的高压天然气泄放，以保护气瓶。 由 瓶用易熔合金塞知， 易熔合金熔化温度为 ，爆破片公称爆破压力为水压试验压力差为 %5 。天然气为可燃气体，按国 家标准螺纹为左旋。 图 气瓶阀 4 3 1 结构 设计 设计的气瓶阀结构如图 示 。 1 阀体 2 安全阀 3 阀芯 4 内阀帽 5 密封膜片 6 外阀帽 7 阀杆 8 手轮 图 气瓶阀 结构 A 端与气瓶相连接， B 端连接高压管。安全装置 2 为 爆破片易熔塞组合式 ，当达到买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 规定条件，爆破片爆破和易熔合金熔化，泄放天然气来达到保护储气瓶的信作用。在必要时也可以扭转手轮 8 截断气瓶与高压管的通路。阀芯上设置有密封垫，使其通路充分截止。同时在阀杆头部安在密封膜片， 防止天然气泄漏。 气瓶阀与 手动关闭 阀一样都是截止阀，不同之处是气瓶阀设计有安全装置用来保护气瓶。阀体在结构有也些不同，气瓶阀阀体进口与气瓶相接。所以阀杆设计与 手动关闭阀一样。 这里 主要设计了安全装置。 4 3 2 泄放直径校核 初步设计泄放直径为 。 达到安全泄放满足条件 其中 W 设计泄放量 ( ) 安全泄放量 ( ) 安全泄放量 s (式中 压力源进口管内径 0 介质密度 3/78.0 介质流速 13 所以 3 sW 设计泄放量 W (式中 额定泄放系数 气体特性系数 设计爆破面积 22 22 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 气体摩尔质量 16 气体压缩系 数 进气口温度 00 爆破压力 3 所以 W /1352满足条件。 4 4 充气阀 设计 充气阀 是安装在汽车上，与加气站售气机的加气枪连接后给车用气瓶充装 置的总称。它由进气接口、单向阀、防尘塞、输气接头组成。它的作用是在加气站储存的高压天然气充 装到储气瓶组时，可靠的接通高压充气气路；在充气结束后，能可靠的封闭充气口，防止天然气从充气口泄漏。 图 加气装置 充气阀 结构如图 示 。 1 防尘盖 2 加气口 3 单向阀 4 接头 5 密封圈 6 泄放塞 图 加气口 结构 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 当储气瓶需要加气时，首先拔出泄放塞放出泄漏的天然气，再打开防尘盖，把加气站里的加气枪接到加气口上充气。在 充气阀旁连接储气瓶的端安有压力表，用于查看气瓶天然气是否不足或是否充气好。 为了保证不同加气站之间加气插头的通用性，对加气口的接口形 状和尺寸国家作了统一规定。根据 245缩天然气汽车专用装置和安装要求的规定，天然气装置就设置单向阀或截止阀，加气接头采用直径为 12插销式结构，并设置能密封系统压力的防尘塞，防止气体泄漏，在取出防尘塞前，就能泄压。 4 5 其它部件选用 高压管线采用不锈钢无缝钢管或其它车用高压天然气专用管线。 根 据目前国内使用的情况选用 8 的 1锈钢无缝钢管。 高压管接头根据国家规定要用选用符合 套式管接头技术条件 的卡套式管接头，它由接头体、卡套和压紧螺母组 成。 选用的压力表量程应储气系统公称工作压力的 倍，其性能应符合 C/有关规定。 各种传感器等按国家相关规定外购选用 。 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 5 供给系统设计 供给系统 包括： 加温器、过滤器、 燃气压力调节 器、流量控制器、喷射器等 。 本设计主要设计了加温器和燃气压力调节器，对过滤器、流量控制器、喷射器及相关传感器直接选用。 5 1 燃气压力调节器 设计 由天然气的物化特性知，在气态下天然气的体积能量密度很低。为了提高天然气汽车的一次充气的行驶里程， 车用天然气压缩到 20存到高压气瓶中。而发动机在工作时，却要求天然气压力降到 1右 进入喷射器中。因此天然气供给系统中必须要有 燃气压力调节 器。 图 燃气压力调节器 燃气压力调节器实质是一种减压器，它的作用是减压和稳压。既要把高压降到一定数值，又要使输出压力稳定到一定范围。 5 1 1 结构设计 设计的燃气压力调节器结构如图 示。 买文档 就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 1 阀体 2 阀帽 3 密封膜片 4 调节弹簧 5 阀盖 6 调