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1、天然气汽车供气系统减压装置设计摘要 天然气汽车减压装置是天然气的汽车的一个重要部件，它的质量好坏与车的性能有很大的关系，它在天然气汽车中主要起减压和稳压的作用。因此，通过利用减压装置，可以把2-20MPa的压缩天然气压力降到1-2.5kPa进入混合器，以便与空气混合进入汽缸，由于高压气瓶中的CNG气体压力随着燃料充装和使用不断变化，要保持较稳定的空燃比控制，还要求无论瓶内压力如何变化，减压调节器也应保证进入混合器的燃气压力基本恒定，以此实现比较稳定的燃气与空气混合比控制。从而实现减压和稳压的作用。 本次毕业设计在原有减压产品的基础上，对其结构布局及形状进行了修改，并对输入发动机过程中的天然气压
2、力的变化值进行了精确的设计，主要是对一级减压阀的缝隙减压和二级减压阀的缝隙减压，以及三级减压阀利用真空度进行减压进行计算，使其能够满足减压至预期的要求。而且对各主要受载荷的零部件进行了强度校核，使选择的材料满足强度要求。预计本次设计出来的减压装置具有结构简单，外行美观，精度高的特点，可提高同类产品的质量，可以满足广大用户的需求。 关键词 天然气汽车；减压装置；减压阀 目录摘要I目录II第1章 绪 论11.1 天然气汽车减压装置的用途和功能11.2 天然气汽车减压装置在我国的发展概况11.3 天然气汽车减压装置设计的目的和意义21.4 设计参数规范21.4.1 符合标准31.4.2 设计思路31
3、.4.3 设计方案3第2章 设计方案的研究与选择42.1 减压调节器的分类42.2 方案选择4第3章 总体方案设计53.1 一级减压阀的设计53.1.1 一级减压阀的工作原理53.1.2 一级减压阀阀室的设计53.1.3 一级减压阀杠杆、弹簧与阀口的设计63.2 二级减压阀的设计133.2.1 二级减压阀的工作原理133.2.2 二级减压阀阀室及盖板、杠杆、上档板的设计133.2.3 二级减压阀弹簧的设计143.3 三级减压阀的设计163.3.1 三级减压阀的工作原理及盖板、杠杆等的设计163.3.2 三级减压阀调节弹簧的设计173.3.3 三级减压阀膜片的设计与校核193.4 怠速阀的设计2
4、13.4.1 怠速阀的工作原理213.4.2 怠速阀阀室及阀体的设计213.4.3 怠速阀芯及怠速阀弹簧的设计223.5 其他重要零部件的设计233.5.1 高压电磁阀阀芯、弹簧的设计233.5.2 安全阀及其弹簧的设计243.5.3 进气接头的设计25总结27参考文献28致 谢29第1章 绪 论1.1 天然气汽车减压装置的用途和功能以天然气作为燃料的汽车叫做天然气汽车。为了提高天然气汽车一次冲气行使的里程，车用天然气一般是压缩在20MPa存储在高压汽缸里，但发动机工作时，却要求燃气压力降到1-2.5kPa进入混合器，以便与空气混合进入汽缸，而且由于高压气瓶中的CNG气体压力随着燃料充装和使用
5、不断变化，要保持较稳定的空燃比控制，还要求无论瓶内压力如何变化，减压调节器也应保证进入混合器的燃气压力基本恒定，以此实现比较稳定的燃气与空气混合比控制。因此在燃气供给系统中必须要有减压调节器。天然气汽车的核心和关键部件就是减压调节器，在CNG汽车上，减压调节器的作用主要是起减压和稳压的作用，它的性能好坏，将会直接影响到天然气汽车的性能。1.2 天然气汽车减压装置在我国的发展概况天然气汽车减压装置是随着天然气汽车的产生而产生的，同时，也随着天然气汽车的发展而发展。早在1958年，四川就曾研制过天然气汽车，但是由于当时科技的发展，有一些技术问题不能解决，以及当时油价较低，而未能得到发展。1986年
6、，四川石油管理局南充机械厂组织人员再次着手该技术的研究工作。1988年，中国石油天然气总公司从新西兰引进压缩天然气充气站装置（其中就包括了减压装置），在南充建立起了全国第一座压缩天然气充气站。南充机械厂用进口配件改装了全国首批50辆压缩天然气汽车，并结合自己的经验，根据国情，借鉴国外的先进技术，实现了天然气汽车减压装置及其他车用燃气装置的全部国产化。该装置在1991年通过技术鉴定，1993年通过部级验收，样车经测试，性能达到国外同类产品水平。目前，国内特别是四川、重庆等天然气供气减压系统生产企业已形成国产上万套的天然气汽车减压装置的产业规模，它们生产的产品成为国内各大汽车厂燃气汽车改装车用减压
7、器的指定产品。近些年又有四川彭州兴威、重庆恩洁威、四川宜宾海家、成飞公司等CNG技术开发公司的减压调节器产品不断推出。 1.3 天然气汽车减压装置设计的目的和意义从20世纪70年代开始，国际上燃气汽车技术逐渐进入较快的发展时期。在当今社会，天然气与柴油的热值相当，但价格仅为柴油的三分之二左右，而且天然气汽车对大气的污染小，可以大大改善环境污染和能源紧缺的问题，因此，天然气汽车以其排放清洁、技术成熟、资源丰富等特点在世界范围内已得到广泛应用。虽然天然气汽车在在近几年来，在我国发展的很快，但是那只是相对的。预计到2010年的时候，我国民用机动车保有量将增加到4900万辆，而天然气汽车却只达到100
8、万辆。如果以1000立方米天然气相对于1吨石油来计算，世界上天然气的储量和石油的储量是在同一数量级的。天然气汽车以其减轻环境污染、缓解石油资源的优点得到了快速发展，但是我国的天然气汽车在2010年只能达到100万辆，而与世界水平相比还有非常大的差别。这主要是由于天然气汽车在发展过程中会遇到很多困难。据统计，建设一座天然气汽车加气站一次性投资大约需要200-300万元，保证一座中等加气站有一定的效益，至少需要有100辆天然气汽车，而改装一部汽车需要投资约100万元。如此昂贵的投资，会让那些车主对汽车的改装望而却步。因此，我们必须对压缩天然气装置（包括减压装置）的制造和改装成本进行一次大的调整，对
9、其性能进行改进，另一方面，在我国市场上销售的天然气减压装置一半是国产的，一半是进口的。国产减压调节器在国内的竞争力是有限的，在国际上更是有限。把国产产品打到国际市场上去就需要对现有产品的性能、外观、体积、质量、成本等关键问题进行改进和调整。 天然气的减压装置是天然气发动机供气系统中的关键部件，它需要根据发动机的不同工况改变供给混合器的低压天然气量从而使混合器配制不同空燃比的混合气，以满足发动机的不同工况的要求。由于发动机所需要的天然气的压力很低（通常控制在0-0.178MPa），要将20MPa的天然气压力降到如此低的气压是很难的，同时需要将气压稳定在所要求的范围内，从而达到由减压器出口流出的低
10、压气量，仅由混合器喉管真空度所决定，保证调节可靠使发动机工况稳定，节约燃气，改善排放的目的。 1.4 设计参数规范减压阀进口额定压力为20MPa，进气接头强度试验压力为27.5MPa，当进气压力为2-20MPa时，进行一级减压后，压力变化为0.5MPa，变化许可值为0.05MPa，进行二级减压后，压力变化为0.2-0.3MPa，其变化许可值为0.02MPa，之后进行三级减压，而其阀口的开启程度由发动机工作时的真空度的大小自动调节，但是可以调节初始开度。突然输出放气时，最大流量可达40/h，当气瓶压力小于2MPa时，仍能对发动机正常供气。1.4.1 符合标准减压调节器各部分应符合标准QC/T24
11、5-1998的有关规定。 1.4.2 设计思路根据国内外文献资料，了解有关天然气汽车供气系统减压装置的基本情况。设计一种符合上述规范的减压装置，其中包括方案设计及工作原理的分析，总体结构设计以及重要零件的强度校核。 1.4.3 设计方案根据已有国家标准和要求，一级减压阀的输入压力为2-20MPa，而要求供给发动机的压力为负压，压力降低非常大，一级或者二级减压都不能一下就减压到规定的要求，而且减压器主要是起减压和稳压的作用，在减压过程中要吸收大量的热量，如果只采用一级或者二级减压装置，会因温度降低太多而无法达到要求，因此只能采用三级减压，才可以将输入压力降低到规定的要求。由于在减压过程中要吸收大
12、量的热量，减压器上一般都设有将发动机循环水引人减压器的水套，利用发动机循环冷却水的热量加热减压器。 第2章 设计方案的研究与选择2.1 减压调节器的分类减压阀按其结构主要分为弹簧活塞式减压阀、弹簧膜片式减压阀、气腔控制活塞式减压阀和气腔控制膜片式减压阀；按多级减压室的组装方式可分为正压进气减压阀和负压进气减压阀；按减压方式可分为杠杆式减压阀和正负式弹簧减压阀；按是否用电动控制可分为机电控制式减压阀和机械控制式减压阀。2.2 方案选择根据以上分析，采用三级减压，本方案拟采用三级减压，高压截止，负压进气，一、二、三级减压方式都是采用杠杆减压，机动起动，组合式。 本方案的工作原理方框图如下： 此方案
13、的优点是容易控制，精度高，起动容易，安全。其缺点是铸造难度大，体积大，零部件多，费用较高。选择该方案可使减压阀操作简单方便，而且，这种方案更加安全。但是在设计中，应该尽量降低铸造的难度，减少零部件的数量。第3章 总体方案设计3.1 一级减压阀的设计3.1.1 一级减压阀的工作原理一级减压阀为常开式减压阀，主要由阀座、阀芯、杠杆、膜片、弹簧、减压室等部分组成。该减压阀在未通入气体时，阀芯与阀口保持一定的间隙，通入高压气体时，随着阀室压力的升高，气体作用在膜片下方并克服膜片上方弹簧的压力使膜片及其芯子产生向上的动作，从而带动杠杆转动，使阀口关闭。当减压室的气体向二级减压阀输出后，压力降低，膜片及其
14、芯子下移，阀口打开，使高压气体再次进入一级阀室，如此反复，使减压阀在保证流量的基础上，出口压力稳定在一定的范围内。该减压阀的压力弹簧为不可调节式弹簧，如果要调节出口压力和流量，可调节杠杆上的调节螺钉或更换压力弹簧。3.1.2 一级减压阀阀室的设计为了密封的严密性，阀室的壁厚初选5mm，由于初始气体压强在2-20MPa之间变化，气体对阀芯的冲击力在几十牛顿至几百牛顿之间变化，因此，阀室的内径不能取得太小，但是也没有必要取得太大，参考现有减压阀，初选64mm。阀室的容积与阀室的高度有关，容积的大小，与气体变化快慢程度相关，因此，也要取得适当，再参照已有减压阀，初选27mm。 因为壳体及盖板的实验应
15、力为0.80.1MPa，因此，对一级阀室的强度进行如下校核： （3-1）式中，=5mm，=64mm，=27mm则=32N/m2=3.2N/mm2 =63.7 N/mm2所以，阀室的强度满足要求。 3.1.3 一级减压阀杠杆、弹簧与阀口的设计在设计阀口时，阀口不能取得太大，但也不能太小。阀口太大，流量难以控制，阀口太小，气体压强受到影响，因此，在参考了现有减压阀的设计之后，一级阀口的内径初选4.0mm，外径初选6.0mm，杠杆的长度初选36mm，高度初选9.5mm。阀芯的最大行程初选0.50.1mm，膜片到一级阀盖下壁的距离初选25mm，上压板直径初选40mm，厚度初选3mm，则弹簧初始压缩后的长度初选为22mm。 因为该阀的最大流量可达40/h，当气体初始压强为2-20MPa时，阀口的实际开度并不等于0.50.1mm，只有当气体压强小于1MPa时，阀口开度才能达到0.50.1mm，此时，一级阀室的压强不能保持在原定范围，但其流量可达40/h。天然气缝隙减压的压降与流量q的关系与其粘度有关，天然气粘度在不同压强状态下的值是不同的，下面对天然气在高压状况下的粘度进行计算（因为天然气的
