CNG汽油两用燃料汽车的结构原理与检修解析.docx

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CNG汽油两用燃料汽车的结构原理与检修解析

摘要

本文就CNG—汽油两用燃料汽车作一下介绍。

CNG—汽油两用燃料汽车，就是将原来的燃料供给系统保留不变，增加一套“车用压缩天然气装置”。

改装后的汽车油气两种燃料转换非常方便，既可使用原来的汽油工作，也可使用天然气工作，但不能同时使用。

“车用压缩天然气装置”由天然气储气系统、天然气供给系统、油气燃料转换系统3个系统组成。

包括天然气储气瓶，油气燃料转换开关等关键部分。

本文更侧重结构原理及改装技术，也希望涉及这方面的车主能从中得到一点帮助。

我想当我们看到新技术在给我们带来效益的同时，希望也能提高我们的环保意识，缓解现在所面对的能源问题。

关键词：

两用燃料汽车,CNG—汽油两用燃料汽车,天然气储气瓶,油气燃料转换开关

Abstract

Inthispaper,theCNG-gasolinedualfuelvehiclesintroduce.CNG-gasolinedualfuelvehicles,thefuelsupplysystemoftheoriginalunchanged,addeda"compressednaturalgasforvehicledevice".Themodifiedcarsoilgastwofuelconversionisveryconvenient,canusetheoriginalworkofthegasoline,alsocanusenaturalgas,butnotsimultaneously."Compressednaturalgasvehicledevice"bythenaturalgassupplyofnaturalgasstoragesystem,system,oilandgasfuelconversionsystemconsistingof3systems.Thekey partincludesnaturalgascylinder,theoilgas fuel switch etc.

Thispaperfocusesonthestructureprincipleandmodificationtechnology,alsohopethattheownerscangetalittlehelpfrom.Ithinkwhenweseenewtechnologytobringusbenefitsatthesametime,alsohopetoincreaseourawarenessofenvironmentalprotection,toeasetheenergyproblemnowfacing.

Keywords：

Gasvehicles,Gasoline/CNGdualfuelvehicles,Naturalgascylinder,Theoilgasfuelswitch

目录

前　言1

1压缩天然气汽车概述2

1.1燃料汽车的分类3

1.2CNGV的发展状况3

2CNG—汽油两用燃料汽车系统结构及原理4

2.1燃气发动机供给系统的类型4

2.2CNG供气专用部件结构及原理4

2.2.1减压调节器4

2.2.2文丘里管结构混合器6

2.2.3比例调节式混合器6

2.2.4手动截止阀7

2.3CNG—汽油两用燃料汽车工作系统原理8

2.4电控CNG喷射系统10

2.4.1电控喷气形式10

2.4.2电控CNG喷射系统的组成及工作原理11

3CNG—汽油两用燃料汽车的安全使用16

4CNG—汽油两用燃料汽车的维护及修理17

4.1CNG汽车常见故障原因及排除17

4.2车辆及部件维护保养20

4.3汽油/天然气两用燃料汽车维护的内容21

结论22

致谢23

参考文献24

前言

压缩天然气（CNG）是一种环保的燃料，拥有极大的发展空间。

对于燃烧时所产生的二氧化碳（CO2），CNG比汽油少25%。

另外，CNG在减少未经处理的排放物方面也拥有极大的发展空间。

它产生的废气没有臭味，也不含有颗粒物。

用CNG作为燃料，还有一个好处：

它无需添加剂，其产物也不需复杂的精炼过程。

另一个好处是，CNG车辆不会对世界贫乏的石油资源造成任何负担。

甲烷，是CNG的主要成分，可通过有机物质获得。

这就结束了CO2循环，同时更进一步的地提高了长期可用性。

燃气汽车的CO排放量比汽油车减少90%以上，碳氢化合物排放减少70%以上，氮氧化合物排放减少35%以上，是目前较为实用的低排放汽车目前，燃气仍然是世界汽车代用燃料的主流，在我国代用燃料汽车中占到90％左右。

以燃气替代燃油将是中国乃至世界汽车发展的必然趋势。

CNG拥有非常高的抗爆震性能（130ROZ，相比之下汽油只达到91至100ROZ之间）。

这表示CNG发动机拥有更广阔的优化潜能。

这尤其适合增压，在实现小型化概念的同时，大幅提高效率。

多年来，CNG车辆的好处已得到了充分的证明。

在中国天然气汽车的发展中，政府各部门协同配合，切实保证政策的连续性和一致性。

为缓解日益严重的环境污染和快速发展的汽车工业之间的矛盾，1999年12月7日，科技部、原国家环保总局牵头，会同国家有关部委联合印发《关于实施“空气化工程清洁汽车行动”的若干意见》，决定在占汽车保有量10%，占总行使里程40%－50%的公共汽车和出租车行业中推广天然气等清洁汽车，并确定了北京、上海、天津、重庆等19个清洁汽车重点推广应用城市。

《意见》的发布从国家层面确立了政府主导的方向，开启了中国清洁燃料汽车研发与应用的崭新历程。

随后，国家又相继颁布实施了一批鼓励天然气汽车发展的专项规划与政策文件，如《能源发展“十一五”规划》和《天然气利用政策》等，为天然气汽车的发展提供了强有力的组织保障和政策保障。

我国在天然气汽车方面一直可以说，中国的天然气汽车走出了一条政府主导、科技支撑、示范先行、产业提升跟进的发展道路，其中的经验值得我们认真总结，并加以推广。

目前各国天然加气站基本上没有形成网络，所以，压缩天然气汽车大部分是在汽油机或者柴油机的基础上改造的两用燃料汽车。

目前广泛使用的就是CNG—汽油两用燃料汽车。

鉴于我国CNG—汽油两用燃料汽车研究资料还未丰富，天然气汽油两用燃料汽车的改装还有诸多未完善之处，本文根据最新法规政策，结合典型实用改装技术，对CNG—汽油两用燃料汽车的结构原理，改装，使用以及维护等方面进行研究性论述，可以作为新接触CNG—汽油两用燃料汽车人群的学习资料，也希望涉及这方面的车主能从中得到一点帮助。

我想当我们看到新技术在给我们带来效益的同时，希望也能提高我们的环保意识，缓解现在所面对的能源问题。

1.压缩天然气汽车概述

1.1燃料汽车的分类

根据其使用燃料不同、燃料的使用形态不同和使用方法不同，燃气汽车可按图1.1所示分类。

图1.1燃料汽车的分类

Fig.1.1Fuelvehicletypes

其中，CNG——压缩天然气的英语单词CompressedNaturalGas的缩写。

压缩天然气一般指经多级加压到20MPa左右，可供车辆发动机作为燃料使用的气态天然气（甲烷为主要成分）。

CNGV——压缩天然气汽车的英语单词CompressedNaturalGasVehicles的缩写。

压缩天然气汽车是指以经多级加压压缩到20MPa左右并储存在车载高压气瓶中的气态天然气作为燃料的汽车。

单燃料燃气汽车——仅使用CNG或LPG（LiquefiedPetrelGas的缩写）中的一种作为发动机的燃料，不再使用其他燃油或代用燃料的汽车。

此类车辆的发动机在燃料供给系统、工作循环参数、配气机构参数等方面一般都针对CNG或LPG的物化特性进行了专门设计，因此燃料热效率较高、经济性好。

两用燃料汽车一般是指具有两套燃料供应系统（其一为使用CNG或LPG），使用中可以在两种燃料之间进行灵活切换的一类车辆。

此类车辆在燃用汽油时，不能同时使用CNG或LPG作为发动机的燃料；反之，燃用CNG或LPG时，也不能混烧汽油。

此类汽车同单一燃料汽车相比，由于要兼顾两种燃料的物化特性，发动机结构参数几乎不做改造，因此燃烧热效率不高、经济性较差。

双燃料燃气汽车是指燃用CNG（或LPG）与柴油混合燃料的汽车。

此类车辆燃用CNG（或LPG）为主燃料，柴油起引燃作用。

此类发动机结构参数也几乎不做改动，可以在单纯燃烧柴油和CNG与柴油同时混烧两种工况灵活切换。

但是由于高负荷时柴油消耗量较大，目前这种方式的CNG汽车的推广受到限制。

值得指出的是，两用燃料汽车和混合动力汽车不同，混合动力汽车是指装有内燃机与电动机两种动力的汽车，这是大家容易混淆的地方。

还有就是两用燃料汽车与双燃料汽车也有本质区别，通过上面的论述，相信大家就能区别。

1.2CNGV的发展状况

1988年我国分别从新西兰、澳大利亚、加拿大等国家引进了CNG加气站的全套设施、改装汽车部件及高压气瓶。

分别建站于南充、大庆等地。

同时进行了加气站设施及汽车改装部件的国产化工作。

07年底，全国已有30个省市自治区的80多个城市推广天然气汽车。

其中16个重点推广城市（地区）共发展天然气汽车26.5万辆，建成天然气气站555座，像气源附近的的四川、重庆、乌鲁木齐、西安和兰州等地更是发展迅速。

总之，中国天然气汽车产业发展取得的阶段性成果包括：

1.政府主为天然气汽车发展提供组织和政策保障；2.科技创新为天然气汽车发展提供强劲发展动力；3.示范辐射全国，天然气汽车推广工作获得广泛认可；4.天然气汽车及相关产业对经济的拉动作用开始显现。

天然气发动机已经历了三代技术发展，第一代产品是机械式，第二代属于简单闭环控制，第三代采用电控喷射CNG技术。

目前，国外CNG发动机已在广泛应用第三代技术，比第三代技术更先进的CNG缸内直喷技术也已得到小批使用，其动力性、经济性和排放俱佳。

CNGV技术比较成熟，天然气与汽油相比具有明显的价格优势,使用安全，操作方便，易于产业化，市场前景看好。

2.CNGV两用燃料汽车系统结构及原理

2.1燃气发动机供给系统的类型

两用燃油发动机供气系统，主要可分为混合器供给式和燃气喷射式两类。

混合器供给系统的供气量可采用机械控制式，也可用电控方式，而燃气喷射系统的供气量只能采用电控方式。

其中，机械控制燃气供给系统均属于开环控制系统，但开环控制系统的供气量也可以采用电控方式。

带氧传感器的闭环控制系统自然采用电控方式，与采用闭环控制系统的电控汽油喷射系统类似，ECU根据氧传感器的反馈信号修正供气量控制信号，来实现对空燃比的闭环控制。

目前，电控燃气供给系统一般都采用闭环控制方式。

2.2CNG供气专用部件结构及原理

2.2.1减压调节器

由于气瓶内的CNG压力随着燃料的消耗不断变化，因此要想保持稳定的天然气与空气的混合比例，需安装减压调节器。

减压调节器可以保证在气瓶内的压力发生变化时进入混合器的天然气压力基本恒定。

减压调节器将气瓶内CNG的压力由20MPa降至常压一般要经过三级减压。

CYTZ-100型三级减压调节器的结构。

图2.1CTYZ-100型三级减压调节器结构

Fig.2.1ThestructureofCTYZ-100typethree level pressurereducingregulator

减压调节器工作原理：

当发动机不工作或不燃用CNG，即没有CNG进入减压调节器时，一级阀口、二级阀口处于常开状态，而三级阀口处于常闭状态。

当发动机工作时，CNG经进气口进入减压调节器，并通过一级阀芯和密封片之间的一级阀口进入减压调节器A腔，进行一级减压，压力由20MPa降至0.8MPa左右。

若压力超过0.8MPa，则一级膜片在CNG的压力作用下克服主弹簧的预压力而向上弯曲，并带动一级阀芯向上将一级阀口关闭。

A腔内的CNG经二级阀口进入B腔，进行二级减压，压力降至0.02kPa。

随着CNG进入B腔，A腔内的压力逐渐降低，若压力低于0.8MPa，则一级膜片在主弹簧预压力的作用下向下弯曲，并带动一级阀芯向下使一级阀口开启。

进入B腔的CNG经三级阀口进入C腔，进行三级减压，压力降至3.0MPa，然后经步进电机伺服阀进入混合器。

若B腔内的CNG压力超过0.02MPa，则CNG压力经通气孔作用到二级膜片，使其向上压缩二级弹簧，同时压迫二级顶杆将二级阀口关闭。

若由于B腔内的CNG不断流入C腔而使B腔内的压力下降至0.02MPa以下时，则二级膜片在二级弹簧的作用下放松二级顶杆及二级阀片将二级阀口开启。

减压调节器上装有一级调压螺栓和三级调压螺栓，分别用来调节一级减压压力和三级减压压力。

CNG流过减压调节器时，压力大幅度降低，温度也随之急剧下降，CNG中的水分可能结冰，造成阀口和管道堵塞。

因此，减压调节器设有加热用循环水套，利用发动机的冷却液对CNG加热，以防止其减压后温度降至冰点以下。

2.2.2文丘里管结构混合器

混合器是将经过减压，从减压器输送过来的天然气与新鲜空气混合的装置。

混合后的CNG/空气混合气被送入发动机燃烧室。

混合器的基本结构为文丘里管。

混合器的结构与形式应与所使用的减压阀相匹配，由于三级减压阀出口压力为负压，为了与此减压调节阀相匹配，混合器应该设计为文丘里管结构。

该混合器由壳体和芯子两部分组成，芯子喉径最小处均匀分布一圈小孔，壳体上有天然气进气道，其结构如图2-2所示。

这种混合器一方面要使喉管处产生真空度来调节减压调节阀的天然气流量，另一方面又要将天然气与空气均匀混合。

该混合器结构虽然简单，但其设计参数直接影响发动机的性能，混合器喉管直径过大，真空度小，不灵敏；过大，吸入空气量少，影响空燃比，使发动机功率下降。

通过小孔总截面积应与天然气进气道截面积相匹配。

图2.2文丘里管式混合器

Fig.2.2Venturi pipetypemixer

2.2.3比例调节式混合器

减压器输出压力为正值时，需要使用比例调节混合器。

比例调节式混合器的工作原理是利用进气管真空度同时控制空气和天然气通道的通过面积，以控制混合气的空燃比。

图2.3CTYZ-100型比例调节式混合器

Fig2.3CTYZ-100type proportional mixer

混合器安装在化油器的进气口上。

混合器的C腔经化油器与进气歧管连通，A腔与发动机的空气滤清器相连，D腔则通天然气低压通道，膜片室B通过气孔与C腔相通。

当发动机工作时，进气管真空度传至C腔，并通过气孔传入膜片室B，使膜片室产生真空。

由于A腔接近于大气压力，因此膜片在A腔与膜片室的压力差作用下，克服膜片自身的重力和弹簧的弹簧力向上弯曲，打开天然气阀口和空气入口，使天然气和空气进入C腔并在其中混合后进入发动机。

在发动机工作期间，膜片将随着进气管真空度的变化而上下运动，天然气阀口和空气入口的开度也就随之变化。

当发动机停机时，A腔、C腔和膜片室B均为大气压力，膜片在其自身的重力和弹簧力的共同作用下，向下弯曲并将天然气阀口和空气入口关闭。

2.2.4手动截止阀

我国汽车行业标准QC/T245-1998规定天然气汽车应安装手动截止阀，当CNGV在充气、修理或入库停车时，用其截断气瓶到减压调节器之间的CNG通路。

图2.4手动截止阀

Fig.2.4Manualglobevalve 

在截止阀阀体内装有柱阀，柱阀左端面嵌有密封垫，弹簧的预压力作用在柱阀的右端，保持柱阀常开，CNG从气瓶经柱阀流出截止阀。

当转动手轮时，心轴向左压迫膜片并推动柱阀左移压在阀座上，使截止阀关闭。

膜片由薄钢片或黄铜片制造，其作用是防止CNG通过心轴向外泄漏。

在心轴上接一个加长轴，目的是为了把手轮装入驾驶室，以便驾驶人能在驾驶室内操纵截止阀的开闭。

2.3CNG—汽油两用燃油汽车系统工作原理

所谓CNG—汽油两用燃料汽车，就是将原来的燃料供给系统保留不变，增加一套“车用压缩天然气装置”。

改装后的汽车油气两种燃料转换非常方便，既可使用原来的汽油工作，也可以用天然气工作，但不能同时使用。

“车用压缩天然气装置”由天然气储气系统、天然气供给系统、油气燃料转换系统3个系统组成。

天然气储气系统主要由充气阀、高压截止阀、天然气储气瓶、高压管线、高压接头、压力传感器及气量显示器等组成；天然气供给系统主要由天然气滤清器、天然气高压电磁阀、减压调节阀、混合器等组成；油燃料转换系统主要由油气燃料转化开关、天然气电磁阀、油气电磁阀等组成。

目前，世界上正在使用的CNG汽车，有机械控制式、机电控制式、电控式（开环和闭环）三类。

机电控制式车用压缩天然气装置工作原理方块图如图2.5所示，图2.6为装车示例图。

充电站将压缩天然气通过充气阀充入储气瓶至20MPa。

当使用天然气作燃料时，手动截止阀打开，安装在驾驶室内的油气燃料转换开关扳到“气”的位置，此时天然气电磁阀打开，汽油电磁阀关闭，储气瓶内的20MPa高压天然气通过高压管路进入减压调节器减压，再通过低压管路、动力阀，进入混合器，并与经空气滤清器进入的空气混合，进入发动机汽缸燃烧。

减压调节器与混合器相匹配，根据发动机的各种不同工况产生不同的真空度，自动调节减压调节器的供气量，并与天然气与空气均匀混合，满足发动机不同工况的使用要求。

图2.5CNG—汽油两用燃料汽车工作原理方块图

Fig.2.5CNG gasoline dualfuel vehicle work principle blockdiagram

图2.6CNG—汽油两用燃料汽车装车示例图

Fig.2.6CNG gasoline dualfuel vehicle loading diagram

当使用汽油作燃料时，将油气转换开关扳到“油”的位置，此时天然气电磁阀关闭，汽油电磁阀打开，汽油通过汽油电磁阀喷油轨道，经喷油器喷入汽缸燃烧。

有的CNG汽车用晶体管电动油泵代替汽油电磁阀，其性能基本相同。

由于燃气与汽油的性质不同，在同一工况下要求的最佳点火提前角也不同，为保证燃用汽油和燃用天然气时，均能获得最佳点火提前角，所以两用燃料汽车的点火系统加装了点火时间转换器。

CNG—汽油两用燃料改装汽车系统布置示意图见图2.7。

图2.7CNG—汽油两用燃料改装汽车系统布置示例图

Fig.2.7CNG-gasoline dualfuel vehicle modification systemlayout diagram

1-天然气储气瓶；2-高压截止阀；3-压力表；4-天然气高压电磁阀；5-三级减压阀；6-压力传感器；7-混合器；8-空气滤清器；9-喷油器；10-气量显示器；11-汽油电磁阀；12-汽油泵；13-分电器；14-点火线圈；15-点火正时转换器；16-油气转换开关；17-充气阀

2.4电控CNG喷射系统

2.4.1电控喷气形式

目前气体燃料供给形式有两类：

缸外供气方式和缸内供气方式。

缸外喷射式指将气体燃料喷射到进气门之前的进气道或进气管中。

缸外喷射的气体燃料发动机一般采用多点喷射，将喷气阀布置在各缸进气道进气门附近，燃气射束指向气门。

缸内喷射是指将气体燃料直接喷射到气缸内，喷气阀装在汽缸盖上。

前者主要包括进气道混合器预混合供气和缸外进气阀处喷射供气；后者主要包括缸内高压喷射供气和低压喷射供气。

缸外进气阀处喷射是一种较进气道混合器预混合供气方式更进一步的供气方式，该供气方法是将气体喷射器布置在各缸进气道进气阀处，可实现对每一缸的定时定量供气，通常称之为电控多点气体喷射系统。

低压喷射主要用在压缩比较低的点燃式气体燃料发动机上；高压喷射主要用在压缩比较高和压缩终点喷射的气体燃料发动机上。

当代车用发动机已经普及使用电控喷射技术，不断完善发动机的工作过程，实现更佳的动力性、经济性以及低排放性能。

电控喷气技术是气体燃料发动机先进的燃料供给形式，我国在几年前成功研发出样车，现在正蓬勃发展。

图2.8是美国福特公司的CNG—汽油电控两用燃料发动机改装系统。

图2.8CNG—汽油电喷两用燃料发动机改装系统

Fig.2.8CNG- gasoline dualfuelelectronic engine system

2.4.2电控喷气系统的组成及工作原理

从功能上看，电控喷气系统由空气供给系统、燃气供给系统和控制系统等三大部分组成。

空气供给系统主要包括空气滤清器、进气管和进气歧管等。

这些部件与一般发动机的空气供给系统基本相同；燃气供给系统主要包括储气瓶、燃气过滤器、调压器、喷气阀和输气管线等；控制系统主要包括传感器、电控单元和执行元件。

在发动机运行过程中，空气自空气滤清器吸入后，经进气管、节流阀体、进气门，进入气缸。

气体燃料从储气瓶输出后，经燃气过滤器滤去杂质，再经减压阀将至所要求的压力，最后电控系统中的电控单元根据各种传感器随时传来的信息，经分析处理、计算出与发动机运行工况相对应的最佳供气量，并向燃气供给系统中的喷气阀发出控制指令，图2.9为天然气电控缸内喷射系统示意图。

为了使发动机能够以高效率、低排放状态工作，在发动机上装置若干个传感器用以检测与发动机运转有关的参量，并将检测到的信息输至控制系统中的ECU，ECU对之进行计算处理并对相关执行机构实施机制，能够保证供气量随工况（既随转速、负荷、冷却水温度、进气温度等）参数的变化始终保持最佳。

图2.9天然气电控缸内喷射系统示意图

Fig.2.9Electronicallycontrolledgas cylinderinjection systemschematic

1-CNG储气瓶（20MPa）；2-阀门；3-接头；4-充气手动阀门；5-充气阀；6-电磁阀；7-管线；

8-调压器；9-控制系统；10-喷气阀；11-发动机；12-节气门

曲轴位置传感器位于发动机前端的皮带上，每循环产生12个信号，这些信号是ECU控制发动机点火和喷气的基准；空气流量传感器用来检测进入气缸的进气量，空气流量这个信息是电控单元ECU计算和控制基本喷气持续时间亦即基本喷气量的主要依据；进气压力传感器用于测量发动机进气管的绝对压力，它与由曲轴位置传感器计算出的转速一起简介测量发动机的进气量大小，作为控制发动机点火提前角和天然气喷射量的主要依据；节气门位置传感器用来测量节气门的位置，指示发动机的怠速、满负荷以及加、减速工况，使ECU能根据不同情况分别按照不同的模式控制发动机的点火提前角和混合器的浓度。

电控喷气式发动机的喷气阀是一个由电磁阀直接控制的将气体燃料喷至既定空间的供气部件。

其电磁阀接受电控单元的指令进行动作。

如同喷油器是电控汽油喷射式汽油机和柴油机的关键部位，喷气阀是电控喷气式发动机喷气系统中的关键部位，其性能的优劣对于发动机的性能至关重要。

近些年来，人们对喷气阀进行了广泛的研究，其中研制开发出的典型气体燃料喷射器有两种，其一是低压喷射器，其二是高压喷射器。

前者结构比较简单，类似于汽油喷射器；后者结构比较复杂，类似于柴油喷射器。

由于气体燃料的能量密度小，气体喷射器与汽油和柴油喷射器的最大差别是其需要较大的流通截面，以保证大的气体流量通过；另外阀体的润滑和密封是对气体阀的主要要求之一，它不同于燃油的液体燃料阀体。

HSV电控气体燃料喷射阀工作原理及安装布置如图2.10所示，当电磁阀8断电时，球阀4在进气口和出气口处气体压差的作用下向右