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1、CNG汽车的结构与原理曾祥熙（南充石油机械厂、四川华油NGV开发公司）压缩天然气、汽油两用燃料汽车（简称CNG汽车），是采用定型的汽油汽车改装，在保留原车供油系统的基础上，增加一套车用压缩天然气装置，可燃用压缩天然气，也可燃用汽油，油气两种燃料转换非常方便。车用压缩天然气装置由以下三个系统组成。1天然气储气系统：主要由充气阀、高压截止阀、天然气贮气瓶、高压管线、高压接头、压力传感器及气量显示器等组成。2天然气供给系统：主要由天然气滤清器、减压调节器、动力调节阀、混合器等组成。3油气燃料转换系统：主要由油气燃料转换开头、天然气电磁阀、汽油电磁阀等组成。一、车用压缩天然气装置工作原理目前，我国在用
2、的CNG汽车，有机械控制式和机电控制式两大类，NCNG型车用压缩天然气装置属于后者，为国内外使用最多，并较为先进的一种装置。现重点介绍该装置的结构原理，同时也介绍相关的其它类型装置。NCNG型车用压缩天然气装置工作原理方块图如下：该系统分天然气气路、汽油油路和控制电路三大部分。充气站将压缩天然气，通过充气阀充入贮气瓶至20MP。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电开关，汽油电磁阀关闭，贮气瓶内的20MPa高压天然气通过高压管路进入减压调节器减压。该减压调节器装置为三级组合式结构，可将不高于20MPa的压缩天然气逐级减压至负压，再通过低压管路、动力阀进入混合器，并
3、与经空气滤清器进入的空气混合，经化油器通道进入发动机气缸燃烧。混合器是一个根据文丘里管原理设计的部件，可将发动机进气道的真空度传递到减压调节器内，直接调节天然气的供给量。减压调节器与混凝合器相匹配，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，并使天然气与空气均匀混合，满足发动机不同工况的使用要求。动力阀是一个调节天然气管道截面积的装置，可调节混合气的空燃比，使空燃比达到最佳状态。油路中安装一个汽油电磁阀，其余部件均保留不变。当使用汽油作燃料时，司机将油气燃料转换开头扳到油的位置，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进入化油器、并吸入气缸燃烧。燃料转
4、换开关有三个位置，当拨到中位时，油、气电磁阀均关闭，该功能是专门用来由汽油转换到天然气时，烧完化油器油室里残存汽油而设置的，以免发生油气混烧现象。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。机械控制式系统与本系统相比，其区别在于未安装电磁阀及油气燃料转换开关，燃料转换时要操作手动截止阀，操作性能和安全性能均较差。目前，国外正在研制由微机控制的团环气路供给系统，其工作原理是，在发动机进排气管中安装温度、排放物成份、压力、流量等传感器，微机接受各传感器信号后，及时校正供气系统的流量、压力及供气和点火时间，从而达到最佳的动力性、经济性及最低的排放污染物。但该系统改装成本高、技术复杂
5、，目前我国尚未推广。除此之外，由于汽油和天然气燃点不同，汽油的燃点为427，天然气为650，天然气燃烧时火焰传播速度比汽油慢，因此天然气应比汽油点火时间提前，一般为12-17。目前我们正在研制一种点火线圈内，由燃料转换开关控制，能分别自动转换两种燃料的点火提前角。以上新技术是今后CNG汽车的发展方向。二、主要部件的结构和工作原理1充气阀充气装置有插销式和卡口式两种，我国标准已统一为孔径12的插销式充气阀，该阀设置手动截止阀与之串联，充气后将截止阀关闭。插销孔内的防尘塞有排气螺塞，截止阀一旦漏气，防尘塞可起到密封作用，如要拔出防尘塞，则可先打开排气螺塞泄压。2贮气瓶天然气贮气瓶有钢质瓶、铝合金轻
6、质瓶和由内胆加碳素纤维或玻璃丝增强纤维缠绕的复合材料瓶。我国目前主要使用钢质气瓶，该瓶生产成本较低，安全耐用，但容重比大，重量大。复合材料瓶最大的优点是容重比小、重量轻，但生产成本高，价格贵，该瓶是今后CNG汽车贮气瓶的发展方向。（1）天然气钢瓶目前，钢瓶由两种生产工艺制造，一种为无缝钢管两端收口，尾部一般为凸状，另一种是由钢坯直接冲压而成，尾部一般为凹状。标准规定，天然气钢瓶必须由经省级主管部门和国家劳动部锅炉压力容器安全监察局批准的钢瓶设计单位和制造单位设计和制造，质量符合GB5099标准。材料一般选用30CRMO高强度优质钢。车用钢瓶额定工作压力为20MPa，产品出厂时，每件均进行1.5
7、倍额定工作压力的水压试验，气密性试验及内外表面缺陷检验，每批产品均进行材料的拉力，冲击韧性，硬度试验，金相组织检查，水压爆破等试验，合格后才能出厂。钢瓶在鉴定时，已进行过充气状态下的火烧、撞击、枪击、爆炸等特种试验，因此，天然气钢瓶是安全可靠的。我国目前生产的钢瓶主要规格如下： 每个钢瓶体上，打钢印标记（2）瓶口装置瓶口装置由进气口、出气口、手动截止阀和安全装置四部份组成。进气口为ZW27.8锥螺纹、锥度3：25，14牙/吋（螺距1.814mm）。出气口为G5/8（左）外螺纹连接，60锥面密封。特别注意的是，天然气为可燃气体，因此标准规定连接螺纹为左旋（即反扣）。手动截止阀的作用是在必要时关闭
8、气瓶与高压管线间的通道。安全装置有膜片式和膜片与易熔合金复合式两种。当遇到意外时，高温将易熔合金熔化，高压将膜片爆破，气瓶内的高压天然气泄放，以保护气瓶。易熔合金熔化温度为1005，膜片爆破压力为1.2-1.6倍额定充气压力。3高压管线及高压接头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。我国目前采用的是6或8的1CR18NI9TI不锈钢无缝钢管。高压接头采用卡套式管件，它由接头体、卡套和压紧螺母三部份组成。4减压调节器减压调节器是CNG汽车核心和关键部件，它的性能好坏，直接影响整车的性能。该装置按结构分为组合式和分体式两种，NCNG型减压调节器为三级组合结构，装置完善，功能齐全。
9、该部件设置有以下机构：（1）一级减压阀；（2）二级减压阀；（3）三级调节阀；（4）高压电磁阀；（5）怠速电磁阀；（6）天然气滤清器；（7）安全阀；（8）加温装置；（9）动力阀；（10）压力传感器。20MP a高压天然气经一级减压后压力为0.35-0.4MPa，二级减压后压力为0.15-0.19MPa，三级调节后压力减为负压。下面将分别介绍各机构的结构和工作原理。（1）一级减压阀一级减压阀为常开式减压阀，主要由阀座、阀芯、通杆、膜片、弹簧、减压室等部份组成。该阀在未通入高压气体时，在压力弹簧的作用下，使膜片向下运动，带动杠杆转动，使阀芯与阀口保持一定间隙，阀口处于常开状态。当通入高压气体时，减压
10、室的压力逐步增高，达到额定输出压力时，气体作用在膜片下方的压力克服弹簧的弹力，使膜片向上动作，从而带动杠杆转动，使阀品关闭。当减压室的气体向三级阀输出后，压力降到额定输出压力以下，在压力弹簧的作用下又使阀口打开，如此反复，使减压阀在保证流量的基础上，出口压力稳定在一个数值内。该阀压力弹簧设计为不可调节式，如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。一般阀口间隙保持在0.5-1mm左右。测试压力时，可将安全阀拆下，装上压力表接头和压力表即可。根据车型，压力可调到0.3-0.4MPa。（2）二级减压阀二级减压阀的原理与一级减压阀相同，也属于常开式减压阀，其不同点在于压力弹簧为扭簧
11、，可调节式，根据不同的车型，出口压力调节到0.15-0.19MPa。另了个不同点是，杠杆为不可调节式，阀芯可微调，其调节目的是调节阀口的吃合线，保持良好的密封性能。测试压力时，可将二级出口管堵头拆出，装上压力表接头和压力表即可。（3）三级调节阀三级调节阀为常闭式阀，当阀室内真空度为零时，在压力弹簧的作用下，阀口处于关闭状态。当阀室处于负压时，由于膜片上方与大气相通，膜片两边出现压力差，膜片向阀里运动，带动杠杆克服弹簧压力，使阀口打开供气。当减压室负压减小时，在压力弹簧作用下，阀口又处于关闭状态。如此反复，就使减压阀出口压力稳定在一个数值内。该阀的压力弹簧可通过手柄调节，天然气的流量完全由发动机
12、真空度调节，因而能满足发动机各种工况的供气量。（4）高压电磁阀在一级减压阀之前，设置有高压电磁阀，以控制供、断天然气。由于高压电磁阀的控制最高压力为20MPa，并要保证最大流量40m3/h，如直接关闭，则需要很大的电功率，所以该阀设计为先导式二位二通常闭式电磁阀，电功率为16W，工作电压为CD12V。该阀由电磁线圈、阀芯套筒、回位弹簧、电磁阀芯、连接销、先导阀及阀座等几部份组成，这种阀与常规的电磁阀不同之处在于增加一个先导阀。先导阀套装在电磁阀芯上，通过销子连接为一体，先导阀套装在电磁阀芯上，通过销子连接为一体，先导阀销孔比销子直径大，因而两者间存在相对运动，先导阀中心有一个小孔，能使电磁阀的
13、高压室与代压室相通，先导阀下端装有O型密封圈，电磁阀芯下端有密封胶垫。在电磁线圈未通电时，电磁铁芯在回位弹簧的作用下，将先导阀的小孔密封，继而推动先导阀将O型密封圈坐落在阀座上，通道全部关闭。当电磁阀通电时，由于电磁铁的磁力较小，不能直接把主通道打开，只能先打开先导阀的小孔，这时高压腔的高压气通过小孔流到低压腔，使高低压腔差减小，然后电磁铁芯通过连接销，将先导阀一起提起，打开主通道。该阀性能的好坏，直接影响整个装置的运行，而电磁铁和先导阀又直接影响该阀的性能，因此应特别注意该阀的装配质量。（5）怠速电磁阀由于三级阀是常闭式，在发动机不运转时，三级阀关闭，发动机起动和怠速运转时，真空度较小，无法
14、打开三级阀，因而设置了一套供发动机超支和怠速供气的怠速电磁阀。该阀为常闭式二位二通电磁阀，功率14W，工作电压DC12V，由电磁线圈、电磁阀套筒、电磁阀芯、调节手柄总成和怠速气管等组成。怠速电磁阀由二级减坟阀直接供气，输出的天然气由怠速管流入减压阀低压出气管。当电磁阀未通电时，在回位弹簧的作用下，电磁铁芯将阀座孔关闭。当电磁线圈通电时，阀芯产生磁力，克服回位弹簧弹力，使阀座孔打开通气。起动、怠速的供气量，可由调节手柄改变阀芯的运动行程而调节，其方法为先将调整螺栓旋到底，然后倒退1-1.5圈即可。（6）动力阀动力阀又称动力调节阀，安装在减压调节器总成的低压通气管上，结构如图六所示。调节螺钉的深浅
15、可调节通气道的横截面积。由于空气通道的截面积不变，改变天然气通道截面积，则可调节混合器中燃气与空气的比例，简称空燃比。从理论上分析，空燃比达10：1最理想。具体调节方法是：调整螺钉深浅，在发动机废气测试仪上，测出最大扭矩时，排气中CO含量为1-1.5%即可。（7）安全阀为了保证减压调节的安全，在一级减压阀的减压室安装有弹簧式安全阀。按标准规定当压力大于额定输出压力1.3倍，即0.52MPa时，安全阀将自动排气泄压。（8）加温装置由于一级减压阀减压比高达50：1，流量最大达到40m3/h，因此气体膨胀吸热严重，如果不设置加温装置，减压阀将大量结霜，直至结冰，降低机械性能，减少部件的使用寿命，同时
16、也可能产生管道冰堵。减压阀上的加温装置为一水道，发动机冷却系统的循环水，通过软管引入减压调节器进行加温，结构简单，性能可靠。安装时注意，应使循环水进出口的压力差尽量大。5混合器为与减压调节器相匹配，混合器设计为文丘里管结构。根据发动机化油器和空气滤清器型号的不同，混合器可选用盘式、筒式等多种样式，但不管那种样式，混合器均安装在空滤器与化油器之间，其工作原理基本相同。该混合器由壳体和芯子两部份组成，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，其结构如图七。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器的天然气流量，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
17、参数直接影响发动机的性能，混合器喉径过大，真空度小，不灵敏；过小，吸入空气量少，影响空燃比，发动机功率下降。通气小孔总截面积应与天然气进气道截面积相匹配。按标准规定，混合器安装后，各连接处不得有窜漏现象，使用汽油燃料时，安装混合器后影响过大，就得重新改变混合器参数。值得注意的是，安装混合器芯子时，圆弧端应朝向空气滤清器，圆锥端应朝向化油器，不可装反。6汽油电磁阀和晶体管电动燃油泵汽油电磁阀是一个二位二通常闭式电磁阀，安装在汽油滤清器和汽油泵之间，由燃料转换开关控制，当使用天然气时电磁阀将油路切断，使用汽油时将油路打开。该阀工作电压为DC12V，功率为12W。汽油电磁阀上还有一个手动开关，旋转手
18、动开关能使汽油电磁阀处于常开状态，不受燃料转换开关控制，主要在长期使用汽油时使用。晶体管电动燃油泵可代替汽油电磁阀，安装在汽油滤清器和化油器之间，它由燃料转换开关控制，不仅可以控制油路的通断，还可以代替机械汽油泵。7燃料转换开关燃料转换开关控制汽油和天然气的通断。它有三个位置，一个是油位，接通汽油电磁阀或晶体管电动燃油泵电路，切断天然气电磁阀电路；一个是中间位，油、气电路均不接通；还有一个气位，接通天然气电磁阀电路，切断汽油电磁阀电路。燃料转换开关上有五根导线，红色线接12V电源，黑色线搭铁，绿色线接汽油电磁阀或晶体管电动燃油泵，兰色线接减压调节器上的高压电磁阀和怠速电磁阀，棕色线是一个控制信
19、号线。棕色线缠绕在点火线圈高压线上，当燃料开关处于气位，发动机运转，棕色线能接收脉冲信号，保证兰色线长期通电，打开气路；如果发动机不运转，高压线上就没有脉冲信号，兰色线仅通电三秒左右就自动断电，这样就使发动机熄火后，自动关闭天然气高压系统，既安全又节约燃料。燃料转换开头上还有一个点动按钮，用于气转油过渡时临时供气使用。8气量显示器气量显示器用来定性指示气瓶剩余气量的多少，有4只绿灯和1只红灯，全部绿灯亮表示已充满气、熄一个绿灯表示已用约1/4气量，若只有红灯亮，表示气快用完，应加气了。气量显示器上有四根导线，红色线接12V电源，搭接在燃料转换开关的兰色线上，黑色线搭铁，绿色线、兰色线接在减压调节器的传感器上。气量显示器的显示灯可通过调整传感器上的滑移电位器进行调节。三、主要技术性能由汽油车改装的CNG汽车，其主要技术性能根据改装部件的不同略有差别，但大体趋于一致。按有关标准和样车测试，当使用天然气作燃料时，车辆主要技术性能如下：1动力性能发动机功率 不低于原车的85%发动机最大扭矩 不低于原车的90%汽车最高车速 不低于原车的90%2经济性能1立方米天然气可代替汽油1升以上3汽车怠速污染物排放返回上页
