【开题报告】天然气电控发动机设计开题报告

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一、立题依据

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５４万亿立方米，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CNG技术。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-天然气双用发动机。控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-空气混合不均等原因，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。

二、设计内容

本设计是在原YC6108电控柴油机的基础上，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。

三、设计方案

由电控柴油机改装的柴油/天然气电控发动机原理图如下：

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。

1 气瓶

气瓶储存压力为20Mpa的压缩天然气，在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CNG汽车因加气、修理、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。

2 压力调节器

燃气压力调节器可以将天然气的压力从20MPa降到0.5 Mpa左右，而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，当发动机出现毛病或发动机熄火时，电磁阀自动切断天然气的供给。

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(ECU)将实测天然气压力与存储在ECU内的目标压力值相比较，根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 Mpa的喷射压力喷入时进气道内，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。

4 中央控制器

ECU是YC6108双燃料发动机的控制核心，它接受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。ECU具有毛病自诊断功能。当控制系统出现问时，ECU 自动记录错误信息，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3O余个参数随时间变化的曲线，并进行分析。

5 油门位置传感器

油门位置信号和转速信号是决定燃料MAP和节气门开度MAP的主要参数。油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。ECU根据它的信号确定天然气、空气和柴油的供给量。

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，ECU 按照其内设定的燃料MAP，通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。

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以上和转速超过900 r／min 时，发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MAP和节气门开度MAP的主要参数。

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毛病时，控制面上的毛病显示灯就会提醒驾驶员，同时可以通过外接设备端口把毛病的原因打印出来。

四、设计提纲

摘要

1 前言