十二(1)、压缩天然气汽车及液化石油气汽车

车用发动机大部分是汽油机和柴油机, 即前面介绍的内容。但是从解决能源短缺、环境污染和生态失衡等问题，发展起来了其它类型动力机械。近些年来，人们一直在研究混合动力汽车、电动汽车和代用燃料汽车。本章主要介绍压缩天然气汽车、液化石油气汽车及电动汽车。

第一节 压缩天然气汽车及液化石油气汽车

一、概述

以压缩天然气和液化石油气为燃料的汽车，分别称为压缩天然气汽车(CNGV)和液化石油气汽车(LPGV)。天然气是从天然气田直接开采出来的，其主要成分是甲烷，极难液化。因此，目前大都将其压缩到20MPa的高压，充入车用气瓶中储存和供汽车使用，即所谓的压缩天然气(CNG)。石油气是石油催化裂化过程和油田伴生气回收轻烃过程中的产品。石油气在常温下加压到1.6MPa即可液化而成液化石油气(LPG)。从油田气制得的LPG，其主要成分为丙烷、丁烷和少量的乙烷和戊烷，不含稀烃，适于作车用燃料。从炼油厂得到的LPG，除含丙烷、丁烷外，还含有较多的烯烃，不宜作车用燃料。因为烯径在常温下化学安定性差，在储运过程中容易生成胶质，燃烧后容易积炭。

天然气、液化石油气及若干其他燃料的理化性质见下表。

CNG和LPG的主要优点有：

1)天然气和液化石油气在常温下为气态，容易与空气混合形成均匀的可燃混合气，燃烧完全，可以大幅度减少CO、HC和微粒的排放。另外，天然气和液化石油气的火焰温度低，因此NOx的排放量也相应减少。

2)天然气辛烷值高达130，液化石油气的辛烷值也在100左右，因此，燃用天然气或液化石油气可提高发动机的压缩比，从而获得较高的发动机热效率。

3)冷起动性和低温运转性能良好，在暖机期间无需加浓混合气。

4)燃烧界限宽，稀燃特性优越。燃烧稀混合气，可以减少NOx的生成和改善燃料经济性。

5)不稀释润滑油，可以延长润滑油更换周期和发动机使用寿命。

LNG和LPG的缺点是：

1)因为天然气在常温、常压下是气体，所以其储运性能差。目前广泛采用将压缩天然气充入车用气瓶内储运的办法，这些气瓶既增加了汽车自重，又减少了载货空间。虽然可以通过深冷液化技术制成液化天然气(LNG)，但技术复杂，生产成本高。

2)一次充气的续驶里程短。

3)CNG或LPG均呈气态进入气缸，使发动机充量系数降低；另外，与汽油或柴油相比，CNG或LPG的理论混合气热值小，因此，燃用CNG或LPG将使发动机功率下降。

第一节 压缩天然气汽车及液化石油气汽车

二、两用燃料发动机

(一)汽油/CNG两用燃料发动机

将汽油机改装为汽油/CNG两用燃料发动机之后，当燃用天然气时，发动机的功率和转矩都会明显下降。有研究表明，适当提高改装机的压缩比不仅可以减小功率损失还能改善发动机的燃料经济性。

1.CNG供给系统组成及工作原理

目前，汽油/CNG两用燃料发动机的CNG供给系统有多种类型。国产CYTZ-100型CNG供给系统是采用步进电机伺服阀和比例调节式混合器的闭环控制系统。

车用气瓶的容量为50L，压力为20MPa，通过安装在每个气瓶上的连通阀及高压管路将数个气瓶连通。当驾驶人将汽油/CNG转换开关25置于"气"位置时，电控单元(ECU)24向CNG电磁阀10通电，电磁阀开启。车用气瓶6内的CNG经充气阀7、过滤器8、手动截止阀9和电磁阀进入减压调节器14。CNG在减压调节器内降压，低压的天然气经步进电机15控制的低压通道进入混合器16。在混合器中天然气与空气混合后进入气缸。ECU根据氧传感器21和发动机转速传感器20的信号，通过调节步进电机伺服阀的行程来改变减压调节器至混合器之间的低压通道通过面积，以控制天然气的流量。

2.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。

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、二级阀口和三级阀口均处于常开状态。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。

车用气瓶的容量为50L，压力为20MPa，通过安装在每个气瓶上的连通阀及高压管路将数个气瓶连通。当驾驶人将汽油/CNG转换开关置于"气"位置时，电控单元(ECU)向CNG电磁阀通电，电磁阀开启。车用气瓶内的CNG经充气阀、过滤器、手动截止阀和电磁阀进入减压调节器。CNG在减压调节器内降压，低压的天然气经步进电机控制的低压通道进入混合器。在混合器中天然气与空气混合后进入气缸。ECU根据氧传感器和发动机转速传感器的信号，通过调节步进电机伺服阀的行程来改变减压调节器至混合器之间的低压通道通过面积，以控制天然气的流量。

3.比例调节式混合器

混合器的作用是将空气和天然气按一定比例混合，形成一定浓度的可燃混合气。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。

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。

4.手动截止阀

我国汽车行业标准QC/T 245-1998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。

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。

5.汽油/CNG转换开关

汽油/CNG转换开关有三个位置，当转换开关置于"油"位置时，接通电动汽油泵电路，同时切断CNG电磁阀电路；当转换开关置于"气"位置时，接通CNG电磁阀电路，同时切断电动汽油泵电路；转换开关置于"中间"位置时，不接通两者之中任何一个电路。

(二)汽油/LPG两用燃料发动机

1.LPG供给系统组成及工作原理

LPG供给系统与CNG供给系统有很多相同之处。目前国内外大多数厂家生产的车用LPG供给装置与CNG供给装置的基本部件都可以通用，惟LPG供给系统的车用气瓶及其附件、管阀件有些特殊的要求。

当汽油/LPG转换开关13置于LPG位置时，LPG电磁阀9开启，LPG从气瓶7流入蒸发调压器10，并在其中蒸发减压，然后进入混合器11，在混合器中与空气混合后进入发动机气缸。ECU根据氧传感器17和发动机转速传感器15的信号，通过改变通向真空电磁阀12的脉冲信号占空比来调节蒸发调压器膜片室的压力，以控制蒸发调压器的输出压力和供气量，从而实现供气量的闭环控制。

充装液化石油气的充装口设在气瓶上方，充液时气瓶不能充满，当充装到气瓶容积的80%时，限量充装阀自动关闭充装口。限量充装阀、手动截止阀、液位计、安全阀以及出液限流阀等附件全部集成在一个集成阀8中。出液口设在气瓶的下方。气瓶内液面上方是LPG蒸气，借助饱和蒸气压将液化石油气从出液口压出。不从气瓶上方直接输出LPG蒸气原因有二：①因为LPG蒸发需要吸收大量的热，如界直接从气瓶输出LPG蒸气，则即使在夏天通过气瓶由大气传来的热量也不足以使LPG大量蒸发。如果气瓶外壁结冰，则传热更差，将导致气瓶内蒸气压力低到不能维持供给的程度。②LPG是由物化特性不同的多种组分构成的混合物，各组分的蒸发速度不同，先后蒸发出来的气体各有不同的化学当量比。因此，从气瓶上方直接输出LPG蒸气就意味着在同一混合器的调整下，相同工况的空燃比不断在变化，这将使发动机不能稳定工作。

2.蒸发调压器

蒸发调压器的作用是使LPG蒸发和减压。由于LPG的饱和蒸气压最大不超过1.43MPa(气温为38℃时的表压力)，比CNG气瓶内的压力低得多，一般只需要一级或二级减压。CYTZ-100L型LPG蒸发调压器的结构示。

这是一个二级减压装置，它与CYTZ-100型CNG减压调节器的二级减压和三级减压部分的结构相同，零部件可以互换，工作原理也相同，只是参数调整不同而已。在蒸发调压器的一级底盖的下方设有水套，发动机的冷却液循环其中，对LPG加热，以使其蒸发气化。

3.混合器

LPG供给系统的混合器，其结构及工作原理与CNG供给系统的混合器相同。

4.气瓶附件

气瓶附件包括各种阀门和液面计等。在轿车用气瓶上，多将这些附件集成一体构成集成阀，它具有限量充装、储量显示、出液、手动截止和安全防护等多项功能。在气瓶充液时，当LPG达到气瓶容积的80%时，集成阀内的限量充装阀自动关闭，停止充液。利用集成阀内的液面计指示气瓶内LPG的储量。集成阀上装有安全阀，该阀能在2.5±0.2MPa的压力下自动开启放气。另外，在出液口还装有一个安全阀，当发生供气管路破裂而有大量LPG泄漏时，只要该阀两侧的压力差超过0.1MPa，该阀就自动关闭出液口。

(三)电控CNG喷射系统

虽然利用步进电机伺服阀和比例调节式混合器的电控CNG闭环控制系统能够改善空燃比的控制精度，但是小气量工况的空燃比仍然难以准确稳定地控制。因此，近年来电控CNG喷射系统得到了快速发展。 下面是电控汽油/CNG两用燃料发动机的燃料供给系统组成示意图，CNG和汽油的供给都采用电控喷射方式。

电控单元根据来自各种传感器和各种开关的信号(包括曲轴位置、节气门开度、进气压力、进气温度、汽油/CNG转换开关、减压调节器后的天然气压力、天然气温度和氧传感器等)，利用其内存储的软件进行运算、判断和处理后，向天然气喷射器发出适时启闭的指令。天然气喷射器的结构及工作原理与电控汽油喷射系统的喷油器类似。在减压调节器后的天然 气压力稳定的条件下，喷气量与喷射器开启的持续时间成正比，而后者由电控单元控制。电控CNG喷射系统要求减压调节器出口压力保持在0.6MPa左右，其变化范围不能超过平均值的±3%。一般采用两级减压调节器，第一级减压到1.2MPa左右，第二级减压到0.6MPa左右。对于汽油/CNG两用燃料发动机来说，通常是利用原有电控汽油喷射系统的控制系统，只增加几个传感器、执行器(如减压调节器后的天然器压力传感器和温度传感器，天然气喷射器、汽油电磁阀等)和一个供气控制摸块。原有的三元催化转换器和氧传感器仍可继续使用。

(四)电控LPG喷射系统

如果取消混合器式闭环控制LPG供给系统中的混合器，代之以气体喷射器，再将蒸发调压器的出口压力调节到0.5MPa，就构成了电控LPG喷射系统。

第一节 压缩天然气汽车及液化石油气汽车

三、柴油-CNG双燃料发动机

由于天然气的自燃温度高出柴油一倍以上，不容易自燃，因此柴油惭顾跆烊黄发动机，在每一个工作循环，均由喷油泵经喷油器向气缸内喷入少量柴油作为"引燃燃料"，待柴油着火燃烧后再将天然气点燃。CNG储存在车用气瓶12内，压力为20MPa，打开供气阀9，CNG沿管道进入预热器8，由发动机的循环冷却液对CNG加热。升温后的CNG进入高压减压器7，将压力降至0.95～0.10MPa。在高压减压器之后设有气体压力异常信号发生器5和安全阀6。当高压减压器失灵并造成管道内气体压力过高时，信号发生器将发出信号报警，同时安全阀开启放出部分天然气，以避免由于气体压力过高而损坏系统内的其他元器件。如果因为密封失效天然气外泄而引起管道内气体压力过低时，信号发生器也将发出信号报警，这时驾驶人应关闭供气阀，停止向发动机供气，检查管路，排除故障。CNG流经电磁阀4并进入低压减压器15，在其中经两级降压后压力降到0.1～0.15MPa。随后天然气经计量器17进入混合器18，并在其中与空气混合后进入气缸，在压缩行程结束之前被已经着火燃烧的柴油点燃。

当发动机按柴油CNG双燃料工作时，作为引燃燃料的柴油，其每循环供油量较少且不随发动机工况变化。为此特设置喷油泵供油量调节齿杆限位器3，用来限定喷油泵供油量调节齿杆的位置。支架2固定在喷油泵盖上。当电磁铁4通电时，电磁铁推动拉杆1，拉杆推动挡铁7，使喷油泵供油量调节齿杆保持在作为引燃燃料的供油量位置不动。若电磁铁失灵，则联锁传感器5将自动切断电磁阀4的电源电路，使电磁阀关闭停止供气。

电磁阀的上部是电磁阀体，下部是滤清器。CNG在0.95～1.10MPa的压力下首先经过滤清器滤除其中的机械杂质，然后进入电磁阀，并经过带橡胶衬垫的平面阀9通向低压减压器。

计量器是控制供给发动机天然气量的装置，实际上就是一个节流阀，由驾驶人直接操纵。节流阀开大，供气量增多，发动机的功率增加。通常计量器与限速器制成一体。限速器用来限制发动机的转速不使其超速。当发动机转速超过允许的转速时，混合器喉管处的真空度经三通阀传入限速器膜片的下方并吸引膜片向下弯曲。膜片带动膜片拉杆向下移动。同时推动节流阀轴朝关闭节流阀的方向转动。由于节流阀关小，供气量减少，从而限制了发动机转速的升高。当发动机恢复正常转速之后，三通阀使限速器膜片下方与大气相通，膜片恢复到原来的位置，限速器不起作用。

高压减压器的构造。进入高压减压器的天然气先经滤芯滤除其中的杂质，然后进入高压腔 A，再经过减压阀与减压器体之间的缝隙及减压阀与减压阀座之间的通道进入工作压力腔 B，最后经减压器出口恒压输出。在此过程中，天然气由于在工作压力腔内膨胀而降压。在减压器内，作用于膜片上方的压力调节弹簧的弹簧力与作用在膜片下方的天然气压力和平衡弹簧的弹簧力保持相对平衡。当天然气输出量增多时，B 腔压力下降，上述平衡被破坏。这时膜片在压力调节弹簧的作用下向下弯曲，带动推杆下移，使减压阀开大，进入 B 腔的天然气增多，B 腔的压力又可复原。如果天然气的输出量减少，则情形相反，B 腔的压力将会升高，使膜片向上弯曲并带动推杆上移，减压阀关小，进入 B 腔的天然气减少，B 腔内的压力又降回到原来的水平。这样，减压器出口的天然气压力可以保持恒定。

减压器出口压力可以根据需要进行调节。当旋入压力调整螺钉4时，减压器出口压力增高，反之亦然。低压减压器是一个二级减压器，其一级减压机构由一级弹簧1、一级膜片2、一级杠杆3和一级阀门4等组成。二级减压机构由二级弹簧6、二级膜片7、二级杠杆11和二级阀门12等组成。

此外，还有一个膜片与减压器壳体之间形成空腔 B，B 腔有孔通到混合器的喉管，因此 B 腔中的压力等于喉管真空度。膜片与二级膜片中间的空腔D与二级减压腔E相通。当发动机工作时，CNG经一级阀门首先进入一级减压腔 C，进行一级减压。若压力超过设定值，则一级膜片克服一级弹簧的压力向上弯曲，带动一级杠杆将一级阀门关闭，中止CNG流入 C 腔。随着CNG经二级阀门不断流入二级减压腔 E，C 腔内的压力逐渐下降，若压力低于设定值，则一级弹簧推压一级膜片向下弯曲，并带动一级杠杆将一级阀门开启，使CNG充入 C 腔。CNG进入E腔后，进行二级减压，压力降至0.1～0.15MPa，然后经减压器出口被吸入混合器。E 腔内天然气的压力由二级减压机构控制，其动作与一级减压的情况类似。在发动机低速工作时，由于混合器喉管真空度减小，B 腔内的压力增大，膜片被弹簧压在二级膜片的托架上，使二级膜片向下弯曲并带动二级杠杆将二级阀门关闭，停止向混合器供给天然气。这时柴油机由燃用双燃料转换为全部燃油的工作状态。当转速升高时，混合器喉管真空度增大，膜片被吸向上弯曲，解除对二级膜片的限制，二级减压机构恢复正常的减压供气。

二级弹簧座滑套可在减压器壳体中上下调节其位置以改变二级弹簧的预紧力，从而可在一定范围内改变二级减压后的天然气压力。滑套上的孔 A 与混合器喉管前的孔 A 相通，其作用是减缓由于空气滤清器阻力增大而引起的空燃比变化。

实践证明，柴油CNG双燃料发动机与柴油机相比有许多优点：排气烟色减轻，微粒排放量减少，噪声降低，机油使用期可延长一倍以上，活塞磨损小，在低转速时也可获得较大的 转矩等。