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

ABSTRACT

The natural gas automobile decompressor is a natural gas automobile important part, its quality quality vehicle performance has the very big relations, it is main the reduced pressure in the natural gas automobile and the constant voltage function. Therefore, through use decompressor, may 1-20MPa compression natural gas pressure drop to 1-2.5kPa enters the mixer, in order to enters the cylinder with the air mix, because in the high-pressure bottle CNG gas pressure changes, must maintain the stable air-fuel ratio control, also requests regardless of how the bottle internal pressure does change, the reduced pressure regulator also should guarantee enters the mixer basically the fuel gas pressure constant, by this realization quite stable fuel gas and air mixture ratio control. Thus realization reduced pressure and constant voltage function. This graduation project in original reduced pressure product foundation, have carried on the revision to its structural configuration and the shape, and to input in the engine process the natural gas pressure change value to carry on the precise design, mainly is to the level pressure relief valve slit reduced pressure and two level of pressure relief valve slit reduced pressure, as well as three levels of pressure relief valves carry on the reduced pressure using the vacuum degree to carry on the computation, enables its to satisfy the reduced pressure to the anticipated request. Moreover to each mainly has been carried on the load spare part the intensity examination, causes the choice the material to satisfy the intensity request. Estimated this time designs the decompressor has the structure simply, the layman is artistic, precision high characteristic, may enhance the similar product the quality, May satisfy the user community the demand.

Key words: Natural gas automobile; decompressor; pressure relief valve

目 录

摘要................................................................. І ABSTRACT .......................................................... П

绪论.................................................................1

0.1天然气汽车减压装置的用途和功能 ...............................1

0.2天然气汽车减压装置在我国的发展概况 ...........................1

0.3天然气汽车减压装置设计的目的和意义 ...........................1

1 设计任务书.........................................................3

1.1设计题目 .....................................................3

1.2题目说明 .....................................................3

1.2.1设计参数规范 ...........................................3

1.2.2符合标准 ...............................................3

1.2.3设计思路 ...............................................3

1.3设计方案 .....................................................3

1.4资料调研 .....................................................4

1.4.1减压阀的定义 ...........................................4

1.4.2减压阀的工作原理 .......................................4

1.4.3减压阀的工作过程 .......................................7

2 设计方案的研究与选择............................................. 9

2.1减压调节器的分类 .............................................9

2.2方案选择 .....................................................9

2.2.1方案一及其优缺点 .......................................9

2.2.2方案二及其优缺点 .......................................9

2.2.3 设计方案的选择 . ...................................... 10

3 总体方案设计......................................................11

3.1一级减压阀的设计 ........................................... 11

3.1.1一级减压阀的工作原理 ................................. 11

3.1.2一级减压阀阀室的设计 ................................. 11

3.1.3一级减压阀杠杆、弹簧与阀口的设计 ..................... 11

3.2二级减压阀的设计 ........................................... 19

3.2.1二级减压阀的工作原理 ................................. 19

3.2.2二级减压阀阀室及盖板、杠杆、上档板的设计 ............. 19

3.2.3二级减压阀弹簧的设计 ................................. 19

3.3三级减压阀的设计 ........................................... 22

3.3.1三级减压阀的工作原理 ................................. 22

3.3.2三级减压阀盖板、杠杆、上挡板、阀口的设计 ............. 22

3.3.3三级减压阀调节弹簧的设计 ............................. 22

3.3.4 三级减压阀膜片的设计与校核 . .......................... 25

3.4怠速阀的设计 ............................................... 26

3.4.1怠速阀的工作原理 ..................................... 26

3.4.2怠速阀阀室及阀体的设计 ............................... 26

3.4.3怠速阀芯及怠速阀弹簧的设计 ........................... 28

3.5其他重要零部件的设计 ....................................... 29

3.5.1高压电磁阀阀芯、先导阀、弹簧的设计 ................... 29

3.5.2安全阀及其弹簧的设计 ................................. 30

3.5.3进气接头的设计 ....................................... 31

3.5.4一级阀盖连结螺柱和三级阀盖连结螺栓的选择 ............. 32

4 天然气汽车减压装置的使用说明......................................35

4.1天然气汽车减压装置的使用注意事项 ........................... 35

4.2天然气汽车减压装置的拆装、检查与调整 ....................... 35

4.2.1拆卸 ................................................. 35

4.2.2清洗、检查、更换 ..................................... 35

4.2.3组装、调整 ........................................... 36

5 总结..............................................................38

谢辞 ............................................................... 39

参考文献............................................................40

绪 论

0.1 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。

0.2 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，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。

0.3 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 设计任务书

1.1 设计题目

天然气汽车供气系统减压装置设计

1.2 题目说明

1.2.1 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0.02MP a ，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40m 3/h，当气瓶压力小于2MPa 时，仍能对发动机正常供气。

1.2.2 符合标准

减压调节器各部分应符合标准QC/T245-1998的有关规定。

1.2.3 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。

1.3 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。

1.4 资料调研

1.4.1 减压阀的定义

国标GB12244-89关于减压阀的定义是:通过启闭件的节流, 将进口压力降至某一个需要的出口压力, 并能在进口压力及流量变动时, 利用本身介质能量保持出口压力基本不变的阀门。就是说这样的一句话已经说明了减压阀的两个基本功能。一是减压, 即将进口压力降至某一个需要的出口压力；二是稳压, 即能在进口压力及流量变动时, 利用本身介质能量保持出口压力基本不变。两个基本功能缺一不可。而节流阀虽有减压功能, 通过启闭件的节流来实现, 但是它没有稳压功能。

1.4.2 减压阀的工作原理

减压阀的工作原理简而言之就是：A:减压；B:稳压。减压的原理是节流, 气体流经活门与活门座之间的缝隙时, 压力减小, 达到减压的目的。稳压的原理是力的平衡, 因为弹簧的行程是设定的, 要达到平衡, 出口腔的压力必须跟弹簧力平衡, 当进口压力及流量变动时, 利用弹簧力与出口腔的压力平衡保持出口压力基本不变。这是一个动平衡过程, 并不是瞬间完成的。因为弹簧、活门等有一定的质量, 在移动中与阀体等一些其他零件都有摩擦。

1.4.2.1 一级减压部分

图1.1 一级减压原理

图1.1是一级减压原理示意图。从储气瓶流出的CNG 气体依靠自身的压力打开一级阀门，从一级阀门和阀座之间的缝隙流入一级减压室，在此过程中CNG 气体的压力被大幅度降低。在一级减压室内壁上有许多挡片，CNG 气体在流过它们时压力被进一步降低。随着一级减压室中气体数量不断增多，室内压力不断升高，

当压力上升到一定值时，一级膜片向上凸起，压迫一级弹簧，通过一级圆柱又带动一级杠杆动作，使一级阀门开度减小，减少CNG 气体的进入，随着一级减压室中的CNG 气体不断进入二级减压阀室，一级减压室中的气压降低，当压力降至某一值时，在一级弹簧预紧力的作用下，压下一级膜片，通过一级圆柱又带动一级杠杆动作，使一级阀门开度增大，CNG 气体又流入一级减压室。

一级阀门的开启与关闭由一级膜片的位置决定，而一级膜片的位置又受到一级减压室压力、二级减压室压力、一级弹簧预紧力的共同影响。增加一级弹簧预紧力，降低一级减压室压力及提高二级减压室压力等都将使一级膜片下移，一级阀门开度加大；反之，一级膜片上移，则一级阀门开度减小。

1.4.2.2 二级减压部分

图1.2 二级减压原理

图1.2是二级减压原理示意图。在一级减压室中经过初步减压的CNG 气体经过二级阀门进入二级减压室，由于二级阀门的节流作用，压力得到更进一步的降低。随着进入二级减压室中的气体数量的增多，当二级室内压力超过二级弹簧的预紧力时，二级膜片向上凸起，压迫二级弹簧，通过二级圆柱又带动二级杠杆动作，使二级阀门开度减小，减少了CNG 气体的进入量。随着二级减压室中的CNG 气体不断进入三级减压室，二级减压室中的气压降低，当压力小于二级弹簧预紧力时，在二级弹簧预紧力的作用下，二级膜片被压下，通过二级圆柱又带动二级杠杆动作，使二级阀门开度增大，进入二级减压室的CNG 气体量又开始增多。二级阀门的开启与关闭由二级杠杆来控制，二级杠杆的动作由二级膜片位置决定，而二级膜片的位置由二级减压室压力、二级弹簧预紧力、三级减压室压力共同决定。

1.4.2.3 三级减压部分

三级减压是为了进一步降低天然气的压力，使其接近负压。图1.3是三级减压、真空加浓和怠速调整的原理图。

经过两级减压的天然气通过三级阀门进入三级减压室。由于三级阀门的节流作用使CNG 气体的压力降至负压左右。接近负压的天然气由CNG 燃料出口进入混合器。三级阀门的开启和关闭受到三级杠杆的作用，而三级杠杆的动作又受到真空膜片的位置（由真空膜片弹簧预紧力、进气管真空度及三级减压室压力决定）, 三级膜片的位置（由三级减压室的压力、下盖室压力决定）、怠速调整螺钉及三级杠杆弹簧预紧力的共同作用。

1.4.2.4 真空加浓部分

它是设置在二级减压室上方的一个真空泵室，在一定的进气管真空度范围内增加进入气缸的天然气量，达到加浓混合气的目的。真空泵室通过一个真空管引入发动机的进气管真空度。当进气管真空度增大时，真空膜片向上压缩真空弹簧，三级杠杆随之作用，加大三级阀门的开度，增加三级减压室中天然气的供给量。随着进气管真空度的增大，三级杠杆会压下助射阀阀芯，打开助射阀，使三级减压室同二级减压室膜片与阻尼板之间的小室连通，使二级减压室膜片与阻尼板间的压力降低，二级减压阀膜片在二级弹簧预紧力的作用下向下移动，通过二级圆柱又带动二级杠杆使二级阀门开度增加，增加CNG 气体的进气量。调节助射阀螺钉可调整助射阀通道的截面，改变进气量。

1.4.2.5 怠速调整部分

图1.3 三级减压、真空加浓和怠速调整原理

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

ABSTRACT

The natural gas automobile decompressor is a natural gas automobile important part, its quality quality vehicle performance has the very big relations, it is main the reduced pressure in the natural gas automobile and the constant voltage function. Therefore, through use decompressor, may 1-20MPa compression natural gas pressure drop to 1-2.5kPa enters the mixer, in order to enters the cylinder with the air mix, because in the high-pressure bottle CNG gas pressure changes, must maintain the stable air-fuel ratio control, also requests regardless of how the bottle internal pressure does change, the reduced pressure regulator also should guarantee enters the mixer basically the fuel gas pressure constant, by this realization quite stable fuel gas and air mixture ratio control. Thus realization reduced pressure and constant voltage function. This graduation project in original reduced pressure product foundation, have carried on the revision to its structural configuration and the shape, and to input in the engine process the natural gas pressure change value to carry on the precise design, mainly is to the level pressure relief valve slit reduced pressure and two level of pressure relief valve slit reduced pressure, as well as three levels of pressure relief valves carry on the reduced pressure using the vacuum degree to carry on the computation, enables its to satisfy the reduced pressure to the anticipated request. Moreover to each mainly has been carried on the load spare part the intensity examination, causes the choice the material to satisfy the intensity request. Estimated this time designs the decompressor has the structure simply, the layman is artistic, precision high characteristic, may enhance the similar product the quality, May satisfy the user community the demand.

Key words: Natural gas automobile; decompressor; pressure relief valve

目 录

摘要................................................................. І ABSTRACT .......................................................... П

绪论.................................................................1

0.1天然气汽车减压装置的用途和功能 ...............................1

0.2天然气汽车减压装置在我国的发展概况 ...........................1

0.3天然气汽车减压装置设计的目的和意义 ...........................1

1 设计任务书.........................................................3

1.1设计题目 .....................................................3

1.2题目说明 .....................................................3

1.2.1设计参数规范 ...........................................3

1.2.2符合标准 ...............................................3

1.2.3设计思路 ...............................................3

1.3设计方案 .....................................................3

1.4资料调研 .....................................................4

1.4.1减压阀的定义 ...........................................4

1.4.2减压阀的工作原理 .......................................4

1.4.3减压阀的工作过程 .......................................7

2 设计方案的研究与选择............................................. 9

2.1减压调节器的分类 .............................................9

2.2方案选择 .....................................................9

2.2.1方案一及其优缺点 .......................................9

2.2.2方案二及其优缺点 .......................................9

2.2.3 设计方案的选择 . ...................................... 10

3 总体方案设计......................................................11

3.1一级减压阀的设计 ........................................... 11

3.1.1一级减压阀的工作原理 ................................. 11

3.1.2一级减压阀阀室的设计 ................................. 11

3.1.3一级减压阀杠杆、弹簧与阀口的设计 ..................... 11

3.2二级减压阀的设计 ........................................... 19

3.2.1二级减压阀的工作原理 ................................. 19

3.2.2二级减压阀阀室及盖板、杠杆、上档板的设计 ............. 19

3.2.3二级减压阀弹簧的设计 ................................. 19

3.3三级减压阀的设计 ........................................... 22

3.3.1三级减压阀的工作原理 ................................. 22

3.3.2三级减压阀盖板、杠杆、上挡板、阀口的设计 ............. 22

3.3.3三级减压阀调节弹簧的设计 ............................. 22

3.3.4 三级减压阀膜片的设计与校核 . .......................... 25

3.4怠速阀的设计 ............................................... 26

3.4.1怠速阀的工作原理 ..................................... 26

3.4.2怠速阀阀室及阀体的设计 ............................... 26

3.4.3怠速阀芯及怠速阀弹簧的设计 ........................... 28

3.5其他重要零部件的设计 ....................................... 29

3.5.1高压电磁阀阀芯、先导阀、弹簧的设计 ................... 29

3.5.2安全阀及其弹簧的设计 ................................. 30

3.5.3进气接头的设计 ....................................... 31

3.5.4一级阀盖连结螺柱和三级阀盖连结螺栓的选择 ............. 32

4 天然气汽车减压装置的使用说明......................................35

4.1天然气汽车减压装置的使用注意事项 ........................... 35

4.2天然气汽车减压装置的拆装、检查与调整 ....................... 35

4.2.1拆卸 ................................................. 35

4.2.2清洗、检查、更换 ..................................... 35

4.2.3组装、调整 ........................................... 36

5 总结..............................................................38

谢辞 ............................................................... 39

参考文献............................................................40

绪 论

0.1 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。

0.2 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，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。

0.3 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 设计任务书

1.1 设计题目

天然气汽车供气系统减压装置设计

1.2 题目说明

1.2.1 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0.02MP a ，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40m 3/h，当气瓶压力小于2MPa 时，仍能对发动机正常供气。

1.2.2 符合标准

减压调节器各部分应符合标准QC/T245-1998的有关规定。

1.2.3 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。

1.3 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。

1.4 资料调研

1.4.1 减压阀的定义

国标GB12244-89关于减压阀的定义是:通过启闭件的节流, 将进口压力降至某一个需要的出口压力, 并能在进口压力及流量变动时, 利用本身介质能量保持出口压力基本不变的阀门。就是说这样的一句话已经说明了减压阀的两个基本功能。一是减压, 即将进口压力降至某一个需要的出口压力；二是稳压, 即能在进口压力及流量变动时, 利用本身介质能量保持出口压力基本不变。两个基本功能缺一不可。而节流阀虽有减压功能, 通过启闭件的节流来实现, 但是它没有稳压功能。

1.4.2 减压阀的工作原理

减压阀的工作原理简而言之就是：A:减压；B:稳压。减压的原理是节流, 气体流经活门与活门座之间的缝隙时, 压力减小, 达到减压的目的。稳压的原理是力的平衡, 因为弹簧的行程是设定的, 要达到平衡, 出口腔的压力必须跟弹簧力平衡, 当进口压力及流量变动时, 利用弹簧力与出口腔的压力平衡保持出口压力基本不变。这是一个动平衡过程, 并不是瞬间完成的。因为弹簧、活门等有一定的质量, 在移动中与阀体等一些其他零件都有摩擦。

1.4.2.1 一级减压部分

图1.1 一级减压原理

图1.1是一级减压原理示意图。从储气瓶流出的CNG 气体依靠自身的压力打开一级阀门，从一级阀门和阀座之间的缝隙流入一级减压室，在此过程中CNG 气体的压力被大幅度降低。在一级减压室内壁上有许多挡片，CNG 气体在流过它们时压力被进一步降低。随着一级减压室中气体数量不断增多，室内压力不断升高，

当压力上升到一定值时，一级膜片向上凸起，压迫一级弹簧，通过一级圆柱又带动一级杠杆动作，使一级阀门开度减小，减少CNG 气体的进入，随着一级减压室中的CNG 气体不断进入二级减压阀室，一级减压室中的气压降低，当压力降至某一值时，在一级弹簧预紧力的作用下，压下一级膜片，通过一级圆柱又带动一级杠杆动作，使一级阀门开度增大，CNG 气体又流入一级减压室。

一级阀门的开启与关闭由一级膜片的位置决定，而一级膜片的位置又受到一级减压室压力、二级减压室压力、一级弹簧预紧力的共同影响。增加一级弹簧预紧力，降低一级减压室压力及提高二级减压室压力等都将使一级膜片下移，一级阀门开度加大；反之，一级膜片上移，则一级阀门开度减小。

1.4.2.2 二级减压部分

图1.2 二级减压原理

图1.2是二级减压原理示意图。在一级减压室中经过初步减压的CNG 气体经过二级阀门进入二级减压室，由于二级阀门的节流作用，压力得到更进一步的降低。随着进入二级减压室中的气体数量的增多，当二级室内压力超过二级弹簧的预紧力时，二级膜片向上凸起，压迫二级弹簧，通过二级圆柱又带动二级杠杆动作，使二级阀门开度减小，减少了CNG 气体的进入量。随着二级减压室中的CNG 气体不断进入三级减压室，二级减压室中的气压降低，当压力小于二级弹簧预紧力时，在二级弹簧预紧力的作用下，二级膜片被压下，通过二级圆柱又带动二级杠杆动作，使二级阀门开度增大，进入二级减压室的CNG 气体量又开始增多。二级阀门的开启与关闭由二级杠杆来控制，二级杠杆的动作由二级膜片位置决定，而二级膜片的位置由二级减压室压力、二级弹簧预紧力、三级减压室压力共同决定。

1.4.2.3 三级减压部分

三级减压是为了进一步降低天然气的压力，使其接近负压。图1.3是三级减压、真空加浓和怠速调整的原理图。

经过两级减压的天然气通过三级阀门进入三级减压室。由于三级阀门的节流作用使CNG 气体的压力降至负压左右。接近负压的天然气由CNG 燃料出口进入混合器。三级阀门的开启和关闭受到三级杠杆的作用，而三级杠杆的动作又受到真空膜片的位置（由真空膜片弹簧预紧力、进气管真空度及三级减压室压力决定）, 三级膜片的位置（由三级减压室的压力、下盖室压力决定）、怠速调整螺钉及三级杠杆弹簧预紧力的共同作用。

1.4.2.4 真空加浓部分

它是设置在二级减压室上方的一个真空泵室，在一定的进气管真空度范围内增加进入气缸的天然气量，达到加浓混合气的目的。真空泵室通过一个真空管引入发动机的进气管真空度。当进气管真空度增大时，真空膜片向上压缩真空弹簧，三级杠杆随之作用，加大三级阀门的开度，增加三级减压室中天然气的供给量。随着进气管真空度的增大，三级杠杆会压下助射阀阀芯，打开助射阀，使三级减压室同二级减压室膜片与阻尼板之间的小室连通，使二级减压室膜片与阻尼板间的压力降低，二级减压阀膜片在二级弹簧预紧力的作用下向下移动，通过二级圆柱又带动二级杠杆使二级阀门开度增加，增加CNG 气体的进气量。调节助射阀螺钉可调整助射阀通道的截面，改变进气量。

1.4.2.5 怠速调整部分

图1.3 三级减压、真空加浓和怠速调整原理