Cng發(fā)動(dòng)機(jī)多缸自充氣系統(tǒng)及其自充氣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種CNG汽車，特別是指一種CNG發(fā)動(dòng)機(jī)多缸自充氣系統(tǒng)及其自充氣方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然氣作為公認(rèn)的清潔能源，與煤炭、石油并列為世界能源的三大支柱。由于石油 資源的日益減少，為了緩解汽車對(duì)石油資源長(zhǎng)久性和依耐性的擔(dān)憂，汽油和電力、汽油和天 然氣等混合動(dòng)力汽車相繼研發(fā)并已投入使用。近些年來(lái)，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)了一些政策支持天 然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展，鼓勵(lì)和支持以LNG、CNG作為燃料的汽車和船舶。
[0003] 我國(guó)的天然氣資源主要集中在西部及近海區(qū)域，一方面，環(huán)氣源附近的城市例如： 四川、重慶、烏魯木齊、海南等地，由于天然氣充足，建成的加氣站數(shù)量較多，天然氣汽車保 有量也比較大。另一方面，天然氣資源匱乏城市的天然氣來(lái)源主要依靠西氣東輸?shù)忍烊粴?輸送管網(wǎng)，輸送的天然氣供居民燃燒使用居多，從而導(dǎo)致城市天然氣氣源少，天然氣加氣站 的數(shù)量難以突破，天然氣汽車也因此無(wú)法大量普及。
[0004] 與天然氣加氣站相比，民用天然氣要普遍得多。如果能夠利用民用天然氣對(duì)CNG汽 車進(jìn)行加氣，將有效解決目前天然氣加氣站數(shù)量少、CNG汽車加氣難的問(wèn)題。由于民用天然 氣入戶壓力較低，通常在表壓26mbar(換算成絕壓為0.1036MPa)左右；而CNG汽車的充氣壓 力約為18MPa，遠(yuǎn)高于民用天然氣入戶壓力，因此必須對(duì)民用低壓天然氣進(jìn)行壓縮加壓后才 有可能充入高壓CNG儲(chǔ)罐中。對(duì)于CNG汽車車主來(lái)說(shuō)，購(gòu)置昂貴的天然氣壓縮機(jī)顯然是不經(jīng) 濟(jì)的，而且使用不便，存在安全隱患。相對(duì)而言，利用汽車自身設(shè)備或車載設(shè)備將民用低壓 天然氣壓縮至符合CNG汽車使用要求顯然更具實(shí)際意義。
[0005] 目前，已公開(kāi)的CNG加氣裝置基本上都應(yīng)用于加氣站，并不針對(duì)汽車個(gè)體。如公開(kāi) 號(hào)為CN104776432A的中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)了一種高能CNG加氣裝置，利用限壓閥及進(jìn)氣總閥 對(duì)輸入的CNG進(jìn)行限壓和控制，在充裝天然氣的的同時(shí)將增效劑通過(guò)增效劑加注口注入，從 而使天然氣與增效劑混合，提高燃燒溫度。而有關(guān)利用民用天然氣的研究多集中于鍋爐等 燃燒器。如公開(kāi)號(hào)為CN102679145A的中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了一種燃天然氣鍋爐及其燃燒器， 能夠使用現(xiàn)有的民用天然氣管網(wǎng)進(jìn)行供氣，無(wú)需再單獨(dú)鋪設(shè)天然氣管道并建調(diào)壓站，大大 降低了燃天然氣鍋爐的使用成本。有關(guān)CNG汽車直接利用民用天然氣進(jìn)行加氣的研究目前 還是空白。
[0006] 另一方面，閉缸技術(shù)作為一項(xiàng)節(jié)能減排技術(shù)，在汽車燃油發(fā)動(dòng)機(jī)上有著較為廣泛 的應(yīng)用，其實(shí)質(zhì)是將氣門做功"斷開(kāi)"使部分氣缸處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，供油系統(tǒng)停止向?qū)?yīng)缸體 噴油，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)排量。大眾、本田、克萊斯勒公司是這種技術(shù)的典型代表。大眾的 EA211發(fā)動(dòng)機(jī)的閉缸系統(tǒng)，是通過(guò)電磁閥控制凸輪軸斜槽位移，切換兩個(gè)不同角度的凸輪從 而實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同工況下對(duì)氣門升程和正時(shí)的改變，閉缸系統(tǒng)只需要將高角度凸輪更換成沒(méi) 有升程的凸輪即可實(shí)現(xiàn)閉缸;本田的i -VTEC/VCM六缸發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的閉缸系統(tǒng)，其核心是 通過(guò)一套塞柱結(jié)構(gòu)的油壓裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)鏈接的氣門搖臂的斷開(kāi)或結(jié)合，在連桿搖臂內(nèi)的油壓 裝置驅(qū)動(dòng)了搖臂的支點(diǎn)，使它停止驅(qū)動(dòng)氣門，也就實(shí)現(xiàn)了閉缸；克萊斯勒的HEMI發(fā)動(dòng)機(jī)的 MDS閉缸系統(tǒng)，在凸輪軸附近還是一個(gè)類似氣門頂桶的結(jié)構(gòu)，這個(gè)頂桶里面有彈簧塞柱，通 過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)連通或斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)變缸。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種將民用天然氣直接充入CNG汽車的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)多缸自 充氣系統(tǒng)及其自充氣方法。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的用于將來(lái)自民用天然氣氣源的低壓天然氣充入 高壓CNG儲(chǔ)罐內(nèi)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)多缸自充氣方法，包括如下步驟：
[0009] 1)將CNG發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的至少兩個(gè)氣缸作為充氣氣缸，通過(guò)閉缸裝置使其處于閉缸狀 態(tài)，并通過(guò)ECU使充氣氣缸的火花塞失效；
[0010] 2)將CNG發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)余下氣缸作為動(dòng)力氣缸，所述動(dòng)力氣缸正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)燃燒天然 氣提供的動(dòng)力帶動(dòng)充氣氣缸；
[0011] 3)所述充氣氣缸在動(dòng)力氣缸的作用下作為活塞式壓縮機(jī)氣缸，以其頂部的充氣通 道作為天然氣進(jìn)出通道吸入天然氣，經(jīng)過(guò)一次或多次壓縮后，最終充入高壓CNG儲(chǔ)罐內(nèi)；
[0012] 上述步驟中，通過(guò)E⑶對(duì)整個(gè)充氣過(guò)程進(jìn)行控制。
[0013] 優(yōu)選地，采用增壓儲(chǔ)罐作為緩存對(duì)民用天然氣進(jìn)行多次壓縮;壓縮過(guò)程中，增壓儲(chǔ) 罐既可作為儲(chǔ)罐存儲(chǔ)壓縮后的天然氣，又可作為氣源向充氣氣缸提供天然氣。多次壓縮可 逐次提高天然氣壓力，更好地滿足高壓CNG儲(chǔ)罐對(duì)壓力的要求。
[0014] 可選地，各充氣氣缸米用并聯(lián)充氣方式，從同一個(gè)氣源(包括民用天然氣氣源和各 增壓儲(chǔ)罐)吸入天然氣，進(jìn)行壓縮后將天然氣壓入同一個(gè)儲(chǔ)罐(不同于氣源的增壓儲(chǔ)罐或高 壓CNG儲(chǔ)罐）內(nèi)。采用一個(gè)增壓儲(chǔ)罐時(shí)，來(lái)自民用天然氣氣源的低壓天然氣，經(jīng)充氣氣缸壓縮 后首先壓入該增壓儲(chǔ)罐內(nèi)暫存，該增壓儲(chǔ)罐壓力達(dá)到其最大值后作為氣源向充氣氣缸進(jìn)行 供氣，再次壓縮后充入高壓CNG儲(chǔ)罐內(nèi)。采用兩個(gè)及以上增壓儲(chǔ)罐時(shí)，各增壓儲(chǔ)罐按充氣順 序稱為一級(jí)增壓儲(chǔ)罐、二級(jí)增壓儲(chǔ)罐等(下同），來(lái)自民用天然氣氣源的低壓天然氣，經(jīng)充氣 氣缸壓縮后首先壓入一級(jí)增壓儲(chǔ)罐內(nèi)暫存，一級(jí)增壓儲(chǔ)罐壓力達(dá)到其最大值后作為氣源向 充氣氣缸供氣，再次壓縮后得到的壓力更高的天然氣，充入二級(jí)增壓儲(chǔ)罐內(nèi)，依此類推依次 將上一級(jí)增壓儲(chǔ)罐內(nèi)的天然氣壓縮并轉(zhuǎn)移到下一級(jí)增壓儲(chǔ)罐內(nèi)，使天然氣的壓力逐級(jí)提 高，最后一級(jí)增壓儲(chǔ)罐中的天然氣經(jīng)壓縮后充入高壓CNG儲(chǔ)罐內(nèi)。本發(fā)明中的壓力最大值 (或最大壓力）和最小值(或最小壓力）為壓縮過(guò)程中對(duì)應(yīng)增壓儲(chǔ)罐所能達(dá)到的最大壓力和 最小壓力，其值根據(jù)氣缸壓縮比、增壓儲(chǔ)罐容積和氣源壓力的不同而不同，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 確定，或參照多級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)行計(jì)算(如后文所述）。
[0015] 可選地，各充氣氣缸采用串聯(lián)充氣方式，來(lái)自民用天然氣氣源的低壓天然氣由第 一個(gè)充氣氣缸吸入，依次經(jīng)過(guò)各充氣氣缸壓縮后，由最后一個(gè)充氣氣缸壓入高壓CNG儲(chǔ)罐 內(nèi)。進(jìn)一步地，為保證進(jìn)入下一級(jí)充氣氣缸的氣體壓力，相鄰(指串聯(lián)順序上的相鄰)兩充氣 氣缸之間設(shè)置一個(gè)所述增壓儲(chǔ)罐作為緩存。
[0016] 可選地，各充氣氣缸采用混聯(lián)充氣方式，即并聯(lián)充氣方式和串聯(lián)充氣方式相互組 合的充氣方式?？刹捎玫哪Ｊ桨ǖ幌抻趦蓚€(gè)并聯(lián)充氣氣缸后與第三個(gè)充氣氣缸串聯(lián)、 兩個(gè)并聯(lián)充氣氣缸與另外的兩個(gè)并聯(lián)充氣氣缸進(jìn)行串聯(lián)等。
[0017] 優(yōu)選地，所述CNG發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)包含η個(gè)充氣氣缸，η 2 3，其中前n-1個(gè)充氣氣缸并聯(lián)從 氣源(包括民用天然氣氣源和各增壓儲(chǔ)罐)吸入天然氣，進(jìn)行壓縮后將這些充氣氣缸中吸入 的天然氣輸入到第η個(gè)充氣氣缸(第η個(gè)表示不同于前n-1個(gè)，沒(méi)有絕對(duì)的先后次序。），第η個(gè) 充氣氣缸以前η-1個(gè)充氣氣缸作為氣源進(jìn)行壓縮后將天然氣壓入下一級(jí)的儲(chǔ)罐(其后的增 壓儲(chǔ)罐或高壓CNG儲(chǔ)罐）內(nèi)。該充氣方式下，前n-1個(gè)充氣氣缸必須處于相同的進(jìn)氣行程或排 氣行程(充氣氣缸充氣時(shí)只有兩個(gè)行程），而第η個(gè)充氣氣缸必須處于與前n-1個(gè)充氣氣缸相 反的排氣或進(jìn)氣行程，即前n-1個(gè)充氣氣缸與第η個(gè)充氣氣缸相差一個(gè)行程差，前n-1個(gè)充氣 氣缸處于上止點(diǎn)排氣結(jié)束時(shí)，第η個(gè)氣缸正好處于下止點(diǎn)吸氣結(jié)束。該充氣方式作為一種具 體的混聯(lián)充氣方式，其優(yōu)點(diǎn)是，前n-1個(gè)充氣氣缸同時(shí)對(duì)第η個(gè)充氣氣缸充氣，第η個(gè)充氣氣 缸與前n-1個(gè)充氣氣缸之間無(wú)需設(shè)置增壓儲(chǔ)罐即可保證第η個(gè)充氣氣缸的壓力，因此相對(duì)于 串聯(lián)或并聯(lián)可以少設(shè)置一個(gè)增壓儲(chǔ)罐。
[0018] 優(yōu)選地，各充氣氣缸同時(shí)從民用天然氣氣源吸入天然氣，進(jìn)行壓縮后充入第一級(jí) 增壓儲(chǔ)罐;第一級(jí)增壓儲(chǔ)罐達(dá)到最大壓力后，一部分充氣氣缸繼續(xù)向第一級(jí)增壓儲(chǔ)罐內(nèi)充 氣，另一部分充氣氣缸以第一級(jí)增壓儲(chǔ)罐為氣源，向第二級(jí)增壓儲(chǔ)罐內(nèi)充氣;依此類推，上 一級(jí)增壓儲(chǔ)罐達(dá)到最大壓力后，部分充氣氣缸以其為氣源，向下一級(jí)增壓儲(chǔ)罐內(nèi)充氣，直至 最后一級(jí)增壓儲(chǔ)罐作為氣源進(jìn)行壓縮后充入高壓CNG儲(chǔ)罐內(nèi)。進(jìn)一步地，若充氣過(guò)程中因上 一級(jí)充氣氣缸出現(xiàn)故障或壓縮較慢導(dǎo)致某個(gè)增壓儲(chǔ)罐內(nèi)氣體壓力降低至該增壓儲(chǔ)罐的最 小壓力，導(dǎo)致不足以進(jìn)行下一級(jí)壓縮時(shí)，可暫停下一級(jí)壓縮，將執(zhí)行下一級(jí)壓縮任務(wù)的氣缸 臨時(shí)用作該級(jí)壓縮，盡快使該增壓儲(chǔ)罐充滿(即壓力達(dá)到最大值）。
[0019] 本發(fā)明同時(shí)提供了一種為實(shí)現(xiàn)前述方法而專門設(shè)計(jì)的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)多缸自充氣系 統(tǒng)，包括CNG發(fā)動(dòng)機(jī)和高壓CNG儲(chǔ)罐，所述CNG發(fā)動(dòng)機(jī)包括氣缸和ECU，所述氣缸包括氣缸進(jìn)氣 閥、氣缸排氣閥、氣缸蓋和火花塞;所述氣缸包括充氣氣缸和用于驅(qū)動(dòng)充氣氣缸的動(dòng)力氣 缸，所述充氣氣缸的數(shù)量不少于兩個(gè);所述充氣氣缸設(shè)置有用于保持其氣缸進(jìn)氣閥、氣缸排 氣閥處于封閉狀態(tài)的閉缸裝置;所述充氣氣缸的氣缸蓋上設(shè)置有充氣通道;該系統(tǒng)還包括 增壓儲(chǔ)罐和連接管網(wǎng)，所述連接管網(wǎng)用于連接充氣通道、民用天然氣氣源、增壓儲(chǔ)罐和高壓 CNG儲(chǔ)罐，其具體結(jié)構(gòu)可參照活塞式壓縮機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì);所述連接管網(wǎng)的管道上設(shè)置有單向閥 和控制閥，所述高壓CNG儲(chǔ)罐上和/或與其相連的管道上設(shè)置有壓力傳感器，所述增壓儲(chǔ)罐 上和/或與其相連的管道上設(shè)置有壓力傳感器;所