天然气低压减压阀的工作原理及优化改进

在汽车行业，特别是双燃料发动机中，天然气低压减压阀起着至关重要的作用。它的主要功能是将高压的天然气压力降低到适合发动机工作的水平。然而，这个过程并非一帆风顺，需要经过多级式的降压和复杂的调节过程。 首先，我们来看看天然气低压减压阀的基本工作原理。当高压的天然气通过减压阀后，会先经过一级减压，然后进入二级减压。在这个过程中，阀门的动作、弹簧的力以及膜片的压力平衡都会影响到最终的气体压力。如果压力过低或者过高，都可能导致发动机无法正常工作。 然而，在实际使用过程中，我们发现双燃料发动机在低转速工况下的表现并不理想。为了解决这个问题，我们在二级减压机构中增加了一个停气机构，可以在发动机低转速或停止运转时阻止天然气的供给。 此外，我们还注意到混合器喉管处的真空度对低压减压阀的工作性能有着重要影响。因此，我们为该阀设置了一个进气管真空度调节系统，可以根据进气管的真空度自动调整混合气的浓度，保证发动机在任何情况下都能正常工作。 总的来说，天然气低压减压阀是一个非常复杂的设备，需要精确的调节和优化才能保证其性能。通过对现有技术的深入研究和改进，我们可以使双燃料发动机在各种工况下都能发挥出最佳的性能。

发动机所需天然气压力很低(相对压力在0～1.5kPa之间)，只靠高压减压阀将压力降到如此低是很难的，而且也不易使压力稳定到所要求的范围内。所以整个系统采取多级式降压方式，在高压减压后进行低压减压，一般低压减压为两级减压综合阀结构。其中，一级减压将高压压力降至0.2MPa±0.02MPa;二级减压后输出的天然气静压力为0～1.5kPa(可调)。

下图(a)为将国产车用柴油机改造为天然气-柴油双燃料发动机所配的低压减压阀：

经过高压减压及过滤后的天然气(1～1.2MPa)，由低压减压阀的E端进入低压减压阀。首先通过低压减压阀进口端的过滤网2进行机械杂质过滤，通过通道到一级阀门3处，然后经过一级阀门3进入第一级减压腔室A腔。A腔内天然气量的增多使A腔内压力升高，天然气的压力作用在一级膜片4上，通过一级膜片压缩一级调压弹簧5，使整个膜片上移，膜片的上移带动一级阀连杆7绕固定轴摆动牵动一级阀门3向左移动，使阀门趋向关小的状态。

在发动机正常工作时，供气是连续不断的。因此，二级阀门8也是开启的，而且不断的将减压后的气输送给发动机。所以，在第一级减压腔室A腔内，总是处于一个不断的平衡过程，其平衡力分析如图(b)所示。

它主要由图示中的4个力形成平衡。P高减为输入低压减压阀的天然气作用于阀门3上的力，PA为A腔进入天然气后形成对一级阀门3的压力，F膜为一级调压弹簧作用在一级阀门3上的等效力，F簧为一级膜片在A腔压力作用下产生的对阀门3关闭的等效力，上述4个力形成了该减压系统的平衡，使得供给H级减压阀门的天然气为恒压。

国产车用天然气-柴油双燃料发动机所匹配的低压减压阀一级减压后天然气压力为0.2～0.22MPa。若第一级减压腔室A内的压力过低，可旋入高压阀弹簧座压缩弹簧，增加弹簧作用在一级阀门3上的力F簧，这样新的平衡使A腔内的压力增加，导致PA和F簧增加。经过第一级减压后的天然气，通过一级减压阀门进入第二级腔室B。天然气的第二级减压过程较第一级减压过程复杂，其不仅要保证输出压力的稳定，而且要依据发动机工况的不同调节供给发动机天然气的量。

根据国内外试验研究结果可知，双燃料发动机在低转速工况中工作性能不好，因此，在低转速下要求发动机工作在纯柴油状态下，且要终止天然气的供给。所以，在第二级减压机构中附加了发动机低转速时停气的机构，该机构是由卸荷装置弹簧15、卸荷膜片16等组成。卸荷膜片与减压阀壳体形成一个密闭腔，即喉管真空度感应腔D。D腔与下图中混合器喉管中心真空度引出接头B孔相连接。

当发动机停转或低速运转时，由于进入发动机的空气总量少，故在混合器喉管处空气的流速较低，所产生的真空度也较小。传给低压减压阀D腔的真空度也较小，因此，卸荷膜片16向上的作用力也较小，难以克服卸荷装置弹簧15下压膜片的力，卸荷膜片不能上移，卸荷膜片的下面压在二级膜片25的上托架上，卸荷膜片不上移，则限制了二级膜片的向上运动。二级膜片25与二级膜片轴杆22相连。轴杆22的上部与二级膜片连杆14相连，下部装有使二级膜片轮杆向下的二级阀弹簧20。除此之外，发动机对天然气低压后的抽吸作用也因喉管真空度变小而减小。

如上图(c)中所示是二级阀的分析图。从分析图中可看出，在低转速情况下作用于二级阀门8上的合力是使二级阀门8关闭，天然气不供给发动机。当发动机转速升高时，混合器喉管处的真空度增大，随之喉管真空度感应腔D内的真空度增大。同时，对第二级腔室B的抽吸作用也增大。D腔内的真空度增大，使得卸荷装置弹簧15被压缩，卸荷膜片16上行，与二级膜片托架脱离，解除了对二级膜片25运动的限制。由于B腔内被抽吸作用的增大，使二级膜片25上行，带动二级膜片轴杆22上行，使得二级阀门8朝开大的方向运动。由A腔进入B腔的气量增加，因而又减小了对二级膜片的作用，膜片下行，又使得二级阀门朝关小的方向运动。二级阀门总是工作在开关大小频繁的调节过程中。这样便保证了B腔内的压力接近恒定，供给发动机一个较为稳定的天然气压力。

考虑到该阀对发动机所需供气压力的可调性，二级阀弹簧20的预紧力可调。随着二级阀弹簧座19向内旋入，二级阀弹簧20释放，其预紧力降低，对二级阀的作用力减小(即F簧减小)。此时在同样的喉管真空度下B腔内的压力有所升高，提高了对发动机的供气压力，反之，降低对发动机的供气压力。作为一个比较完善的机构，不仅要满足正常工作的需要，而且要尽力考虑一些特殊情况下的工作问题。从上述内容中我们知道低压减压阀总气量通过能力的大小主要决定于混合器喉管真空度的大小。

当混合器前的进气管真空度发生变化时，必然影响到喉管处的真空度。假设，由于发动机的工作环境十分恶劣，进气空滤器得不到及时清理，使得进气管真空度远远超出允许范围，则导致进入发动机的空气量减少，而由于进气管真空度的增大天然气供给量却增加，造成混合气浓度过大，使发动机不能正常工作。为了解决这一问题，使供给发动机的混合气在任何情况下均合适，低压减压阀设置了进气管真空调节系统。该系统主要由进气管真空度引入接头21和二级膜片25等组成。进气管真空度增大时，喉管真空度也相应增大。同时对B腔内的抽吸作用也同步增大，天然气供给量增加的方向发展，此时引入低压减压阀下腔F内的真空度也增大，使二级阀向关闭的方向运动，天然气的供给量朝减小的方向发展。两者共同作用的结果是维持供给发动机的混合气浓度适中。

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