Cng发动机多缸自充气系统及其自充气方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种CNG汽车，特别是指一种CNG发动机多缸自充气系统及其自充气方 法。
【背景技术】
[0002] 天然气作为公认的清洁能源，与煤炭、石油并列为世界能源的三大支柱。由于石油 资源的日益减少，为了缓解汽车对石油资源长久性和依耐性的担忧，汽油和电力、汽油和天 然气等混合动力汽车相继研发并已投入使用。近些年来，国家陆续出台了一些政策支持天 然气产业发展，鼓励和支持以LNG、CNG作为燃料的汽车和船舶。
[0003] 我国的天然气资源主要集中在西部及近海区域，一方面，环气源附近的城市例如： 四川、重庆、乌鲁木齐、海南等地，由于天然气充足，建成的加气站数量较多，天然气汽车保 有量也比较大。另一方面，天然气资源匮乏城市的天然气来源主要依靠西气东输等天然气 输送管网，输送的天然气供居民燃烧使用居多，从而导致城市天然气气源少，天然气加气站 的数量难以突破，天然气汽车也因此无法大量普及。
[0004] 与天然气加气站相比，民用天然气要普遍得多。如果能够利用民用天然气对CNG汽 车进行加气，将有效解决目前天然气加气站数量少、CNG汽车加气难的问题。由于民用天然 气入户压力较低，通常在表压26mbar(换算成绝压为0.1036MPa)左右；而CNG汽车的充气压 力约为18MPa，远高于民用天然气入户压力，因此必须对民用低压天然气进行压缩加压后才 有可能充入高压CNG储罐中。对于CNG汽车车主来说，购置昂贵的天然气压缩机显然是不经 济的，而且使用不便，存在安全隐患。相对而言，利用汽车自身设备或车载设备将民用低压 天然气压缩至符合CNG汽车使用要求显然更具实际意义。
[0005] 目前，已公开的CNG加气装置基本上都应用于加气站，并不针对汽车个体。如公开 号为CN104776432A的中国发明专利公开了一种高能CNG加气装置，利用限压阀及进气总阀 对输入的CNG进行限压和控制，在充装天然气的的同时将增效剂通过增效剂加注口注入，从 而使天然气与增效剂混合，提高燃烧温度。而有关利用民用天然气的研究多集中于锅炉等 燃烧器。如公开号为CN102679145A的中国专利申请公开了一种燃天然气锅炉及其燃烧器， 能够使用现有的民用天然气管网进行供气，无需再单独铺设天然气管道并建调压站，大大 降低了燃天然气锅炉的使用成本。有关CNG汽车直接利用民用天然气进行加气的研究目前 还是空白。
[0006] 另一方面，闭缸技术作为一项节能减排技术，在汽车燃油发动机上有着较为广泛 的应用，其实质是将气门做功"断开"使部分气缸处于空转状态，供油系统停止向对应缸体 喷油，从而降低发动机排量。大众、本田、克莱斯勒公司是这种技术的典型代表。大众的 EA211发动机的闭缸系统，是通过电磁阀控制凸轮轴斜槽位移，切换两个不同角度的凸轮从 而实现针对不同工况下对气门升程和正时的改变，闭缸系统只需要将高角度凸轮更换成没 有升程的凸轮即可实现闭缸;本田的i -VTEC/VCM六缸发动机所采用的闭缸系统，其核心是 通过一套塞柱结构的油压装置来驱动链接的气门摇臂的断开或结合，在连杆摇臂内的油压 装置驱动了摇臂的支点，使它停止驱动气门，也就实现了闭缸；克莱斯勒的HEMI发动机的 MDS闭缸系统，在凸轮轴附近还是一个类似气门顶桶的结构，这个顶桶里面有弹簧塞柱，通 过液压驱动连通或断开，从而实现变缸。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种将民用天然气直接充入CNG汽车的CNG发动机多缸自 充气系统及其自充气方法。
[0008] 为实现上述目的，本发明所设计的用于将来自民用天然气气源的低压天然气充入 高压CNG储罐内的CNG发动机多缸自充气方法，包括如下步骤：
[0009] 1)将CNG发动机内的至少两个气缸作为充气气缸，通过闭缸装置使其处于闭缸状 态，并通过ECU使充气气缸的火花塞失效；
[0010] 2)将CNG发动机内余下气缸作为动力气缸，所述动力气缸正常运转，通过燃烧天然 气提供的动力带动充气气缸；
[0011] 3)所述充气气缸在动力气缸的作用下作为活塞式压缩机气缸，以其顶部的充气通 道作为天然气进出通道吸入天然气，经过一次或多次压缩后，最终充入高压CNG储罐内；
[0012] 上述步骤中，通过E⑶对整个充气过程进行控制。
[0013] 优选地，采用增压储罐作为缓存对民用天然气进行多次压缩;压缩过程中，增压储 罐既可作为储罐存储压缩后的天然气，又可作为气源向充气气缸提供天然气。多次压缩可 逐次提高天然气压力，更好地满足高压CNG储罐对压力的要求。
[0014] 可选地，各充气气缸米用并联充气方式，从同一个气源(包括民用天然气气源和各 增压储罐)吸入天然气，进行压缩后将天然气压入同一个储罐(不同于气源的增压储罐或高 压CNG储罐）内。采用一个增压储罐时，来自民用天然气气源的低压天然气，经充气气缸压缩 后首先压入该增压储罐内暂存，该增压储罐压力达到其最大值后作为气源向充气气缸进行 供气，再次压缩后充入高压CNG储罐内。采用两个及以上增压储罐时，各增压储罐按充气顺 序称为一级增压储罐、二级增压储罐等(下同），来自民用天然气气源的低压天然气，经充气 气缸压缩后首先压入一级增压储罐内暂存，一级增压储罐压力达到其最大值后作为气源向 充气气缸供气，再次压缩后得到的压力更高的天然气，充入二级增压储罐内，依此类推依次 将上一级增压储罐内的天然气压缩并转移到下一级增压储罐内，使天然气的压力逐级提 高，最后一级增压储罐中的天然气经压缩后充入高压CNG储罐内。本发明中的压力最大值 (或最大压力）和最小值(或最小压力）为压缩过程中对应增压储罐所能达到的最大压力和 最小压力，其值根据气缸压缩比、增压储罐容积和气源压力的不同而不同，可通过实验进行 确定，或参照多级压缩机进行计算(如后文所述）。
[0015] 可选地，各充气气缸采用串联充气方式，来自民用天然气气源的低压天然气由第 一个充气气缸吸入，依次经过各充气气缸压缩后，由最后一个充气气缸压入高压CNG储罐 内。进一步地，为保证进入下一级充气气缸的气体压力，相邻(指串联顺序上的相邻)两充气 气缸之间设置一个所述增压储罐作为缓存。
[0016] 可选地，各充气气缸采用混联充气方式，即并联充气方式和串联充气方式相互组 合的充气方式。可采用的模式包括但不限于两个并联充气气缸后与第三个充气气缸串联、 两个并联充气气缸与另外的两个并联充气气缸进行串联等。
[0017] 优选地，所述CNG发动机内包含η个充气气缸，η 2 3，其中前n-1个充气气缸并联从 气源(包括民用天然气气源和各增压储罐)吸入天然气，进行压缩后将这些充气气缸中吸入 的天然气输入到第η个充气气缸(第η个表示不同于前n-1个，没有绝对的先后次序。），第η个 充气气缸以前η-1个充气气缸作为气源进行压缩后将天然气压入下一级的储罐(其后的增 压储罐或高压CNG储罐）内。该充气方式下，前n-1个充气气缸必须处于相同的进气行程或排 气行程(充气气缸充气时只有两个行程），而第η个充气气缸必须处于与前n-1个充气气缸相 反的排气或进气行程，即前n-1个充气气缸与第η个充气气缸相差一个行程差，前n-1个充气 气缸处于上止点排气结束时，第η个气缸正好处于下止点吸气结束。该充气方式作为一种具 体的混联充气方式，其优点是，前n-1个充气气缸同时对第η个充气气缸充气，第η个充气气 缸与前n-1个充气气缸之间无需设置增压储罐即可保证第η个充气气缸的压力，因此相对于 串联或并联可以少设置一个增压储罐。
[0018] 优选地，各充气气缸同时从民用天然气气源吸入天然气，进行压缩后充入第一级 增压储罐;第一级增压储罐达到最大压力后，一部分充气气缸继续向第一级增压储罐内充 气，另一部分充气气缸以第一级增压储罐为气源，向第二级增压储罐内充气;依此类推，上 一级增压储罐达到最大压力后，部分充气气缸以其为气源，向下一级增压储罐内充气，直至 最后一级增压储罐作为气源进行压缩后充入高压CNG储罐内。进一步地，若充气过程中因上 一级充气气缸出现故障或压缩较慢导致某个增压储罐内气体压力降低至该增压储罐的最 小压力，导致不足以进行下一级压缩时，可暂停下一级压缩，将执行下一级压缩任务的气缸 临时用作该级压缩，尽快使该增压储罐充满(即压力达到最大值）。
[0019] 本发明同时提供了一种为实现前述方法而专门设计的CNG发动机多缸自充气系 统，包括CNG发动机和高压CNG储罐，所述CNG发动机包括气缸和ECU，所述气缸包括气缸进气 阀、气缸排气阀、气缸盖和火花塞;所述气缸包括充气气缸和用于驱动充气气缸的动力气 缸，所述充气气缸的数量不少于两个;所述充气气缸设置有用于保持其气缸进气阀、气缸排 气阀处于封闭状态的闭缸装置;所述充气气缸的气缸盖上设置有充气通道;该系统还包括 增压储罐和连接管网，所述连接管网用于连接充气通道、民用天然气气源、增压储罐和高压 CNG储罐，其具体结构可参照活塞式压缩机进行设计;所述连接管网的管道上设置有单向阀 和控制阀，所述高压CNG储罐上和/或与其相连的管道上设置有压力传感器，所述增压储罐 上和/或与其相连的管道上设置有压力传感器;所