天然气减压阀设计
摘要：为了控制CNG燃料发动机燃料供给系统的燃料压力变化，设计了与YC6112ZLQ型天然气发动机相对应的减压阀，对减压阀进行了总体结构设计，并对主要结构参数、减压阀
的流量、减压阀的膜片尺寸、减压阀的弹簧参数进行了设计计算，结果表明所设计的减压阀
满足CNG燃料发动机的工作要求。
引言
天然气发动机的减压阀对混合的形成和燃烧过程的控制有着非常重要的影响，减压阀工作的可靠性及稳定性是混合气形成的关键因素之一。所以需要对天然气发动机供给系统的减
压阀进行优化设计。
1 减压阀的总体性能要求
天然气经减压阀减压后至天然气气轨，然后由喷射器将天然气喷入气缸内。天然气由电控三通阀直接进入减压阀；在气瓶储气压力<11Mpa 时，天然气经电控三通阀后由增压泵将
天然气增压至11Mpa，再进入减压阀。所对应的发动机为YC6112ZLQ 增压中冷柴油机的为
改造的天然气发动机，减压阀在进口压力Pj 为11-20Mpa 时，出口压力Pc 保持在10Mpa。
即减压阀进口压力Pj 的范围是：11Mpa≦Pj≦20Mpa，减压阀出口压力Pc 要求稳定在10Mpa。经减压阀减压后的CNG 的压力稳定在10Mpa，由高压管路将减压后的CNG 送至天然气共
轨中。共轨与减压阀之间用管路连接，这就可以通过减压阀的稳压作用，使共轨中的天然气
压力保持在10Mpa，进而达到精确的控制空燃比的目的。
2 减压阀的总体设计
减压阀应具有减压和稳压的作用。通过减压阀中启闭件的节流，可以实现减压作用。同时，通过对启闭件的启闭进行控制，可以实现稳压作用 [2～3]。电控阀瓣式减压阀，即启闭件采用阀瓣式结构，对启闭件的控制采用步进电机进行控制。利用安装在天然气气轨上的压力
传感器，实时测量天然气气轨的压力，并将气轨压力信号转变为电信号供ECU 处理。当气
轨压力小于10Mpa 时，ECU 控制步进电机动作，增加阀瓣的开度；当气轨压力大于10Mpa 时，ECU 控制步进电机动作，减小阀瓣的开度。可以根据理论计算或标定试验,ECU 计算出
相应压力下的阀瓣开度及步进电机动作电流的持续时间和方向。电控阀瓣式减压阀的结构及控制策略，如图1 所示。
1-阀体；2-气轨；3-压力传感器；4-阀瓣
图1 电控阀瓣式减压阀结构及控制策略弹簧膜片式减压阀，通过弹簧来设定出口压力，弹簧力的传递是通过膜片实现的。膜片对压力变化的灵敏度高于活塞对压力变化的灵敏度，因此弹簧膜片式气体减压阀性能较高，能满足要求较高的气路系统的使用。
3 减压阀的结构参数设计
CNG 减压阀采用三级减压形式，即通过三次减压将CNG 减压至1Mpa 左右。在本设计中，所设计的减压阀是把11-20Mpa 的CNG 减压到10Mpa。一级减压将11-20Mpa 的CNG
减压至10Mpa。
3.1 减压阀的流量
首先计算发动机最大功率时所需CNG 的量q' m(kg/h)：
式中：
g e -发动机燃油消耗率，g/(Kw.h)；
P max -发动机最大功率，Kw；
H u1 -发动机使用燃油的热值，KJ/Kg；
H u2 -CNG 的热值，KJ/Kg；
上述参数的取值： g e =210， P max =177， H u1 =42500， H u2 =50050。则发动机最大功率时所需CNG 的量q' m。
减压阀质量流量qm(Kg/s)：
式中：
μ-介质的流通速度，m/s；
ρ-介质的密度，Kg/m3；
=0.044(Kg/s)=158.71(Kg/h)
减压阀体积流量： q V =q m/ρ
q V =(3.14×10-16×62×20)/4=0.565×10-3(m3/s)=2.04(m3/h)。
由上述计算可知：qm﹥q'm，即按照初选的减压阀CNG 进口的公称通径DN=8mm 计算，
所设计的减压阀能满足发动机在最大功率时的天然气供给。
3.2 减压阀膜片的设计计算
膜片的作用在于感知减压后气体的压力，并利用其自身的位移来改变阀瓣的开启高度，
进而使减压后的压力保持在设定值左右。按照膜片轴向截面形状，膜片可分为平面膜片和波
纹膜片两种。平面膜片一般用于中心位移小、特性稳定度要求不严格、压力与中心位移大致
呈抛物线关系的测量装置中。波纹膜片是一个带有环状同心波纹的薄圆片，按波纹的类型可
分为正弦形、梯形、锯齿形、圆形和弧形等。
图2 E 型波纹膜片结构示意
在一级减压中，根据使用要求，应选用位移与压力成线性关系的波纹膜片。E 型波纹膜
片的位移与压力很接近于线性关系，且相当稳定。在一级减压膜片中，选用E 型波纹膜片，
其结构如图2 所示。
为了获得较高的灵敏度，选定一级膜片直径D =40mm。为了获得较高的刚度，选定一
级膜片厚度h =0.5mm。该膜片的D/h=80≤300，E 型膜片压力与中心位移的关系：
式中：
f0 -膜片中心位移，mm；
μ -泊松数；
E-膜片材料的弹性模数，Mpa；
D-膜片直径，mm；
h-膜片厚度，mm；
P-压力，Mpa；
相关数据：D =40mm， h =0.5mm，μ=0.3， E =1.35×105Mpa， P =10Mpa。
，即膜片的中心位移为8.80mm。
E 型波纹膜片的膜片特性是线性的，有效面积：
A= π(R2 +Rr+r2)
R-膜片的工作半径，mm；
r-硬心半径，mm；
结合选定的膜片直径，得出R =20mm， r =5mm，
经计算有效面积2 2 1 (20”)
发动机处于停机状态时，单向阀将共轨管与减压阀隔开。即减压阀处于未受力状态，减
压阀阀口常开，阀杆开度为8.80mm，膜片未工作，调节螺栓在初始状态。发动机工作后，CNG 由气瓶进入减压阀后，膜片在压力的作用下上移。根据共轨压力要求，设定减压阀的
输出压力10Mpa，则膜片的牵引力有： F =A×P
F=549.5×10 =5495(N)。
计算出E型波纹膜片的尺寸如表1 所示。
表 1 减压阀E 型波纹膜片尺寸
3.3 减压阀弹簧的设计计算
书室弹簧直接决定了减压后的压力值，且弹簧和膜片的性能也决定了减压阀输出压力的变化范围，弹簧设计对减压阀的性能十分重要。
3.3.1 选择材料和确定许用应力
根据弹簧所受载荷特性及要求，选用C 类油淬火回火硅锰合金弹簧钢丝，材料为60Si2MnA，σb =1569～1716Mpa，G=78.8×103Mpa，τs =[τ] =0.40×1569=627.6Mpa。
初步选取旋绕比C=4，钢丝直径:
