行之知识产权综合服务平台

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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

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。

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：

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；

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；

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；

上述步骤中，通过ECU对整个充气过程进行控制。

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。

可选地，各充气气缸采用并联充气方式，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)。

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。

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。

优选地，所述CNG发动机内包含n个充气气缸，n≥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n个 充气气缸(第n个表示不同于前n-1个，没有绝对的先后次序。)， 第n个充气气缸以前n-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n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n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 n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n个充气气缸充气， 第n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n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。

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)。

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；所述闭缸装置、火花塞、控制阀、压力传 感器分别接入ECU中，通过ECU对整个充气过程进行控制。

优选地，各充气气缸的连接方式为并联、串联或混联，分别对应 于前述并联充气方式、串联充气方式、混联充气方式。

优选地，所述增压储罐和/或高压CNG储罐的输入管道上设置有 冷却器。增加冷却器可移除天然气在压缩过程中产生的热量，防止罐 体过热。

优选地，所述增压储罐组的增压储罐数量为2～3个，既可获得较 高压力的天然气，又不至于占用过多汽车内的空间。

优选地，所述闭缸装置包括凸轮轴、凸轮轴套和设置有两个阀芯 的电磁阀，所述凸轮轴套上设置有高角度凸轮和低角度凸轮，所述凸 轮轴套相对于凸轮轴周向固定、轴向不固定，即凸轮轴套及其上的高 角度凸轮、低角度凸轮可相对于凸轮轴的轴向位移，但不能相对于凸 轮轴周向转动；所述凸轮轴套的外侧设置有螺旋斜槽，所述螺旋斜槽 左右两部分的螺旋方向相反，所述电磁阀的两个阀芯可在ECU的控 制下伸入螺旋斜槽对应部分的斜槽内，使凸轮轴套及其上的高角度凸 轮、低角度凸轮在旋转的凸轮轴的作用下相对于凸轮轴的轴向进行位 移。充气气缸的气缸进气阀、气缸排气阀处分别设置有上述闭缸装置， 当低角度凸轮移动到对应气缸进气阀、气缸排气阀的柱塞位置时，无 法顶开柱塞，气缸处于封闭状态，即实现了闭缸；当高角度凸轮移动 到对应柱塞位置时，可以顶开柱塞，上述两个阀门恢复正常。上述结 构借鉴大众EA211发动机的闭缸结构，具有结构简单、效果稳定的 优点。

本发明的有益效果是：1)在现有燃油发动机闭缸技术的基础上， 创造性地将气缸改造成活塞式压缩机，改装幅度小，易于实现；2) 经过改造的CNG发动机具有动力模式和充气模式两种工作模式，充 气时充气气缸切换为充气模式，充气完毕后，充气气缸在ECU控制 下可即时切换成动力模式，不影响CNG发动机的性能，CNG汽车可 正常行驶；3)采用多个气缸作为充气气缸进行充气，充气速度更快， 尤其适用于用气量大的大型CNG汽车，如重卡、公交等；4)CNG 汽车用户利用民用天然气自行充气，能有效缓解加气站不足的燃眉之 急，促进天然气能源的广泛利用，具有较大的社会价值，符合未来节 能减排的发展趋势。

附图说明

图1实施例中CNG发动机多缸自充气系统的并联结构示意图。

图2实施例中CNG发动机多缸自充气系统的串联结构示意图。

图3实施例中CNG发动机多缸自充气系统的混联结构示意图。

图4为图1～3中充气气缸的结构示意图。

图5为图4中闭缸装置的结构示意图。

其中：民用天然气气源1、高压CNG储罐2、增压储罐3、充气 气缸4、动力气缸41、气缸进气阀42、气缸排气阀43、气缸盖44、 火花塞45、连杆46、活塞47、曲轴48、充气通道5、闭缸装置6、 电磁阀61、凸轮轴62、凸轮轴套63、高角度凸轮64、低角度凸轮 65、螺旋斜槽66、柱塞67、控制阀7、单向阀71、冷却器8、压力 传感器81

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1～4所示，本发明所设计的CNG发动机多缸自充气系统， 包括CNG发动机、高压CNG储罐2、增压储罐3和连接管网。CNG 发动机包括气缸和ECU，所述气缸包括气缸进气阀42、气缸排气阀 43、气缸盖44和火花塞45。该CNG发动机为六缸发动机，分别称 为气缸Ⅰ～Ⅵ，气缸Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ改装为充气气缸4；气缸Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ 不进行改装，作为动力气缸41。充气气缸4设置有闭缸装置6，充气 气缸4的气缸盖44上设置有充气通道5。增压储罐3的数量为两个， 分别称为增压储罐A、增压储罐B。

所述连接管网用于连接充气通道5、民用天然气气源1、增压储 罐3和高压CNG储罐2。所述连接管网的管道上设置有单向阀71和 控制阀7。为方便起见，各控制阀7用小写英文字母进行编号。单向 阀71允许通过的方向为图中管道上的箭头所指方向。高压CNG储罐 2和增压储罐3的进气管道上分别设置有压力传感器81和冷却器8。 闭缸装置6、火花塞45、控制阀7、压力传感器81分别接入ECU中， 通过ECU对整个充气过程进行控制。

如图5所示，闭缸装置6包括凸轮轴62、凸轮轴套63和设置有 两个阀芯的电磁阀61，凸轮轴套63上设置有高角度凸轮64和低角 度凸轮65，凸轮轴套63相对于凸轮轴62周向固定、轴向不固定； 凸轮轴套63的外侧设置有螺旋斜槽66，螺旋斜槽66左右两部分的 螺旋方向相反，电磁阀61的两个阀芯可在ECU的控制下伸入螺旋斜 槽66对应部分的斜槽内，使凸轮轴套63及其上的高角度凸轮64、 低角度凸轮65在旋转的凸轮轴62的作用下相对于凸轮轴62的轴向 进行移动。当低角度凸轮65移动到气缸进气阀42、气缸排气阀43 的柱塞67处时，无法顶开柱塞67，该充气气缸4处于封闭状态，即 实现了闭缸；当高角度凸轮64移动到对应柱塞67处时，可以顶开柱 塞67，上述两个阀门恢复正常。

充气气缸4包括两种工作模式，即燃烧天然气提供动力的动力模 式和作为活塞式压缩机气缸的充气模式。动力模式下，在ECU的控 制下，关闭控制阀b、c、d，使火花塞45正常工作，闭缸装置6使 充气气缸4的凸轮复位；充气模式下，在ECU的控制下，打开控制 阀b、c、d，使火花塞45失效，闭缸装置6进行闭缸操作，此时充 气气缸4只有充气通道5一个通气口，动力气缸41通过曲轴48、连 杆46驱动充气气缸4的活塞47上下往复运动，此时充气气缸4相当 于活塞式压缩机气缸。

上述CNG发动机多缸自充气系统包括并联、串联和混联三种充 气方式，以下分别对其进行说明。

如图1所示，各充气气缸4采用并联连接，各充气气缸4均能从 气体来源处吸入天然气进行压缩，具体步骤如下：

1)通过ECU将各充气气缸4切换为充气模式，打开控制阀b、 c、d，动力气缸41正常运行并带动充气气缸4。

2)打开控制阀a、f，保持控制阀e、g、h、i处于关闭状态。

3)各充气气缸4分别从民用天然气气源1吸入低压天然气并进 行第一次压缩，经过一次压缩的民用天然气被压入增压储罐A内。 吸气路径：a→b→Ⅱ，a→c→Ⅳ，a→d→Ⅵ；排气路径：Ⅱ→b→f→ A，Ⅳ→c→f→A，Ⅵ→d→f→A。其中小写英文字母为控制阀，大写 英文字母为增压储罐，罗马数字为气缸，下同。增压储罐A存满(指 其压力达到最大值)后，关闭控制阀a、f。

4)打开控制阀h、g，以增压储罐A作为气源同时向各充气气缸 4供气，经第二次压缩后充入增压储罐B中。吸气路径：A→h→b→ Ⅱ，A→h→c→Ⅳ，A→h→d→Ⅵ；排气路径：Ⅱ→b→g→B，Ⅳ→c →g→B，Ⅵ→d→g→B。反复压缩直至增压储罐A内的气体无法被充 气气缸吸入，即充气气缸内余隙容积气体膨胀至下止点后缸内的压力 恰好与增压储罐A内剩余气体压力相等。此时增压储罐A的压力为 其输出气体最低压力，停止气体输出，返回步骤2)对将增压储罐A 充满后继续对增压储罐B进行充气。

5)增压储罐B存满，即增压储罐B的压力达到最大值后，关闭 控制阀h、g，打开i、e，以增压储罐B作为气源向充气气缸4供气， 经第三次压缩后充入高压CNG储罐2中。吸气路径：B→i→b→Ⅱ， B→i→c→Ⅳ，B→i→d→Ⅵ；排气路径：Ⅱ→b→e→高压CNG储罐， Ⅳ→c→e→高压CNG储罐，Ⅵ→d→e→高压CNG储罐。反复压缩直 至增压储罐B内的气体无法被充气气缸吸入，即充气气缸内余隙容积 气体膨胀至下止点后缸内的压力恰好与增压储罐B内剩余气体压力 相等，此时增压储罐B的压力为其输出气体最低压力，停止气体输出。

6)重复上述步骤，直至高压CNG储罐2的压力达到设定值，该 值根据需求决定。充气完毕后，关闭前述所有控制阀，将充气气缸4 切换回动力模式。

如图2所示，各充气气缸4采用串联连接，来自民用天然气气源 1的天然气从气缸Ⅱ吸入，依次经气缸Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ进行压缩，具体步 骤如下：

1)通过ECU将各充气气缸4切换为充气模式，打开控制阀b、 c、d，各动力气缸41正常运行并带动充气气缸4。

2)打开控制阀a、f，气缸Ⅱ从民用天然气气源1吸入低压天然 气并进行第一次压缩，经过气缸Ⅱ压缩的民用天然气被压入增压储罐 A内。吸气路径：a→b→Ⅱ；排气路径：Ⅱ→b→f→A。

4)关闭控制阀a、f，打开控制阀h、g，以增压储罐A作为气源 向气缸Ⅳ供气，经气缸Ⅳ压缩后充入增压储罐B中。吸气路径：A→ h→c→Ⅳ；排气路径：Ⅳ→c→g→B。

5)关闭控制阀h、g，打开控制阀i、e，以增压储罐B作为气源 向气缸Ⅵ供气，经气缸Ⅵ压缩后充入高压CNG储罐2中。吸气路径： B→i→d→Ⅵ；排气路径：Ⅵ→d→e→高压CNG储罐。

6)重复上述步骤，直至高压CNG储罐2的压力达到设定值(该 值根据需求决定)。充气完毕后，关闭前述所有控制阀，将充气气缸 4切换回动力模式。

如图3所示，各充气气缸4采用混联连接，一级压缩时，气缸Ⅱ， Ⅳ，Ⅵ同时将增压储罐A充满即第一次达到最大压力值后，气缸Ⅱ 单独向增压储罐A继续充气，气缸Ⅳ、Ⅵ将同时进行二级压缩，当 增压储罐B充满即第一次达到最大压力值后，气缸Ⅳ单独向增压储罐 B继续充气，气缸Ⅵ则进行三级压缩，将气体压缩至高压CNG储罐 2内，后续压缩则进入多缸串联压缩模式。具体步骤如下：

1)进入充气模式后，打开控制阀b、c、d和控制阀a、m、n、f、 j、k(没指出的控制阀默认关闭)，民用天然气经过控制阀a、b进 入气缸Ⅱ内，经过控制阀a、m、c进入气缸Ⅳ内，经过控制阀a、m、 n进入气缸VI内，同时进行一级压缩，压缩结束后，气缸Ⅱ内的气 体经过控制阀b、f进入增压储罐A，气缸Ⅳ内的气体经过控制阀c、 j、f进入增压储罐A内，气缸Ⅳ内的气体经过控制阀d、k、j、f进 入增压储罐A内。

2)当增压储罐A第一次充满后，控制阀m关闭，控制阀j关闭， 控制阀h打开。气缸Ⅱ继续沿着控制阀a、b吸气进行一级压缩。增 压储罐A排出的气体经过控制阀h、c进入气缸Ⅳ内，经过h、n、d 进入气缸VI内，同时进行二级压缩。

3)增压储罐B充满即第一次达到最大压力值后，控制阀n、k 关闭，控制阀i、e打开。气缸Ⅳ继续沿着控制阀h、c吸气进行二级 压缩。增压储罐B排出的气体经过阀i、d进入气缸VI内进行三级压 缩，压缩后的气体经过d、e进入高压CNG储罐2内。此后进入多缸 串联压缩模式。

增压储罐最大压力和最小压力的估算

CNG发动机压缩比较高，一般为10.1--11.3。本实施例拟压缩的 目标压力为18MPa的最终压力，民用天然气的表压力为2.3kpa，则 (0.101为大气压力)，压缩机总的压力比ε_t＝18/(0.101+2.3/1000) ＝174。

A.最大压力的估算

该系统包含两个增压储罐和一个高压CNG储罐，即天然气先后 经过了三次压缩，故压缩机级数Z＝3。

可计算出每级压缩的压比

第一级压缩结束后的排出压力，即增压储罐A的最大压力为5.6 ×0.103＝0.577MPa；

第二级压缩结束后的排出压力，即增压储罐B的最大压力为 0.577×5.6＝3.23MPa；

第三级压缩结束后的排出压力，即高压CNG储罐经该系统压缩 后所能达到的最大压力为3.23×5.6＝18.1MPa。

B.最小压力的估算

设中间气罐内压力值为p1，气罐体积为v1，，质量为m1；设压 缩气缸内余隙容积内的气体质量为m2，压力为p2，体积为v2；设气 缸的总体积为v。当中间气罐内的气体恰好无法被气缸吸入时，此时 气缸内余隙容积内气体膨胀到下止点时，缸内气体压力与中间罐内压 力相等。不考虑膨胀做功，不考虑温度变化，当两边压力达到平衡时 的关系为：p₂·v₂＝m₂·R·T(膨胀之前)；p₁·v＝m₂·R·T(膨胀之后)。 此时剩余气体压力为：p₁＝(p₂·v₂)/v。该压力即为增压储罐的最小压力。