石添華

LNG客車過流閥導(dǎo)致熄火的故障分析和設(shè)計改進

石添華

（廈門金龍旅行車有限公司，福建 廈門361026）

LNG客車發(fā)動機突然熄火，經(jīng)對燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、整車燃?xì)饪刂萍半娐废到y(tǒng)、發(fā)動機ECU及燃?xì)怆娍叵到y(tǒng)和相關(guān)元器件逐一分析排查，最后確認(rèn)因過流閥結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致供氣不穩(wěn)定，并對其進行結(jié)構(gòu)改進設(shè)計，故障消除。

LNG客車；發(fā)動機熄火；過流閥

1　背景及故障現(xiàn)象

天然氣是一種優(yōu)質(zhì)潔凈的化石能源。液化天然氣是天然氣開發(fā)利用的一項關(guān)鍵技術(shù)，在國內(nèi)外已形成一個產(chǎn)業(yè)，每年以平均8%的速度增長［1］。近年來，在中國能源消費結(jié)構(gòu)中，增長很快。汽車行業(yè)是人們關(guān)注的應(yīng)用重點。而一直以來，在公路客運和城市公共交通領(lǐng)域占據(jù)著重要地位的客車，也正是廢氣排放空氣污染的主力軍之一。為此，國家及相關(guān)部門把清潔能源燃?xì)饪蛙?，尤其是LNG客車定位于未來發(fā)展的重點方向。

LNG汽車的主要優(yōu)點如下［2］：LNG為優(yōu)質(zhì)清潔燃料，與柴油相比，PM2.5排放量減少93%以上，能有效避免冒黑煙問題。經(jīng)過多環(huán)節(jié)凈化處理，燃燒后生成二氧化碳和水，不會產(chǎn)生硫、鉛、苯等有害有毒物質(zhì)；低壓保溫儲存，氣瓶結(jié)構(gòu)更先進，泄露幾率極小，安全性能更好；能量密度高，占據(jù)空間少，便于儲運及加注，有效提升續(xù)駛里程，尤其對公路客運車型有利；燃?xì)廛囆瓦\營成本比燃油車型燃料費用降低約15%～20%。近年來，鑒于LNG先天性的環(huán)保優(yōu)勢和營運成本優(yōu)勢，加上國家政策引導(dǎo)支持、基礎(chǔ)管網(wǎng)設(shè)施的普及、燃?xì)馐袌黾皟r格的逐步規(guī)范、運營規(guī)模的慣性效應(yīng)等影響，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)及研究結(jié)果表明，燃?xì)饪蛙囉绕涫荓NG客車在整個行業(yè)占據(jù)的比重在逐年提升，且提升的幅度越來越快?？梢哉f，客車正經(jīng)歷著向LNG加速轉(zhuǎn)化的進程［3］。一些客運企業(yè)的LNG客車保有量比重已達到40%，有些企業(yè)甚至將LNG客車比重的目標(biāo)設(shè)定為80%。

隨著LNG客車的普及應(yīng)用，LNG供氣系統(tǒng)也暴露出一些問題，其中以車輛在行駛過程中出現(xiàn)發(fā)動機突然熄火故障最具有代表性和典型性。熄火可能牽涉到整車燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、整車燃?xì)饪刂萍半娐废到y(tǒng)、發(fā)動機ECU及燃?xì)怆娍叵到y(tǒng)，涉及的元器件紛繁復(fù)雜，要排查問題根源難度很大。本文就南京某公交公司一批大型LNG城市客車出現(xiàn)因過流閥結(jié)構(gòu)導(dǎo)致發(fā)動機熄火故障進行全面分析，同時提出對LNG系統(tǒng)中過流保護閥的改進設(shè)計方案。該批車輛的具體故障現(xiàn)象為車輛運行過程中，忽然出現(xiàn)看似沒有規(guī)律性的油門操控快速失效，進而發(fā)動機自動熄火。經(jīng)查，該批次在多條線路運行的車輛均不同程度地出現(xiàn)該問題，出現(xiàn)的頻次、時間間隔、單臺車反復(fù)出現(xiàn)的工況點等看似均無統(tǒng)計性規(guī)律。

2　故障原因分析

出現(xiàn)故障的車輛均表現(xiàn)出緩沖罐氣壓快速下降的現(xiàn)象，并且即使緩沖罐的壓力上升至0.7～0.8 MPa后，還會出現(xiàn)緩沖罐氣壓快速下降的現(xiàn)象。從故障表現(xiàn)和出現(xiàn)故障后駕駛員的描述以及駕駛員采取的應(yīng)急處理辦法來看，基本可以判斷［4-5］：天然氣供氣管路燃料供應(yīng)不暢，是產(chǎn)生發(fā)動機熄火或進入油門保護模式的直接原因。故障出現(xiàn)的隨機性和偶然性非常明顯，故障的復(fù)現(xiàn)難度非常大，采取的故障排除過程如下：

1）排除電器線路接觸不良和通訊電磁干擾［6］。我司售后人員和服務(wù)站對電氣線路進行排查，并請玉柴發(fā)動機專業(yè)工程師對出現(xiàn)過故障的車輛進行了多次電磁干擾測試，沒有發(fā)現(xiàn)線路接觸不良和電磁干擾情況。

2）排除電控調(diào)壓閥工作不正常引起異常關(guān)閉。從拆解電控調(diào)壓閥的情況看，即使在電控調(diào)壓閥斷電情況下或完全失去通訊的情況下，電控調(diào)壓閥仍處于半開狀態(tài)，也不會造成燃料供給不足，且系統(tǒng)并未采集到電控調(diào)壓閥有失電的故障代碼記錄。由此推斷，電控調(diào)壓閥應(yīng)該不是出現(xiàn)故障的問題點。

3）排除低壓電磁閥故障而導(dǎo)致燃料供應(yīng)不暢。對其中一輛車進行拆除低壓電磁閥試驗以便排查，跟蹤后仍出現(xiàn)同樣故障。因此，低壓電磁閥應(yīng)不是本次故障原因。

4）燃?xì)庀到y(tǒng)與發(fā)動機的匹配情況分析。發(fā)動機的最大燃?xì)庑枨罅繛?1.2 m3/h（從采集的各種路況下的空燃比數(shù)據(jù)看，與理論值基本吻合，誤差不超過2%），燃?xì)庀到y(tǒng)中汽化器的汽化能力為80 m3/h（發(fā)動機廠要求為55～60 m3/h），完全滿足發(fā)動機要求，不存在因為汽化器汽化能力不足產(chǎn)生燃?xì)夤?yīng)不暢的問題。

5）關(guān)于油門開關(guān)速率和燃料供給響應(yīng)時間協(xié)同問題。從理論上說，在快速踩下油門的瞬間，如果發(fā)動機會產(chǎn)生一個突變的燃料需求，有可能會導(dǎo)致過流閥關(guān)閉。從路譜采集的數(shù)據(jù)看，電子節(jié)氣門打開時間為3.59 s時（見圖1），燃料響應(yīng)時間為10.30 s（見圖2）。也就是說，不會因為電子節(jié)氣門的打開速率而導(dǎo)致燃料需求量的急劇變化，從而促發(fā)過流閥關(guān)閉。

6）過流閥的位置安裝于液相管路段，距離發(fā)動機進氣口還有汽化器和緩沖罐，而汽化器和緩沖罐均能夠有效緩沖壓力波動。因此，認(rèn)為由于發(fā)動機工況變化引起的壓力和流量波動導(dǎo)致過流閥關(guān)閉的可能性可以被排除。

7）從發(fā)生故障率最高線路（過南京長江大橋的線路）看，路面質(zhì)量較差，坑洼較多，車輛行駛時顛簸嚴(yán)重。從過流閥的結(jié)構(gòu)（見圖3）推測，鋼球在車輛正常行駛狀態(tài)下，相對于閥體來說，應(yīng)該不是靜止的。隨著管路壓力波動和流量變化，以及路面顛簸，鋼球在閥體中可能會上下運動。如果路面質(zhì)量較差，可能加劇過流閥關(guān)閉的幾率。在車輛靜止時，人為造成燃料管路壓力波動，能明顯聽到鋼球運動的聲音，試驗的結(jié)果證實了上述判斷是正確的。

綜上所述，造成本批次車輛熄火（或進入油門保護）故障的根本原因在于過流閥穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致部分車輛運行過程中過流閥異常關(guān)閉，同時，在使用工況較差的情況下，故障發(fā)生頻次會有所增加。

3　過流閥結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

3.1原始結(jié)構(gòu)設(shè)計

國內(nèi)及行業(yè)關(guān)于天然氣標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范［7-8］目前暫無針對LNG燃?xì)夤┙o系統(tǒng)過流閥的具體使用規(guī)定，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)配套廠商參照了美國SAEJ 2343《中型及重型LNG汽車推薦規(guī)程》（以下簡稱SAE）中關(guān)于車用LNG氣瓶過流閥的規(guī)定。SAE中要求，“在提供燃料的管路上安裝過流閥，當(dāng)燃料管路破裂或者流量異常加大時，應(yīng)自動啟動保護”。但SAE中沒有明確規(guī)定，過流閥應(yīng)當(dāng)具備過流截止還是過流限制功能，系統(tǒng)廠商設(shè)計之初，選擇了具有過流截止功能的鋼珠式過流閥。

從圖3可看出，采用鋼珠式過流閥的燃?xì)庀到y(tǒng)出現(xiàn)異常時，過流閥會自動切斷流體。但當(dāng)系統(tǒng)流量回歸正常穩(wěn)定后，自動回位則依靠鋼珠自身重力；而該結(jié)構(gòu)對閥體、鋼珠本身的加工精度和品質(zhì)都要求極高，否則容易卡滯鋼珠無法回位引起燃?xì)鉄o法持續(xù)供應(yīng)并最終導(dǎo)致發(fā)動機熄火，且該結(jié)構(gòu)更適合于靜態(tài)場站管路系統(tǒng)，對動態(tài)管路系統(tǒng)適應(yīng)性較差［9］。

3.2改進結(jié)構(gòu)設(shè)計

初步設(shè)想兩種改進結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案如下。

1）要求燃?xì)庀到y(tǒng)配套廠商提升過流閥的加工精度和品質(zhì)，或在現(xiàn)有過流閥基礎(chǔ)上增開補償孔，同時校正過流閥的安裝姿態(tài)，以保證過流閥的回座性能。鑒于目前國內(nèi)相關(guān)件技術(shù)工藝、加工設(shè)備及配套資源限制，閥類件本身加工精度和品質(zhì)很難在短時間內(nèi)實現(xiàn)本質(zhì)的提升和突破。該方案實施起來有難度，更適合作為后續(xù)長期研究課題。

2）更改燃?xì)庀到y(tǒng)過流閥結(jié)構(gòu)［10-11］，采用彈簧式過流閥（見圖4）。彈簧式過流閥可避免因閥本身的結(jié)構(gòu)、精度及品質(zhì)等導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的隱患，同時，彈簧有主動回位能力，更利于動態(tài)系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上更能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

綜合權(quán)衡后，按照方案2）對整車技術(shù)狀態(tài)進行設(shè)計改進，對出現(xiàn)頻次高的線路故障車，按照改進設(shè)計方案2）進行改制后，車輛運行恢復(fù)正常，故障完全消除。

4　結(jié)束語

細(xì)節(jié)詮釋著設(shè)計水平，細(xì)節(jié)未處理好必將由多倍的代價和艱辛來彌補，而對整車品質(zhì)和品牌價值的負(fù)面影響卻更難挽回。近年來，隨著LNG客車應(yīng)用技術(shù)、開發(fā)設(shè)計經(jīng)驗的積累，各主流整車廠及配套廠家相互合作交流，對LNG燃?xì)庀到y(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)研究都有了一定的沉淀，只是在細(xì)分及細(xì)節(jié)方面可能都存在一些需要進一步合作和深入研究的地方，就如同本文所述通過協(xié)助燃?xì)夤┙o系統(tǒng)廠商對過流閥的細(xì)節(jié)進行改進設(shè)計，解決了影響整車正常運行的大問題。

［1］顧安忠，魯雪生.液化天然氣技術(shù)手冊［K］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］顧安忠.液化天然氣技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［3］木子.2014年前三季度LNG客車市場五大特點總結(jié)［EB/OL］.中國客車網(wǎng)，（2014-10-20）［2014-11-10］. http://www.chinabuses.com

［4］周行卜.玉柴天然氣發(fā)動機電氣原理與使用維護［J］.汽車電器，2012，（11）

［5］金柏正，徐洪淼.4例典型LNG客車故障分析［J］.商用汽車，2014，（7）

［6］何宏.電磁兼容與電磁干擾［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007.

［7］GB 19239-2013，燃?xì)馄噷Ｓ醚b置的安裝要求［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［8］GB 7258-2012，機動車運行安全技術(shù)條件［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［9］明仁雄.液壓與氣壓傳動［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［10］成大先.機械設(shè)計手冊［K］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［11］冀宏，傅新，楊華勇.幾種典型液壓閥口過流面積分析及計算［J］.機床與液壓，2003，（5）:14-16.

修改稿日期：2014-11-18

Fault Analysis and Design Improvement on Flameout Caused by Excess Flow Valve for LNG Bus

Shi Tianhua
（Xiamen Golden Dragon Bus Co.，Ltd，Xiamen 361026，China）

Accordingtothe sudden flameout ofthe LNGbus engine，the author analyzes and inspects the gas supply system，vehicle gas control and circuit system，engine ECUand its electronic gas control system，and related components one by one.Finally，he confirms that unstable gas system is caused by the excess flowvalve's structure defect，and then he improves the valve structure design.The failure is eliminated.

LNGbus；engine flame out；excess flowvalve

U463.6；U473.2+4

B

1006-3331（2015）01-0047-03

石添華（1972-），男，工程師；從事客車產(chǎn)品研發(fā)工作。