LNG客车过流阀导致熄火的故障分析和设计改进

石添华

LNG客车过流阀导致熄火的故障分析和设计改进

石添华

（厦门金龙旅行车有限公司，福建 厦门361026）

LNG客车发动机突然熄火，经对燃气供给系统、整车燃气控制及电路系统、发动机ECU及燃气电控系统和相关元器件逐一分析排查，最后确认因过流阀结构缺陷导致供气不稳定，并对其进行结构改进设计，故障消除。

LNG客车；发动机熄火；过流阀

1　背景及故障现象

天然气是一种优质洁净的化石能源。液化天然气是天然气开发利用的一项关键技术，在国内外已形成一个产业，每年以平均8%的速度增长［1］。近年来，在中国能源消费结构中，增长很快。汽车行业是人们关注的应用重点。而一直以来，在公路客运和城市公共交通领域占据着重要地位的客车，也正是废气排放空气污染的主力军之一。为此，国家及相关部门把清洁能源燃气客车，尤其是LNG客车定位于未来发展的重点方向。

LNG汽车的主要优点如下［2］：LNG为优质清洁燃料，与柴油相比，PM2.5排放量减少93%以上，能有效避免冒黑烟问题。经过多环节净化处理，燃烧后生成二氧化碳和水，不会产生硫、铅、苯等有害有毒物质；低压保温储存，气瓶结构更先进，泄露几率极小，安全性能更好；能量密度高，占据空间少，便于储运及加注，有效提升续驶里程，尤其对公路客运车型有利；燃气车型运营成本比燃油车型燃料费用降低约15%～20%。近年来，鉴于LNG先天性的环保优势和营运成本优势，加上国家政策引导支持、基础管网设施的普及、燃气市场及价格的逐步规范、运营规模的惯性效应等影响，据相关统计数据及研究结果表明，燃气客车尤其是LNG客车在整个行业占据的比重在逐年提升，且提升的幅度越来越快。可以说，客车正经历着向LNG加速转化的进程［3］。一些客运企业的LNG客车保有量比重已达到40%，有些企业甚至将LNG客车比重的目标设定为80%。

随着LNG客车的普及应用，LNG供气系统也暴露出一些问题，其中以车辆在行驶过程中出现发动机突然熄火故障最具有代表性和典型性。熄火可能牵涉到整车燃气供给系统、整车燃气控制及电路系统、发动机ECU及燃气电控系统，涉及的元器件纷繁复杂，要排查问题根源难度很大。本文就南京某公交公司一批大型LNG城市客车出现因过流阀结构导致发动机熄火故障进行全面分析，同时提出对LNG系统中过流保护阀的改进设计方案。该批车辆的具体故障现象为车辆运行过程中，忽然出现看似没有规律性的油门操控快速失效，进而发动机自动熄火。经查，该批次在多条线路运行的车辆均不同程度地出现该问题，出现的频次、时间间隔、单台车反复出现的工况点等看似均无统计性规律。

2　故障原因分析

出现故障的车辆均表现出缓冲罐气压快速下降的现象，并且即使缓冲罐的压力上升至0.7～0.8 MPa后，还会出现缓冲罐气压快速下降的现象。从故障表现和出现故障后驾驶员的描述以及驾驶员采取的应急处理办法来看，基本可以判断［4-5］：天然气供气管路燃料供应不畅，是产生发动机熄火或进入油门保护模式的直接原因。故障出现的随机性和偶然性非常明显，故障的复现难度非常大，采取的故障排除过程如下：

1）排除电器线路接触不良和通讯电磁干扰［6］。我司售后人员和服务站对电气线路进行排查，并请玉柴发动机专业工程师对出现过故障的车辆进行了多次电磁干扰测试，没有发现线路接触不良和电磁干扰情况。

2）排除电控调压阀工作不正常引起异常关闭。从拆解电控调压阀的情况看，即使在电控调压阀断电情况下或完全失去通讯的情况下，电控调压阀仍处于半开状态，也不会造成燃料供给不足，且系统并未采集到电控调压阀有失电的故障代码记录。由此推断，电控调压阀应该不是出现故障的问题点。

3）排除低压电磁阀故障而导致燃料供应不畅。对其中一辆车进行拆除低压电磁阀试验以便排查，跟踪后仍出现同样故障。因此，低压电磁阀应不是本次故障原因。

4）燃气系统与发动机的匹配情况分析。发动机的最大燃气需求量为51.2 m3/h（从采集的各种路况下的空燃比数据看，与理论值基本吻合，误差不超过2%），燃气系统中汽化器的汽化能力为80 m3/h（发动机厂要求为55～60 m3/h），完全满足发动机要求，不存在因为汽化器汽化能力不足产生燃气供应不畅的问题。

5）关于油门开关速率和燃料供给响应时间协同问题。从理论上说，在快速踩下油门的瞬间，如果发动机会产生一个突变的燃料需求，有可能会导致过流阀关闭。从路谱采集的数据看，电子节气门打开时间为3.59 s时（见图1），燃料响应时间为10.30 s（见图2）。也就是说，不会因为电子节气门的打开速率而导致燃料需求量的急剧变化，从而促发过流阀关闭。

6）过流阀的位置安装于液相管路段，距离发动机进气口还有汽化器和缓冲罐，而汽化器和缓冲罐均能够有效缓冲压力波动。因此，认为由于发动机工况变化引起的压力和流量波动导致过流阀关闭的可能性可以被排除。

7）从发生故障率最高线路（过南京长江大桥的线路）看，路面质量较差，坑洼较多，车辆行驶时颠簸严重。从过流阀的结构（见图3）推测，钢球在车辆正常行驶状态下，相对于阀体来说，应该不是静止的。随着管路压力波动和流量变化，以及路面颠簸，钢球在阀体中可能会上下运动。如果路面质量较差，可能加剧过流阀关闭的几率。在车辆静止时，人为造成燃料管路压力波动，能明显听到钢球运动的声音，试验的结果证实了上述判断是正确的。

综上所述，造成本批次车辆熄火（或进入油门保护）故障的根本原因在于过流阀稳定性较差，导致部分车辆运行过程中过流阀异常关闭，同时，在使用工况较差的情况下，故障发生频次会有所增加。

3　过流阀结构改进设计

3.1原始结构设计

国内及行业关于天然气标准或规范［7-8］目前暂无针对LNG燃气供给系统过流阀的具体使用规定，燃气供给系统配套厂商参照了美国SAEJ 2343《中型及重型LNG汽车推荐规程》（以下简称SAE）中关于车用LNG气瓶过流阀的规定。SAE中要求，“在提供燃料的管路上安装过流阀，当燃料管路破裂或者流量异常加大时，应自动启动保护”。但SAE中没有明确规定，过流阀应当具备过流截止还是过流限制功能，系统厂商设计之初，选择了具有过流截止功能的钢珠式过流阀。

从图3可看出，采用钢珠式过流阀的燃气系统出现异常时，过流阀会自动切断流体。但当系统流量回归正常稳定后，自动回位则依靠钢珠自身重力；而该结构对阀体、钢珠本身的加工精度和品质都要求极高，否则容易卡滞钢珠无法回位引起燃气无法持续供应并最终导致发动机熄火，且该结构更适合于静态场站管路系统，对动态管路系统适应性较差［9］。

3.2改进结构设计

初步设想两种改进结构的设计方案如下。

1）要求燃气系统配套厂商提升过流阀的加工精度和品质，或在现有过流阀基础上增开补偿孔，同时校正过流阀的安装姿态，以保证过流阀的回座性能。鉴于目前国内相关件技术工艺、加工设备及配套资源限制，阀类件本身加工精度和品质很难在短时间内实现本质的提升和突破。该方案实施起来有难度，更适合作为后续长期研究课题。

2）更改燃气系统过流阀结构［10-11］，采用弹簧式过流阀（见图4）。弹簧式过流阀可避免因阀本身的结构、精度及品质等导致系统不稳定的隐患，同时，弹簧有主动回位能力，更利于动态系统，从结构上更能保证系统的稳定性及可靠性。

综合权衡后，按照方案2）对整车技术状态进行设计改进，对出现频次高的线路故障车，按照改进设计方案2）进行改制后，车辆运行恢复正常，故障完全消除。

4　结束语

细节诠释着设计水平，细节未处理好必将由多倍的代价和艰辛来弥补，而对整车品质和品牌价值的负面影响却更难挽回。近年来，随着LNG客车应用技术、开发设计经验的积累，各主流整车厂及配套厂家相互合作交流，对LNG燃气系统的基础技术研究都有了一定的沉淀，只是在细分及细节方面可能都存在一些需要进一步合作和深入研究的地方，就如同本文所述通过协助燃气供给系统厂商对过流阀的细节进行改进设计，解决了影响整车正常运行的大问题。

［1］顾安忠，鲁雪生.液化天然气技术手册［K］.北京:机械工业出版社，2010.

［2］顾安忠.液化天然气技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［3］木子.2014年前三季度LNG客车市场五大特点总结［EB/OL］.中国客车网，（2014-10-20）［2014-11-10］. http://www.chinabuses.com

［4］周行卜.玉柴天然气发动机电气原理与使用维护［J］.汽车电器，2012，（11）

［5］金柏正，徐洪淼.4例典型LNG客车故障分析［J］.商用汽车，2014，（7）

［6］何宏.电磁兼容与电磁干扰［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［7］GB 19239-2013，燃气汽车专用装置的安装要求［S］.北京：中国标准出版社，2014.

［8］GB 7258-2012，机动车运行安全技术条件［S］.北京：中国标准出版社，2012.

［9］明仁雄.液压与气压传动［M］.北京:国防工业出版社，2003.

［10］成大先.机械设计手册［K］.北京:化学工业出版社，2002.

［11］冀宏，傅新，杨华勇.几种典型液压阀口过流面积分析及计算［J］.机床与液压，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

石添华（1972-），男，工程师；从事客车产品研发工作。