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一、潍柴天然气发动机结构及工作原理(修订)


潍柴天然气发动机之 发动机结构及工作原理

燃气发动机基础知识(燃料)
天然气的成分 主要成分是甲烷,易于完全燃烧,比空气轻,泄露后迅速飘散大气中, 安全性好。作为车载能源,主要有以下两种贮存形态: 1、CNG-Compressed natural gas 气瓶内充满气时一般为20Mpa, 压缩天然气:

2、LNG-Lique

fied natural gas

液化天然气:

在常压下、温度为-162度的天然气变为液态。

燃气发动机基础知识(燃料)
燃料种类 常态下密度kgm-3 沸点℃ 理论空燃比(kg/kg) 低热值 MJ(kg)-1 辛烷值(RON) 天然气(CH4) 0.75~0.8(气态) -161.5 17.2:1 49.81 130 45.9 100~110 LPG 580 -100 柴油(C16H34为代表) 830 170~350 14.3:1 42.50 23~30 汽油(C8H18为代表) 720~750 30~190 14.8:1 43.90 80~99

十六烷值
燃烧极限(体积) % 自然温度(常压下)T ℃ 闪点 ℃

0
5~15 650 -43 1.5~9.5 450

40~60
1.58~8.2 250 -187

27
1.3~7.6 390~420 60

其中:辛烷值:指与汽油抗爆性相同的标准燃料所含异辛烷的体积分数.

低热值:指1立方米燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度,但烟气 中的水蒸气仍为蒸汽状态时所放出的热量.

燃气发动机基础知识(燃料)
天然气的安全性: 1)天然气在压缩(液化)、储运、减压、燃烧过程中,都是在严格密封的 状态进行,不易泄漏;

2)天然气比空气轻(密度为空气密度的55%),如有泄漏,在高压下很 快散失,不易着火;
3)天然气的着火点为650~750℃,比汽油高约260℃, 4)爆炸极限5~15%,比汽油的1~6%高2.5~4.7倍,与汽油相比不易发生 燃烧和爆炸。

燃气发动机基础知识(发展过程-历史产品)
第一代天然气发动机使用非增 压预混合技术。 技术特点: 1、文丘里式混合器进气总 管混合; 2、机械式节气门控制; 3、空燃比闭环控制; 4、理论空燃比燃烧。 典型系统:LANDIRENZO 不足之处: 1、燃料控制不精确燃料消耗 较高。 2、排气温度高。 3、容易引起发动机回火。 4、达不到标放要求,现已不 用于车用机产品。

燃气发动机基础知识(发展过程)
第二代天然气发动机使用电 控预混合技术。 技术特点: 1、比例混合器进气总管预 混合; 2、电子节气门控制; 3、空燃比闭环控制; 4、能够实现稀薄燃烧达到 Ⅲ、欧Ⅳ排放要求。 典型系统:ECONTROL 不足之处: 1、没有喷射阀燃料控制不 精确,燃料消耗较高; 2、启动加速性差。

燃气发动机基础知识(发展过程-生产一代)
第三代天然气发动机使用电 控单点喷射技术。 技术特点: 1、电控喷射、进气总管预 混合; 2、电子节气门控制; 3、增压压力闭环控制; 4、空燃比闭环控制; 5、能够实现稀薄燃烧达到 欧Ⅲ、欧Ⅳ排放要求。 典型系统:WOODWARD OH1.2 ,OH2.0 不足之处:无法实现更低的 燃料消耗。

气发动机基础知识(发展过程-生产一代) 燃气发动机基础知识(发展过程-研发一代)
智能化与共轨柴油机同步
?CAN通讯 ?巡航、PTO、排气制动 ?多功率开关 ?共轨行 ?恒温风扇

?ECU安装在发动机上, 便于装车 ?诊断维修设备、诊断 接口、故障代码等与 潍柴共轨柴油机一致 ?便于与柴油机同步实 现社会化服务

燃气发动机基础知识(发展过程—储备一代)
天然气发动机使用HPDI缸内喷射技术 技术特点: 1、缸内燃气直接喷射; 2、超稀薄燃烧; 3、保持原柴油机动力性水平; 4、能够达到欧Ⅴ更高排放要求; 5、燃料消耗低。 典型系统:WESTPORT公司HPDI系统 不足之处:成本较高。

燃气发动机基础知识(发展过程—储备一代) 4-3-1 高压直喷系统HPDI

LNG储罐与泵总成 高 高压直喷喷油器

压 天 然 气体控制模块 气
控制单元 液压泵

高压共轨柴油泵

1

燃气发动机基础知识(发展过程—储备一代) 4-3-2 工作原理
引燃
压缩冲程上止点前喷入少 量柴油(5%),形成火焰。 气体喷射 柴油引燃后,天然气以300bar 的压力喷射到火焰中,成为燃 烧的主要燃料。

1

燃气发动机基础知识(与柴油机区别)
燃气发动机
燃料供给系统 燃气供给 (电磁切断阀、稳压器、燃料 计量阀等) 点燃 (点火控制模块、点火线圈、 高压线、火花塞等) 12左右 信号发生器 (相位传感器) 混合器、节气门

柴油机
燃油供给 (高压油泵、高压油管、 喷油器等) 压燃

点火方式

压缩比 转速信号采集 燃料空气混合 排温

17左右 飞轮壳处 无

高 低 (增压器、排气管、进排气门座) WOODWARD BOSCH

电控系统

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燃气发动机基础知识(燃烧特点)
1、空气进气量对燃气发动机功率影响大。 发动机对进气调节控制能力决定发动机性能。

增压低则功率小,如果增压低,系统中不能通过增加燃料来提升动力。否
则发动机发生爆震,过多燃料导致排放急剧恶化,燃料经济性变差。 进气压力 进气流量 功率扭矩

2、天然气发动机使用稀燃技术
足够的空气燃烧完所有的燃料,燃烧后无氧气和未燃烧燃料残留称为 理论(当量)空燃比。 柴油机理论空燃比:14.5,天然气发动机理论空燃比:16-17,汽油机 理论空燃比:14.7。 发动机稀燃具有以下优点:经济性好,排放性能好,发动机热负荷减 小。

燃气发动机基础知识(燃烧特点)
3、燃气发动机抗爆性好 爆震指的是在压缩中气缸内末端混合气自燃。爆震是一种不正常的燃 烧。发生爆震后,发动机动力性、经济性将急剧恶化,发动机寿命大 大减少。 潍柴燃气发动机压缩比经过精确计算和试验验证,设计为10.5-11.5, 既满足了抗爆性,又提高了发动机热效率。
可导致爆震的主要因素包括: 1、过多的积炭 (过高的机油灰分); 2、机油消耗过大,发动机过浓燃烧; 3、燃料过浓; 4、中冷器污染 (过高进气温度); 5、增压不能控制或过高; 6、点火定时不准; 7、燃料品质差 (低辛烷值)。

燃气发动机基础知识(燃烧特点)
4、天然气发动机闭环控制,不易失火 失火即发动机不点火。混合气浓度过浓或过稀都会导致天然气发 动机出现失火,失火后发动机动力性下降,排放性能恶化。

燃气发动机基础知识(工作原理)

第 16页 共



燃气发动机基础知识(工作原理)

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燃气发动机基础知识(燃气供给系统)
燃气供给系统的作用: ? 压力管理: 气罐压力?混合器前极低压力 ? 温度控制: 极低温度的燃气将冻结管路和部件,系统 件。有效加热并控制燃气温度在合理范围内 ? 传感器: 提供稀燃燃烧需要的燃气温度信息,精确控 制喷嘴喷射量. ? 安全性: 燃气需要电磁阀控制燃气的开断
混合器

热交换器 气瓶 切断阀 滤清器

节温器

FMV燃料计量阀

稳压器

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燃气发动机基础知识(燃气供给系统示意图)

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燃气发动机结构原理(滤清器)
作用:过滤燃气中0.3μ m~ 0.6μ m的微粒, 过滤效率≥95%。 安装要求:放水口朝下,按箭头所指的气流 方向安装, 切记不能装反。 ? 定期更换滤清器滤芯,详细要求见 Q/WCQTG0011《潍柴燃气发动机燃气滤清器 滤芯更换规范》。

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燃气发动机结构原理(电磁阀)
电磁切断阀是由线圈驱动阀芯,由ECM 控制其开合,停机状态下处于常闭状态。 可及时切断或恢复燃料供给。 安装要求: 电磁切断阀安装于LNG气罐稳压罐与稳 压器之间,是发动机管路与气瓶管路的连 接节点。 ? 电磁切断阀使用24V直流电源,安装时请 注意电源正负极连接正确。 ? 保证电磁阀上所标明的气流方向与实际 气流方向一致。 ? 切断阀接头螺纹为3/4-16 UNF ,整车厂 需定制与之安装管件,并保证连接牢固, 无漏气。

燃气发动机结构原理(稳压器)
由于LNG特性限制,一般在超压情况下 首先打开主安全阀开启压力为1.75Mpa, 253psi,副安全阀开启压力为2.41Mpa, 350psi,气瓶压力一般都不超过1.75Mpa。 根据喷射阀要求,理论可工作燃气压力为 0.5-1.72Mpa,超出该压力范围可能导致喷 射阀失效、发动机无法启动等故障,所以 潍柴要求在滤清器和热交换器之间安装稳 压器。 ? 稳压器的维修和保养需按照Q/WCQTG0012《潍柴燃气发动机REGO稳压 器维修规范》操作。

燃气发动机结构原理(减压器) )
减压器工作时,通过压力膜片克服弹簧阻力,带动杠杆,调整节流 孔的流通面积,从而控制减压后的天然气压力,将压缩天然气压力由存 储状态的5MPa-20MPa 调节至0.8MPa 左右。 ? 冷却液加热 ? 平衡管接头

平衡管接头

减压器出水管

减压器出气口 减压器泄压口

减压器进水管

高压电磁阀

减压器进气口

燃气发动机结构原理(热交换器)
热交换器的作用: 天然气从液态变 为气态导致燃气温度大幅降低,通过发动 机的冷却液给天然气进一步加热,可防止 进入燃料计量阀前的燃气结晶,以免影响 燃料计量阀性能。 结构:换热器采用叉流结构以避免因 燃气过冷和冷却液过热时导致的热冲击。

性能:在冷却水温高于0度的发动机 所有工况,热交换器能保证燃气始终高于 -40 ℃。冷却水温高于82C时燃气温度高 于0度。

天然气发动机结构原理(节温器)
作用:保持出口燃气在0-40 ℃ 左 右,当燃气出口温度> 60 ℃ 时会导致 燃气流量的减少。 性能:燃气温度超过40℃,30秒钟 内关闭燃气温度低于10℃,30秒钟内开 启 注意事项:节温器的开启与关闭受 燃气温度控制,冷却液的进口与出口不 能接反,进口处有“IN”标记,出口处 有“OUT”标记。

燃气发动机结构原理(FMV)
天然气流经热交换器和节温器后被加热到 合适的温度范围,然后进入燃料计量阀。 燃气依次流NGP 传感器和NGT 传感器,然 后通过喷嘴进行流量控制,最后从出口流 出。 FMV 配置8 /10/12个喷嘴,分成2 组平行 布置,每个喷嘴一个驱动器,在正常喷射 模式下,喷嘴依次轮流喷射,在某些变工 况下,喷嘴同时喷射以加快系统反应速度 。 根据发动机运行工况,电控单元调整燃料 计量阀喷嘴脉宽占空比,控制燃气喷射量 ,保证发动机在设定的空燃比下运行。

燃气发动机结构原理(FMV)
? 喷射阀喷嘴的数目随发动机的机型不同而不同。目前,WP6NG和WP7NG 系列发动机为8喷嘴,WP10NG系列发动机为10喷嘴,WP12NG系列发动 机为12喷嘴。燃料计量阀工作电压16V-32V,每个喷射阀的峰值电流 是4A,维持电流是1A;工作环境温度:-40℃~125℃;燃气温度:40℃~90℃。 安装要求: ? FMV的安装位置要合理可靠,连接到FMV的线束和管路应保证没有干涉 ,在FMV上安装有压通式单向阀以用于检测燃气压力,安装FMV时应保 证便于检测燃气压力,注意FMV喷嘴线束一定要插紧。 ? FMV使用一段时间后,需要清洗,清洗时使用专门的清洗设备,并且 应用诊断软件中专门的清洗功能。详见Q/WCQTG0013《潍柴燃气发 动机喷嘴清洗规范》。

燃气发动机结构原理(混合器)
工作原理及作用:将天然气和中冷后的空气充分混合,使燃烧更充

分、柔和。有效降低NOx排放和排气温度。
结构:采用喉管和十字叉结构,天然气从小孔中进入混合器。 喉管可以拆卸清洗。

燃气发动机基础知识(空气供给系统)
节气门前 压力传感器 中冷器

混合器 节气门位置反馈 电子节气门 油门脚踏板 进气温度、 压力传感器 增压器
Air 空气 Filter 滤清器
OH1.2 Engine Controller Engine 发动机

排气管 废气控制阀

新鲜空气
空气、燃气混合 排气

氧传感器

燃气发动机基础知识(负荷控制)

天然气发动机通过脚踏板控制节气门来控制发动机负荷:电子

脚踏板和节气门间不使用机械部件连接。ECU接受电子脚踏板位置信
号并转换成节气门开度信号,节气门从ECU处接受开度命令信号,并 将实际开度反馈给ECU。

燃气发动机结构原理(ECU)
ECM 是一个微缩了的计算机管理中心,它以信号(数据)采集作为输入, 经过计算处理、分析判断、决定对策,然后以发出控制指令、指挥执行器工 作作为输出,同时给传感器提供稳压电源或参考电压。其全部功能是通过各 种硬件和软件来完成的。WOODWARD2.0系统采用ECU128-HD 微处理器。可以 支持单点或多点喷射,支持CAN通讯。 ECU有两个5 V电源输出,给传感器供电,两电源相互独立,如果5v电源短 路,电压下降并会导致许多系统错误;有专门应用于连接传感器和ECU的接 地,以保证传感器的精确读数。ECU采用RS485用于Toolkit软件连接,故障 检查和标定。

燃气发动机结构原理(电子脚踏板)
潍柴燃气发动机脚踏板采用非接触式传 感器,输出电压信号:0~5V,ECU根据脚踏 板的信号来控制电子节气门的开度。 电子脚踏板有一电位计(FPP)和怠速确 认开关(IVS) IVS 一端接地,另一端接ECU。 当油门脚踏板没有踩下去的时候,IVS 开关 是开着的,当油门脚踏板下踩到某个点时, IVS 将关闭并发出一个信号通知ECU。

①线束端

电子脚踏板

线束端 ③针脚对关针脚对应关系及定义:

② 脚 踏 板 接 头

脚踏板接头

33C(J1A24)——1 51 (J1A8)——2 34C(J1A11)——3 52(J1B7)— 5

脚踏板地线 脚踏板信号线 5V电源 怠速确认信号系

34C(J1A11)——3 33d(J1A24)——4

33d(J1A24)4 怠速地线 51 (J1A8)——2 33C(J1A24)——1 52(J1B7)——5

燃气发动机结构原理(线束)
WOODWARD OH 2.0系统有三条线束:ECU 线束、发动机线束和点火线束。

ECU线束要是连接ECU与发动机线束,并有诊断接口、CAN接口等功能性接口 。发动机线束是连接各个传感器与ECU线束,将传感器测得信号传递给ECU,并将 ECU发出的指令传递于各个执行器。点火线束是将ICM的点火信号传递给点火线圈 ,以控制点火正时。 安装要求:潍柴发动机线束包括ECU线束、点火线束、发动机线束。发动机 线束及点火线束由潍柴出厂前安装在发动机上,整车厂负责将其与ECU线束对应 接插件相互连接。

燃气发动机结构原理(节气门)
电子节气门集成有执行器,位置传感器,节气阀门等 。接收PWM信号由ECU控制其开度大小,节气阀门开度大小 控制混合气进气量,从而改变发动机的输出功率。 电子节气门根据ECU指令,有三种工作状态: 1、当发动机速度低于怠速目标值时,ECU 进行怠速控 制,即控制节气门开度位置,保持发动机速度在怠速目标 值附近。 2、当发动机速度超过最大额定转速时,ECU 限制节气 门开度位置,即速度越高节气门开度位置越小。 3、当发动机速度在怠速和最大额定转速之间时,节气 门开度位置直接由脚踏板控制,即节气门开度位置随脚踏 板位置同步变化。

燃气发动机基础知识(增压压力示意图)
增压后空气 发动机排气能量

增压器废气阀
排气能量损失

燃气发动机结构原理(废气旁通阀)
作用:与增压器的放气阀连接,控制增压器废气门驱动气室的气体压力On/off 电磁 阀开启频率为 30 Hz或50Hz。 注意事项: ? 如果通至阀门的空气被污染, 阀门的隔网可能堵塞 ? 连接管路长度不可更改,否则增压控制可能不稳 ? 消声器仅用做隔音 ? 如果空气连接断开,发动机功率过大可能会损坏发动机,或者产生故障码(该故 障码通过限制节气门来保护发动机和降低功率) ? 如果电气连接断开,则发动机功率下降

燃气发动机结构原理(废气旁通阀)
废气控制阀PWM信号: DC%=0时,电磁阀关闭,压缩空气 全部用来推动增压器废气阀,使其 完全打开,从而推动增压器工作的 排气能量减少,最终降低增压力; DC%=100%,电磁阀处压缩空气泄漏 量最大,增压器废气阀在弹簧力左 右下趋向关闭,从而使增压器工作 的排气能量增多,增压压力升高。
增压控制逻辑为: MAP < 设定增压压力, DC% 增加; MAP > 设定增压压力, DC% 减少。
弹簧力方向

TMAP传感器 燃气发动机结构原理(TMAP传感器)
? 安装在电子节气门之后。 ? 集成压力温度的传感器 ? 用途 – 燃料喷射计算 – 增压控制 ? 压力传感器 – 测量进气管绝对压力 – 测量范围从真空到增压压力 ? 温度传感器 – 测量进气歧管温度 注意事项:可以和PTP传感器互换,但线束 不能插错。

燃气发动机结构原理(PTP传感器)
安装在电子节气门之前,用于测量混合器后节气 门前进气接管中混合气的压力。
– 作为计算进入发动机空气流量的修正参数,对 涉及燃气量修正的充气效率(VE)提供基准 – OH2.x系统中,有许多错误代码的判断需要PTP 参数作为参考。(如:SFC331,371,372,373,491 ) 注意事项:可以和TMAP传感器互换,但线束不能 插错。

燃气发动机结构原理(氧传感器)
作用:稀薄燃烧闭环控制传感器,通过测量排气成分中 氧分子浓度,把此信号传给ECU, ECU 判断混合气 的实际空燃比相对于设定值是稀还是浓,并相应控 制喷气量的增减,从修正空燃比。 安装位置要求: 1)安装在离增压器出口或排气弯管下游3~5倍排气 管直径的地方。 2)氧传感器不能安装在排气管弯管处。 3)如果车辆安装有排气制动装置,氧传感器必须安 装在此装置的后方 4)满足上述前提下,氧传感器尽量靠近增压器。 5)氧传感器线束及接插件应尽量远离排气管,不能 有被烧结的可能。 6)氧传感器的安装座面不能太高,焊接在排气管上 的氧传感器螺座高度要小于10mm,以保证氧传感器 头部能完全伸入排气管。

燃气发动机结构原理(湿度传感器)
作用:通过测量进气压力、温度、湿度,并根据所测得的湿度、压力

来修正空燃比来补偿环境所造成的影响,使发动机运行在最佳状态。工
作温度-40℃到105℃,测量范围0到100%RH。 安装要求: 该传感器要求安装在空气滤清器和增压器之间的空气管

路上; 尽量远离呼吸器和空压机进气口;为保证其测量值正确,安装时
使其平行于气流方向,并且温度、压力探头必须置于气流中。

燃气发动机基础知识(点火系统)
PCM128-HD EDM-HD Trigger触发信号 Reset复位信号
IMON V+ V+ V+

燃气发动机结构原理(信号发生器)
作用:发动机控制模块(ECM)通过发动机转速来 控制其他参数,包括:进气量、燃料量、点火提前角 等。这些参数的控制要求发动机控制模块(ECM)精 确地知道发动机的凸轮轴位置(如应知道哪一缸发火 )和发动机转速。 安装:转速传感器和信号轮之间的间隙应足够的小 ,以保证发动机在最低转速时能产生波幅大于1V的电 压信号。安装时,盘车至一缸压缩上止点,传感器齿 盘上的TDC标志对准CAM传感器的中心(使齿盘上的刻 线竖直),齿盘的信号齿与传感器之间的间隙为 1±0.5mm 。 信号盘应可靠固定,以保证信号盘和发动机的相位 关系不会改变。信号盘通常有一个标记齿(和其它齿 不均匀分布)用来确定发动机旋转的绝对位置。 调整:准确的点火提前角度需用点火正时灯测量。

燃气发动机结构原理(ECU)
ECU 点火控制: ? 电控单元对点火时刻控制为开环控制,无反馈 ? 点火提前角从程序中查表,此表坐标为RPM/MAP ? 水温(ECT)对查表所得数值有一定补偿

燃气发动机结构原理(ICM点火模块)
ICM = 点火控制模块; ICM 只是一个驱动盒,在点火线圈开始充电 时它从ECU接收到信号;

当来自于ECU的触发信号上升时:
1、ICM打开点火驱动并寻找相应的点火 线圈 初级电流上升到6.5A; 2在触发信号下降前初级电流保持在6.5A; 3、当触发信号下降时,ICM驱动电流降 低到初级电流; 4、产生火花 来自ECM的复位脉冲触发ICM再次在第一 缸点火

燃气发动机结构原理(点火线圈)
? 感应式点火线圈在初级线圈使用线圈匝数储存电流, ? 次级线圈部分含有更多的线圈匝数,从而产生变压器功能(电压升 高)

次级线圈

V+

初级线圈

燃气发动机结构原理(高压线)

高压线用以将点火线圈产生 的高压电传递给火花塞,从而使 之产生电火花,点燃可燃混合气 。 高压线对发动机性能有十分 重要的影响。严格按照潍柴保养 规范维护更换高压线可充分保证 发动机性能,提高发动机寿命。

燃气发动机结构原理(火花塞)
作用:产生电火花,点燃混合气。 火花塞的安装扭矩:20~25 N.m; 火花塞间隙:0.35±0.05mm(严格用 塞规调整); 调整方法:如果间隙偏大,先把塞 尺塞进间隙,用小扳手轻轻敲击侧 电极拐角部位;如果间隙偏小,先 用小虎钳把间隙慢慢调大,然后塞 入塞尺,再用小扳手轻轻敲击侧电 极! 注意:要保证侧电极和中心电极面 平行!

1. 绝缘体 2.火花塞头部 3.密封垫圈 4. 中间柱体 5.火花塞体 6.玻璃密封剂 7. 垫圈 8.电极 9.密封垫圈 10.中心电极 11.地电极

燃气发动机基础知识(循环水系统)

?单独的水循环:发动机出水管->水浴式汽化器->水泵进水管 发动机出水管->热交换器->节温器->水泵进水管

增压器出水管->水泵进水管
?水浴式汽化器安装位置不高于发动机出水管
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谢谢!

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