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1、潍柴天然气发动机培训 三羚公司培训,天然气发动机的基础概念,一、进气=功率,1、更多进气 = 更大功率 （意味着不能一味加大油门来提升马力） 进气压力增加= 进气流量增加= 扭矩增加 发动机对进气调节控制能力决定发动机性能 2、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 发生爆震问题 过多燃料导致排放急剧恶化 燃料经济性变差,二、节气门,对于柴油机 燃料 = 功率 由于预混的CNG 不能同柴油机同样程度的稀燃，必须通过其他方式限制发动机动力。 节气门为控制空气流动的装置。,天然气稀燃发动机,三、稀燃,正常的空燃比是以当量比来表示的。 1、当量混合:理论上足够的空气燃烧完所有的
2、燃料，燃烧后无氧气和未燃烧燃料残留。通常空燃比以质量比给出。 用表示过量空气系数，当量混合时即 柴油机空燃比：14.5 天然气发动机 空燃比：16-17 2、稀燃:混合气中多余了空气称为稀， 1表示稀， （多余了燃料称为浓， 1 表示浓） 稀燃的优点： 1、燃料经济性 2、排放特性 3、热负荷 排温 传至发动机冷却液的热量降低,四、爆震 (末端气体爆震),1、定义：爆震是气缸中正常火焰燃烧产生的压力温度上升，从而导致未燃燃料同空气的自燃现象。 爆震是不正常的。 2、爆震带来的影响： 长时间的爆震会导致发动机系统损坏 (活塞环、火花塞、活塞、气门座圈等) 爆震在低速高负荷下最严重。 3、下述情况
3、可导致爆震： 过多的积炭 (过高的机油灰分) 机油消耗过大，发动机过浓燃烧 燃料浓于设定点 5% 中冷器污染 (过高进气温度) 增压不能控制或过高 点火定时不准 燃料品质差 (低辛烷值),五、失火,天然气发动机的失火极限：过浓 0.7 1.6过稀。 过低的稀燃导致高的碳氢排放并降低发动机功率和高的燃气消耗。 过浓的混合气导致高的碳氢排放和高的排气温度。,第二部分：天然气发动机结构及工作原理,天然气发动机结构特点,潍柴天然气发动机是在相应型号潍柴柴油机基础上改制并增加燃气电控系统而成。目前潍柴LNG发动机采用美国WOODWOOD2.0燃气电控系统。 1、取消了柴油机的燃油系统(高压油泵、喷油器、
4、高压油管等），增加了燃气供给系统（气瓶、燃气热交换器和节温器、喷射阀等）。 2、采用点燃式燃烧方式（气缸盖上的喷油器安装孔改为火花塞安装孔），增加了点火控制系统（点火控制器、点火线圈、高压线、火花塞）。 3、压缩比比柴油机的小，燃烧室形式（活塞）与柴油机不同。 4、增加了信号发生器，用于判缸和测量发动机转速。 5、增加了混合器和节气门，使燃气和空气在混合器中充分混合。 6、排气温度高，增压器采用水冷中间壳，进、排气门座采用耐磨、耐高温材料，采用带隔热材料的排气管。 7、WOODWARD系统采用ECU控制，单点喷射，稀薄燃烧。,第 10页 共 页,燃气机专用气门座圈及气门 1、耐高温；2、耐腐蚀
5、；3、自润滑性能好 4、气门阀座和气门寿命与柴油机相同,密封带堆焊,专用气门座圈和气门,第 11页 共 页,采用加大内冷振荡油道活塞 1、可以多带走30%的热量；,内冷油道,内冷油道喷油入口,内冷油道喷油出口,内冷油道连杆小头喷油口,专用活塞,第 12页 共 页,隔热材料排气管 1、可以降低排气管温度3050,隔热材料排气管,外包隔热材料排气管,第 13页 共 页,潍柴燃气电控系统WOODWARD OH2.0系统结构示意图,三、工作原理,液化天然气从储气瓶流出，经过水浴式汽化器加热后汽化为气态天然气，经过滤清器过滤杂质，流入高压切断阀，接着进入稳压器，进一步调整天然气压力后，进入热交换器进行加
6、热，然后经过节温器流入燃料计量阀，燃料计量阀的作用是根据发动机运行工况精确控制天然气喷射量。天然气与空气在混合器内充分混合，进入发动机缸内，经火花塞点燃后燃烧，火花塞的点火时刻由ECU控制，氧传感器即时监控燃烧情况并反馈给ECU，ECU根据氧传感器的反馈信号及时修正天然气喷射量。,天然气发动机工作过程,天然气发动机工作原理：,LNG从气瓶体通过管路进入汽化器加热汽化，经过稳压罐稳压后由燃气滤清器滤清，之后通过电磁切断阀控制通断进入稳压器稳压，稳压后的燃气进入热交换器。 CNG从压缩气瓶通过管路进入减压器减压至7-8bar后，经过滤清器进入热交换器 燃气经过热交换器加热后通过节温器进入FMV，由
7、FMV控制喷射入混合器中与增压后的空气混合。电子节气门控制混合气进入发动机气缸内燃烧做功。,燃 气 供 给 系 统,燃气供给系统图,气瓶,切断阀,FMV燃料计量阀,混合器,滤清器,低压滤清器 (选装),稳压器,热交换器,节温器,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。,第 18页 共 页,滤清器,作用：去除超过95%以上的0.3 到0.6 微米范围的悬浮颗粒。,第 19页 共 页,电
8、磁阀,第 20页 共 页,稳压器,稳压器,平衡管接头,作用：调节燃气压力至7-8bar,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。,热交换器,第 22页 共 页,低温启动性能好最低启动温度：零下30度 1、WOODWARD系统采用独特的板式换热器，对燃气进行二次换热，保证混合气可靠燃烧。 2、ECU根据水
9、温、空气温度对燃料喷射和点火提前角进行补偿，保证低温启动性能。,WOODWARD系统独特的板式换热器,ECU控制低温启动,热交换器-低温启动性能好,三、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。,节温器,燃料计量阀,作用：由ECU根据发动机运行中的各温度、压力、转速信号发出指令，来决定供给混合器的天然气量。 结构特点： 脉宽调制 (PWM) 喷射阀
10、，每个喷嘴都单独控制，即一个驱动对应一个喷嘴。 节气门体上游喷射； 喷射阀与各缸时序对应 (瞬态除外)； 一体式燃气压力传感器 (NGP)； 一体式燃气温度传感器 (NGT)； OH2最多可以支持12个喷嘴 在喷射阀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。,燃料计量阀,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。,混合器,空 气 控 制 系 统,OH2空气控制系统图,OH1.2,OH1.2,Engine,Engine,Controller,C
11、ontroller,Engine,发动机,排气管,电子节气门,增压器,Air,Air,Filter,Filter,空气 滤清器,节气门位置反馈,中冷器,废气控制阀,排气,空气、燃气混合,新鲜空气,节气门前 压力传感器,进气温度、 压力传感器,混合器,氧传感器,油门脚踏板,线传电控系统,电子脚踏板和节气门间不使用机械部件连接。 电子脚踏板踩下，ECU接受油门位置信号并计算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 对稀燃而言，信号的传递非常关键,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：05V，ECU根据脚踏板的信号来控制电子节气门的开度。 电
12、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。,燃气发动机结构原理（电子脚踏板）,电子脚踏板,电子脚踏板必须有一电 位计和怠速确认开关 (IVS)当脚踏板踩下， 怠速确认必须是关闭 的。 电子脚踏板有特殊的标 定。 ECU在每一次开电循环 后会自动重新标定脚踏 板。,IVS 一端接地，另一端接ECM。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ECM，IVS 和电位
13、计两者保持一致（电性方面）。,电子脚踏板,线束端,脚踏板接头,针脚对关针脚对应关系：34C（J1A11）3 51 （J1A8）2 33C（J1A24）1 33d（J1A24）4 52（J1B7）5系 34C（J1A11）3 51 （J1A8）2 33C（J1A24）1 33d（J1A24）4 52（J1B7）5,线束端,脚踏板接头,ECU电控单元,作用：电控发动机的控制中心，接收各传感器传送来的发动机运行信息，加以运算处理后控制各执行器动作 ，同时给传感器提供稳压电源或参考电压。 结构： 1、最大有34 模拟量输入，5 个数字量输入 ，5 PWM 输入等； 2、最大支持12个喷嘴驱动，1 个驱
14、动单独对应一个喷嘴； 3、11 个低端输出； 4、2 CAN 通讯口； 5、1 RS-485通讯口。 电源：两个从ECU到传感器的5 Volt电源输出， 传感器由ECU内部电源供电，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。 接地：有一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。 通信：ECU采用RS485用于Toolkit软件连接，故障检查和标定。,电子节气门,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、
15、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。 结构特点： 电子节气门内部包含节气门开度位置传感器，ECU通过比较节气门位置传感器反馈信号和节气门开度指令信号之间的差值来确定电子节气门是否处于正常的工作状态。 一旦电子节气门发生故障，ECU 将进入特定的跛行回家模式，在该模式中燃气流量大量减少，发动机以极低转速运行。当发生其他
16、某些故障时，ECU也进入跛行回家模式。,进气压力控制示意图,发动机排气能量,排气能量损失,增压后空气,增压器废气阀,进气压力控制原理,天然气发动机的工作特点之一为功率=进气，天然气发动机的性能取决于增压压力的控制,在发动机软件设计中，针对发动机的每一工况，均设有明确的增压压力值，该值是通过不断的试验优化所得。压力控制是通过PID参数，调整废气控制阀的占空比（DC%）,使实际增压压力MAP=设定增压压力。,第 36页 共 页,冷却水接口,采用加大流量水冷增压器 1、水流量加大； 2、通过冷却水冷却机油降低增压器温度,水冷增压器,废气旁通控制阀,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 H
