第七章燃气发动机

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1、第七章 燃气发动机 电控技术简介 第一节 概 述 一、燃气汽车的发展1燃气汽车的发展历程自从1872年发明了奥托循环发动机开始就有了天 然气发动机。早在第一次世界大战期间天然气就开始 用在汽车上，后来由于气体燃料储存、携带极不方便 ，影响了燃气汽车的发展，而采用液体燃料的汽油机 汽车和柴油机汽车发展迅速。从20世纪60年代以来，全世界经历了三次大的能 源危机，主要是石油能源，而随着世界经济的迅速发 展，车用燃料的需求量在不断增加，世界性石油资源 日益枯竭的形势将更为严峻。与此同时，全球性的污 染加剧，环境日趋恶化，这不仅严重影响了发达国家 ，也严重影响到发展中国家。因此，能源和污染已经 成为人

2、类社会日益关注的问题。 汽车是现代经济社会必不可少的交通工 具，也是人类文明的重要标志之一。随着社会 经济的不断发展，汽车数量将会不断增多，车 用汽油和柴油的消耗量越来越大。据统计，我 国目前民用机动车保有量近5000万辆，按目 前的增长速度，预计到2030年，全世界汽车 保有量将达到10亿辆，而全球已探明的石油资 源仅能维持4050年。因此，世界各国(尤其 汽车发达国家)都在为解决汽车燃料和污染两 大问题，寻求新的代用燃料。 20世纪30年代初由意大利人率先采用天 然气作为汽车燃料，到1939年意大利就有1 万辆燃用天然气的汽车。前苏联早在1938年 就研制出两种压缩天然气汽车，战后从194

3、7 1948年开始批量生产压缩煤气汽车。但 20世纪5060年代天然气汽车发展比较缓 慢，只在少数贫油地区、特定用途的车辆上 小规模地使用。直到20世纪70年代第一次石 油危机之后，人们逐步认识到使用天然气作 为汽车代用燃料具有经济、清洁的突出优点 ，于是世界各国燃气汽车技术逐渐进入快速 发展时期。在天然气资源丰富的俄罗斯、意大利、阿根 廷、新西兰、巴西等国家和地区，以及受到环保 法规和国家政策制约的美国、日本等国家，天然 气汽车的发展非常迅速。据统计，到1996年仅独 联体国家天然气汽车达47万辆，到1998年日本共 有天然气汽车45万辆，到2000年意大利已有天然 气汽车30万辆，到200

4、0年阿根廷天然气汽车也超 过30万辆。美国天然气汽车技术开发和市场开发 都比较晚，从1984年福特公司开始研制天然气汽 车，到1994年的10年间，美国仅有约4万辆天然 气汽车在使用，但受到环保法规和国家政策制约 ，1994年后天然气汽车的发展速度也在逐渐加快 。 近几十年来，为汽车寻求代用燃料以缓解石油 短缺、减少环境污染，已经成为一个重大的社会、经 济问题。在诸多清洁代用燃料汽车中，有氧气汽车、 太阳能汽车、电动汽车、甲醇汽车、酒精汽车、天然 气汽车等。经大量的试验与测试表明，国内外普遍认 为，只有天然气(CNG)才兼具资源丰富、分布广泛、 价格低廉且可大大减少汽车排放污染等多方面的优点

5、，天然气汽车与燃油车相比较，排放的HC减少约80 ，CO减少约90，SO2减少约70，颗粒杂质减 少约42，非甲烷烃类减少约53，CO2减少约25 ，噪声降低约40，SO的排放几乎降到零。由此 可见，天然气汽车必将成为未来汽车工业“绿色汽车” 发展的主要方向。 2我国燃气汽车的发展现状面对我国石油资源短缺，而相对丰富的天 然气资源由于综合利用水平低，导致油气开采 比例失调的状况，我国的一些专家在20世纪50 年代就开展了有关天然气汽车的研究，并在60 年代初于四川完成两辆CA10H型天然气汽车的 2.5万km运行试验及其他试验，后因各种原因试 验站于1978年撤销。20世纪80年代中期，为解

6、决燃油供需矛盾，四川省又率先在国内发展天 然气汽车，加快了天然气汽车的发展步伐，并 于1988年从国外引进50套专用装置和一套高压 充气站设备进行示范，随后开始了天然气汽车 专用装置的研制开发工作。 自1994年起，我国最大的工业城市上 海组织开展LPG(液化石油气)燃气汽车样车的 试用及相关研究工作，1997年又开始对LPG汽 车应用关键技术进行研究，如车用LPG加注站 的技术规程、LPG汽车批量生产与改装技术 等，特别是及时开展整车生产与车辆匹配的关 键技术研究工作，为LPG清洁汽车的推广应用 工作提供了技术保障。 在燃气发动机电控技术方面，由东风汽车 公司和天津大学牵头开展了大型公交车用

7、单燃 料CNG电喷发动机研制，由广西玉柴和吉林工 业大学、中国汽车技术研究中心牵头开展了大 型公交车改单燃料LPG电喷发动机的研制；天 津大学还开展了顺序喷射、稀燃、全电子控制 柴油天然气混合燃料发动机的研究。 近年来，国家对发展燃气汽车十分重视， 成立了国家清洁燃料汽车领导小组，于1999年 4月确定北京、重庆等第一批12个试点城市和 地区，开展清洁汽车的推广应用工作。通过试 点，在燃气汽车改装、运营、管理以及加气站 建设等方面，积累了不少经验。 燃气汽车以其排放清洁、技术成熟、资 源丰富等优点，受到各试点城市和地区政府 的高度重视。目前，全国各地在成功试点的 基础上，工作重点从改装车辆为主

8、转为以建 设燃气汽车应用环境为主，促进了燃气汽车 在我国的推广应用和相关技术的发展。截止2001年底，我国燃气汽车保有量已 超过11万辆，仅四川省CNG汽车就超过2.8万 辆。按全国各地制定的燃气汽车发展规划， 预计到2005年，我国燃气汽车的保有量将达 到100万辆，到2010年达到150万辆。 3燃气汽车技术的发展趋势燃气汽车在国外已有60多年的发展史，早期的 燃气汽车发动机，都是采用油、气两用技术，即在 汽油机基础上，增加一套由减压阀、混合器等组成 的供气系统，发动机具有两套并列的燃料供给系统 ，形成天然气汽油两用燃料发动机。随着电子技术的发展，燃气发动机也在第一代 产品的基础上，加装了

9、电子控制装置，形成燃气汽 车第二代产品。最初应用在燃气发动机上的电子控 制技术，主要是由ECU根据各传感器信号控制步进 电动机型或占空比电磁阀型供气量控制阀，自动调 节供气量，并在排气系统中装用氧传感器，对空燃 比实施闭环控制。随着汽油机电控技术的推广应用，第三 代电控燃气喷射技术产品也相继问世，主要 包括两用燃料单点喷射系统和单一燃料(天燃 气或液化石油气)闭环多点顺序喷射系统。同 时发动机控制系统的功能也逐渐延伸到点火 和排放控制等系统，不仅使燃气汽车的动力 性、经济性均有较大提高，同时配合三元催 化转化技术可使排放污染进一步降低。与汽 油机单点电控燃油喷射系统一样，单点电控 燃气喷射系统

10、在提高发动机性能方面也存在 不足，闭环多点顺序喷射系统是当今燃气发 动机电控技术发展的主流和方向。 二、燃气汽车的类型1按所用气体燃料的种类燃气汽车按所用燃料的种类不同分为两大 类：液化石油气汽车和天然气汽车。液化石油气汽车以液化石油气(LPG)作为 燃料，简称LPGV(Liquid Petrel Gas Vehicles)。液化石油气是一种在大气温度条 件下，只需较小压力就能转变为液态的烃类混 合物，主要成份是丙烷和丁烷。 天然气汽车以天然气(CNG)为燃料，简称 CNGV(Compressed Natural Gas Vehicles)。 按所用的天然气形态不同，天然气汽车又可分为 液化天

11、然气汽车(LNGV)、压缩天然气汽车 (CNGV)和吸附天然气汽车(ANGV)。液化天然气 汽车使用的燃料是在零下162左右低温液化后的 天然气，此种汽车燃料必须储存在车载绝热气瓶 中。压缩天然气汽车所用的天然气是经过多级加 压后，压缩到20MPa左右并储存在车载高压气瓶 中的天然气。吸附天然气汽车是指利用以中压状 态贮存在吸附罐内的天然气作为燃料的汽车，吸 附罐实际就是大容量的活性炭罐。目前，天然气 汽车比液化石油气汽车的保有量多。 2按燃用燃料的数量和形式燃气汽车按能够燃用的燃料数量和形式 可分为：单燃料燃气汽车、两用燃料燃气汽 车、混合燃料燃气汽车。单燃料燃气汽车只使用天然气或液化石 油

12、气中的一种作为发动机燃料，此种汽车的发 动机根据所用燃料特性进行专门设计，其热效 率、经济性比较好。 两用燃料燃气汽车一般是指具有两套燃 料供给系统(其中一种用于供气)，在使用中可 以在两种燃料间灵活切换的汽车，但两种燃料 不能同时使用。此种汽车的发动机一般都在以 汽油发动机机为基础，经过重新设计或改装而 成的，仍采用点燃式的着火方式，由于发动机 需兼顾两种燃料的特性，很难保证较高的燃烧 热效率和经济性。 混合燃料燃气汽车的发动机是在柴油发 动机的基础上重新设计或改装的，使用以天然 气(或液化石油气)与柴油混合燃料，采用压缩 自燃的着火方式。此种汽车一般以天然气作为 主燃料，柴油作为辅助燃料起

13、引燃作用，但也 可单独以柴油作燃料，并能在单独燃烧柴油和 混合燃料间灵活切换。 由于柴油发动机采用压缩自燃着火方式 ，而燃气的自燃温度(天然气为630730) 较高，考虑发动机燃用燃气时的可靠着火， 在改装柴油发动机为燃气发动机时，一般有 两种方式：一种是将原柴油机改装成单燃料 燃气发动机，取消原发动机的柴油供给系统 ，降低发动机压缩比，并增加点火系统，实 现点燃着火方式；另一种是将柴油机改装成 柴油燃气混合燃料发动机，柴油机压缩比 不变，引燃柴油在上止点前以极高的压力喷 入燃烧室，燃气空气混合气利用柴油自燃 来引燃。采用后一种方式，引燃柴油自燃后形成多处 火焰核心，就像利用多火花塞点燃混合气

14、一样， 而且每个火焰核心的点火能量远大于一个火花 塞，这有利于可靠点火，也有利于混合燃料发动 机在任何工况下不需要对空气进气节流控制，实 现稀混合气燃烧。由于点火可靠，几乎所有的气 体燃料都能不同程度地用在此类发动机中，如天 然气、沼气、液化石油气、低热值煤气等。但由 于混合燃料发动机在怠速、小负荷时的热效率低 和排放污染较大，大负荷时容易爆燃，所以在推 广应用方面受到一定限制。 三、燃气发动机供给系统1燃气发动机供给系统的类型(1)按燃气供给量的控制方式 按燃气发动 机的燃气供给量的控制方式不同，燃气供给系 统可分为机械控制式燃气供给系统和电子控制 式燃气供给系统两大类。 电控燃气供给系统由

15、各种传感器采集并向 ECU输送发动机的工况信息，ECU则根据这些 信息和内存控制模型直接控制功率阀(即供气量 控制阀)或燃气喷射器工作，以实现对供气量的 控制。与机械控制式的燃气供给系统相比，电 控燃气供给系统的控制精度高，发动机在各种 工况都能获得合适的混合气浓度，若同时采用 电控点火系统及增压技术，可使燃气发动机的 性能得到进一步改善。 (2)按燃气供给方式 按燃气发动机的燃气 供给方式不同，燃气供给系统可分为混合器 (类似化油器)供气系统和燃气喷射系统，混合 器供给系统的供气量可采用机械控制方式，也 可采用电控方式，而燃气喷射系统的供气量只 能采用电控方式。 混合器供给系统的燃气与空气采

16、用缸外混合 方式，与传统的化油器式汽油发动机类似。在供气 系统的混合器中，根据发动机的工况，将燃气按一 定比例与空气混合形成一定浓度的燃气空气混合 气，然后由进气装置供给发动机。采用机外混合方 式形成酌混合气比较均匀，控制系统也比较简单， 但安全性差。若发动机调整不良，或是在气门叠开 角大的增压发动机中，可燃气体有可能进入排气系 统，燃烧后的废气也有可能回窜到进气系统，存在 爆炸的危险。此外，未燃气体燃料进入排气系统， 也会增加排放污染。因此，对采用此种混合气形成 方式的发动机，气门叠开角要小。 与电控汽油喷射系统类似，电控燃气喷射系统 的燃气与空气可以采用缸外混合方式，也可采用缸 内混合方式。采用缸外混合方式的系统，是将燃气 定时、定量地喷入各缸进气歧管中的进气门处。采 用缸内混合方式的系统，与柴油发动机类似，在发 动机压缩行程接近上止点时，将一定量的燃气经安 装在气缸盖上的高压燃