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1、潍柴天然气发动机之潍柴天然气发动机之发动机结构及工作原理发动机结构及工作原理夏洪文夏洪文2013-1-12燃气发动机基础知识燃气发动机基础知识 内燃机是燃料在发动机的内部燃烧，把燃烧产生的热能转变为机械能的动力机械。气体燃料发动机是燃用CNG（压缩天然气）、LNG（液化天然气）、LPG（液化石油气）等燃料的内燃机。 近年来，特别是随着石油短缺现实压力的加大及全球日益严重的环境污染问题的日益突出，人们迫切的希望寻找更经济、清洁和安全的燃料代替石油燃料，这使得气体燃料进入了一个高速发展的时期。 燃气发动机基础知识（燃料）燃气发动机基础知识（燃料）燃气发动机燃料主要有三种：CNG-Compresse
2、d natural gas 压缩天然气: 主要成分是甲烷，易于完全燃烧，不稀释润滑油，能够延长发动机使用寿命。比空气轻，泄露后迅速飘散大气中，安全性好。LNG-Liquefied natural gas 液化天然气： 在常压下、温度为-162度的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。液化天然气燃点高、安全性能强，适于长途运输和储存。LPG-Liquefied pertroleum gas 液化石油气： 常温常压下为气态的烃类混合物，比空气重，有较高的辛烷值，具有混合均匀、燃烧充分、不积碳、不稀释润滑油等优点，能够延长发动机使用寿命，而且一次载气量大、行驶里程长。燃气发动机基础知识（燃料特性）燃气发
3、动机基础知识（燃料特性）燃料种类天然气(CH4)LPG柴油(C16H34为代表)汽油(C8H18为代表) 常态下密度kgm-30.750.8(气态)580830720750沸点-161.5-10017035030190理论空燃比(kg/kg)17.2：114.3：114.8：1低热值 MJ(kg)-149.8145.942.5043.90辛烷值(RON)13010011023308099十六烷值0406027燃烧极限(体积) %5151.59.51.588.21.37.6自然温度(常压下)T 537450250390420闪点 -43-18760其中：辛烷值:指与汽油抗爆性相同的标准燃料所含异
4、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（燃气发动机基础知识（CNGCNG特性）特性）项 目技术指标高位发热量，MJ/m331.4 7500大卡总硫（以硫计），mg/m3200硫化氢，mg/m315二氧化碳yco2，3.0氧气yo2，0.5水露点，在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，水露点不应高于-13；当最低气温低于-8，水露点应比最低气温低5注：本标准中气体体积的标准参比条件是101.325 kPa，20水露点：天然气水露点温度指天然气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的
5、温度。燃气发动机基础知识（发展过程）燃气发动机基础知识（发展过程）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。燃气发动机基础知识（发展过程）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、欧排放要求。 典型系统：ECONTROL 不足之处：1、没有喷射阀
6、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）燃气发动机基础知识（发展过程）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、欧排放要求。典型系统： WOODWARD OH1.2，OH2.0不足之处：无法实现更低的燃料消耗。 燃气发动机基础知识（过程）燃气发动机基础知识（过程）第四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、能够达到欧更高排放要求；5、燃料消耗低。
7、 典型系统：WESTPORT 不足之处：成本较高。 燃气发动机基础知识（与柴油机区别）燃气发动机基础知识（与柴油机区别）潍柴天然气发动机是在相应型号潍柴柴油机基础上改制，采用美国WOODWOOD OH2.0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、高压油管等件），增加了燃气供给系统（气瓶、滤清器、高压切断阀、减压器、燃气热交换器和节温器、喷射阀等件）。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ECU、点火线圈、高压线、火花塞）。3、为了防止爆震，压缩比比柴油机要小，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
8、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、采用WOODWARD单点喷射系统，闭环控制稀薄燃烧。燃气发动机基础知识（燃烧特点）燃气发动机基础知识（燃烧特点）1 1、空气进气量对功率影响大、空气进气量对功率影响大 更多进气能够得到更大功率，意味着不能一味加大燃料的喷射量来提升马力。进气压力增加，进气流量增加，从而使得扭矩增加，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，
9、燃料经济性变差。 2、天然气发动机使用稀燃技术、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。通常空燃比是以质量比给出，用过量空气系数表示，混合气中多余了燃料称为浓，多余了空气称为稀。其中柴油机理论空燃比：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。排气中有过量空气称为稀燃，天然气发动机正常工作过量空气系数范围：1.11 1.54。稀燃需要高能长时间的点火，因为高增压，需要小的火花间隙。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）2、天然气发动机使用稀燃技术
10、、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。通常空燃比是以质量比给出，用过量空气系数表示，混合气中多余了燃料称为浓，多余了空气称为稀。其中柴油机理论空燃比：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。排气中有过量空气称为稀燃，天然气发动机正常工作过量空气系数范围：1.11 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。天然气发动机
11、结构原理（节温器） 减压后的中压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。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。FMV 内部集成了天然气压力传感器(NGP)和天然气温度传感器(NGT)。减压后的燃气依次流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的线圈、NGP 传感器，NGT 传感器和喷嘴都可在部件一级进行维护。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
12、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：-40125；燃气温度：-4090。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
13、门的清洗功能。详见第6章的使用保养说明和附录的喷嘴清洗规范。燃气发动机结构原理（FMV） 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。 本发动机使用的喉管可以拆卸清洗。燃气发动机结构原理（混合器）OH1.2OH1.2EngineEngineControllerControllerEngine发动机排气管电子节气门增压器AirAirFilterFilter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燃气发
14、动机基础知识（空气供给系统） 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。燃气发动机基础知识（负荷控制） 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。 ECM具有以
15、下结构：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。 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。ECM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（ECM） 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。电子脚踏板有一电位
16、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，IVS 和电位计两者保持一致（电性方面）。燃气发动机结构原理（电子脚踏板）燃气发动机基础知识（电子脚踏板） 踏板接口：与脚踏板对插功能介绍：J1A11:提供5V电压 APS SUPPLY(5V)J1A8:信号 APS SIGJ1A24:信号地 APS GNDJ1B7：IVS(常闭)燃气发动机结构原理（线束）线束是发动机的神经，起着传输信号的重要作用，线束的质量直接影响到发动机的可靠性。2.0系统有三条线束
17、：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。ECU线束一般为随机备件箱中附带，由整车厂负责ECU线束与ECM、点火线束与ICM的连接。 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
18、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。 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
19、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，发动机转速和输出扭矩都将受限制。当发生其他某些故障时，ECU也进入跛行回家模式。燃气发动机结构原理（节气门）发动机排气能量排气能量损失增压后空气增压器废气阀燃气发动机基础知识（增压压力示意图） 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）
20、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）弹簧力方向废气控制阀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 减少。燃气发动机结构原理（废气旁通阀）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
21、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（TMAP传感器）安装在电子节气门之前仅用来测量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（TMAP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
22、增压器出口或排气弯管下游35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（氧传感器） 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
23、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。燃气发动机结构原理（湿度传感器）Trigger触发信号Reset复位信号V+V+V+IMONPCM128-HDEDM-HD燃气发动机基础知识（点火系统）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1
24、V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10.5mm 。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（信号发生器）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（点火控制模块）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
25、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）V+初级线圈次级线圈燃气发动机结构原理（点火线圈）潍柴气体机高压线寿命长：燃气混合均匀压缩比高阻抗小绝缘性能好燃气发动机结构原理（高压线）作用：产生电火花，点燃混合气。火花塞的安装扭矩：2540 N.m；火花塞间隙：0.350.05mm（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.地电极燃气发动机结构原理（火花塞）第 58页 共 页l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l水浴式汽化器安装位置不高于发动机出水管燃气发动机基础知识（循环水系统）第 59页 共 页谢谢！
