潍柴天然气发动机结构及工作原理

潍柴天然气发动机2.0系统结构及工作原理单位：潍柴西港新能源动力有限公司时间：2013年8月一、天然气的特性目录二、天然气发动机的结构特点三、燃气控制系统四、空气控制系统五、点火控制系统天然气的特性天然气成分主要以甲烷（CH4）为主，同时含有少量的丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）等烃类气体，氮、二氧化碳、硫化氢非烃类气体。各个地方天然气的形成过程不尽相同，所以成分也不完全一样。天然气在我国分布很广，根据开采和形成的方式不同，天然气可分为5种：①纯天然气：从地下开采出来的气田气为纯天然气；②石油伴生气：伴随石油开采一块出来的气体称为石油伴生气；③矿井瓦斯：开采煤炭时采集的矿井气；④煤层气：从井下煤层抽出的矿井气；⑤凝析气田气：含石油轻质馏分的气体。高纯度的天然气是无色、无味、无毒、无腐蚀性、易燃、易爆的气体。为防止泄露时易于觉察，在天然气中添加了加臭剂。燃烧速度：是火焰在可燃气体混合物中的传递速度。燃烧速度也称为点燃速度或火焰传播速度。天然气的燃烧速度比较低，其最高燃烧速度只有0.3m/s。因此天然气燃烧后排温高，需对排气系统部件进行强化。天然气的特性1）天然气在压缩（液化）、储运、减压、燃烧过程中,在严格密封的状态进行，不易泄漏；2）天然气密度在426-470kg/m3之间，比空气轻，易挥发，不易聚集，安全性能好。如有泄漏，很快散失，不易着火；3）可然气的着火温度为650℃，比汽油高约260℃。4）天然气燃烧范围比较窄，在5％～15％之间，天然气的燃烧下限明显高于其他燃料：柴油：1.58％，汽油：1.3％。燃料种类天然气柴油汽油蒸气密度/（kg/m3）0.75-0.83.4≥4沸点℃-162170～35030～190理论空燃比(kg/kg)17.2：114.3：114.8：1辛烷值(RON)13023～3080～99燃烧极限(体积)%5～151.58～8.21.3～7.6自然温度(常压下)T℃650250390～420天然气、柴油、汽油比较安全性天然气的特性1)CNG:压缩天然气气瓶内充满气时一般为20Mpa（即200bar)。存储压力很高。天然气因生产区域不同，成分可能不同，若差别较大，需根据CNG气质成分表调整ECU数据。LNG储存特性隔热保冷:保持真空;分层:长时间停放时,隔几天启动车辆。2）LNG:液化天然气在常压下、温度为-162度的天然气变为液态。通常条件下，1个体积的LNG将产生600个体积的气体。因此，LNG适用于长途运输和储贮。LNG接触到皮肤时，可造成与烧伤类似的灼伤。从LNG中漏出的气体也非常冷，并且能导致灼伤。作为车载能源，主要有以下两种贮存形态：一、天然气的特性目录二、天然气发动机的结构特点三、燃气控制系统四、空气控制系统五、点火控制系统天然气发动机与柴油机的区别天然气发动机柴油机燃料供给系统燃气供给系统（电磁切断阀、稳压器、燃料计量阀等）燃油供给（高压油泵、高压油管、喷油器等）点火方式点燃（点火模块、点火线圈、高压线、火花塞等）压燃压缩比1217相位转速信号采集信号发生器（相位传感器）油泵及飞轮燃料空气混合混合器、节气门无排温高增压器、排气管、进排气门座等优化低国IV后处理装置三元催化器SCR后处理系统电控系统目前为美国伍德沃德系统国Ⅲ以上发动机采用BOSCH天然气发动机的燃烧特点1、空气进气量对发动机功率影响大更多进气=更大功率对进气调节控制能力决定发动机性能增压低，系统中不能通过增加燃料来提升动力，否则•爆震；•排放急剧恶化•经济性变差2、天然气发动机使用稀燃技术天然气发动机理论空燃比:16-17稀燃优点：经济性好，排放性能好，热负荷小稀燃注意事项：•需要高能长时间的点火和小的火花塞间隙；•失火极限混合气浓度爆震极限•高的空气湿度易导致失火3、抗爆性能好爆震是一种不正常的燃烧。长时间的爆震会导致发动机系统损坏，发动机动力性、经济性将急剧恶化，爆震主要因素包括：压缩比过大；机油消耗过大，或过多积炭；燃料过浓或品质差；进气温度过高；增压压力过高；点火定时不准4、燃料闭环控制，不易失火氧传感器对排气进行测量，反馈给ECU，控制燃料以保持目标空燃比。ECU标定数据中包含了失火极限以防止最初的失火。燃烧特点天然气发动机技术特点潍柴天然气发动机主要采用美国伍德沃德公司OH2.0系统，主要技术特点如下：1、采用电子脚踏板，改善了发动机的驾驶性能。2、燃气喷射、点火角度、空燃比、发动机负荷全部采用电控单元ECU控制。ECU根据电子脚踏板输出的电压信号，确定电子节气门的开度，再根据发动机负荷、发动机转速、进气压力、燃气压力和温度等参数计算燃气喷射量，确定点火角度。3、发动机稳定运行时采用闭环控制，使实际空燃比和理论空燃比一致。4、燃气进气方式为电控单点喷射，供气及时、停气干脆。5、具有加速加浓功能。6、采用防喘振技术，发动机大负荷急松脚踏板时，ECU根据减速信号，激活燃料切断功能，在切断燃料供给的同时，电子节气门保持一定的开度，消除了因节气门关闭而引起增压器喘震的可能性。7、增压器带废气控制阀，采用电控放气。8、具有超速保护功能。9、电钥匙打开后，如果没有转速信号，燃气管路的电磁阀会自动关闭。10、具有故障自我诊断功能。LNG发动机工作原理图进入诊断页面后，点击Connect。选择对应的COM端口号。（端口号查询方法见上页）点击Connect。CNG发动机工作原理图一、天然气的特性目录二、天然气发动机的结构特点三、燃气控制系统四、空气控制系统五、点火控制系统ECU电控单元ECU电控单元是计算机管理中心，它以信号（数据）采集为输入，经过计算处理、分析判断、决定对策，然后发出控制指令、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。ECU输出两个5V电源给传感器供电，两电源相互独立。注意：如果5v电源短路，会导致许多系统错误。ECU输出一专门接地给传感器。RS485SAEJ1939程序保持在可在ECU长时间断电情况下保存；ECU可TOOLKIT重复多次刷写电源和接地通信程序燃气控制系统燃气供给系统作用气瓶及管路部件切断阀FMV燃料计量阀混合器燃气滤清器稳压器热交换器节温器压力管理传感器安全管理温度控制清洁气罐压力混合器前极低压力有效给燃气加热并控制燃气温度在合理范围内提供给ECU燃气温度和压力信息电磁阀控制燃气的开断过滤燃气中的杂质燃气控制系统作用：LNG发动机专用部件，切断或恢复燃料供给，燃气管路上的安全保护开关。安装要求：•电磁阀使用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。（进气口-IN，出气口-OUT）•电磁阀连接牢固，无漏气。LNG电磁阀LNG稳压器作用：LNG发动机专用部件，将气瓶输送来的燃气压力调节为控制系统需要的喷射压力。安装要求：•稳压器上安装时与实际气流方向一致（进气口-IN，出气口-OUT）；•怠速时调整出口压力为8bar左右；•平衡管接头，通过气管与发动机进气管连接，可以动态调节出口压力，提高燃气供气系统的反应速度。WP5/6/7平衡管接头可不接。•二级保养时更换稳压器维修包燃气控制系统燃气滤清器作用：过滤燃气中的杂质，可过滤燃气中0.3μm～0.6μm的微粒，过滤效率≥95%。◆技术参数：使用温度：-40～107℃最大使用压力：35bar◆安装：放水口朝下，按箭头所指的气流方向安装，切记不能装反。保养按《潍柴燃气发动机燃气滤清器滤芯更换规范》要求保养：例行检查时排污。在一级保养时检查更换滤芯。注意：燃气滤清器排污需在系统压力释放后进行。燃气控制系统CNG发动机专用部件，将压缩天然气压力由存储状态调节至8bar左右。天然气从高压变低压的需要吸收大量的热量，有一水腔，与发动机水路相连，利用发动机的冷却液加热。平衡管接头，与发动机进气管连接，可以动态调节出口压力，提高燃气供气系统的反应速度。电磁阀，燃气管路上的安全开关，控制天然气的通断。平衡管接头减压器出气口减压器泄压口减压器出水管减压器进水管高压电磁阀减压器进气口减压器◆平衡管接头需固定，防止漏气，否则可导致动力不足。WP5NG/WP6NG/WP7NG系列发动机不需安装平衡管；◆出气口方向不能向上，底部不能向上，防止燃气中的油污倒流。◆保证加热良好。特别在寒冷季节，发动机刚启动时水温较低，此时应怠速运行一段时间后才能加速运行，防止发动机大负荷工作需要的燃料流量大，需要吸收的热量多，供热不及时导致减压器结霜或结冰。热交换器燃气控制系统作用：利用发动机的冷却液给天然气进一步加热，防止进入燃料计量阀前的燃气结晶。结构：热交换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：在冷却水温度高于0度的时，热交换器能保证燃气温度始终高于-40℃。冷却水温高于82C时燃气温度高于0℃。相关参数：•天然气入口温度：-115℃-120℃•天然气出口温度：-40℃-120℃•可承受压力：天然气：90bar冷却液：4bar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，冷却液进口处有“IN”标记，出口处有“OUT”标记，不能接反。工作压力：燃气：10bar冷却液：3.5bar节温器燃料计量阀（FMV）燃气控制系统作用：根据发动机运行工况，电控单元ECU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。结构：喷嘴：FMV配置8/10/12个喷嘴，根据需要配置不同的机型。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。喷嘴工作电压16V-32V，峰值电流是4A，维持电流是1A；注意喷嘴线束一定要插紧。燃气压力传感器NGP：测量燃气压力，反馈给ECU燃气温度传感器NGT：测量燃气温度，反馈给ECU。维护保养：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。按《潍柴燃气发动机喷嘴清洗规范》操作。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。维护保养：喉管和十字叉小孔定期拆卸清洗或用化油器清洗剂冲洗。混合器一、天然气的特性目录二、天然气发动机的结构特点三、燃气控制系统四、空气控制系统五、点火控制系统空气控制系统OH1.2OH1.2EngineEngineControllerControllerEngine发动机电子节气门增压器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空气控制系统图负荷控制：ECU电控单元主要采集电子脚踏板信号，指挥电子节气门动作，控制发动机输出功率，实现整车负荷对发动机的需求。空气控制系统脚踏板和节气门之间不使用机械部件连接；脚踏板踩下时，ECU接受踏板位置信号，并计算转换发出节气门开度命令信号，节气门接受开度命令信号，并将实际开度反馈给ECU；对稀燃而言，信号的传递非常关键。空气控制系统作用：脚踏板采用非接触式传感器，输出0～5V的电压信号，ECU根据脚踏板的信号来控制电子节气门的开度。结构：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。脚踏板下踩到某个点时，怠速确认开半关闭并发出一个信号通知ECU，电位计开始起作用。特点：脚踏板的参数必须符合潍柴技术要求或装配潍柴专用脚踏板。否则将导致ECU报错。ECU在每一次开电循环后会自动重新标定脚踏板。②脚踏板接头线束端脚踏板端线束端过渡线脚踏板端定义33(J1A24)1信号地51(J1A8)2信号34C(J1A11)3提供5V电压33D(J1A24)4信号