一、潍柴天然气发动机培训资料之基础知识：结构及工作原理

潍柴天然气发动机之发动机结构及工作原理夏洪文2013-1-12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）燃气发动机燃料主要有三种：•CNG-Compressednaturalgas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-Liquefiednaturalgas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-Liquefiedpertroleumgas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-30.75~0.8(气态)580830720～750沸点℃-161.5-100170～35030～190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)130100~11023～3080～99十六烷值040～6027燃烧极限(体积)%5～151.5~9.51.58～8.21.3～7.6自然温度(常压下)T℃537450250390～420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（CNG特性）项目技术指标高位发热量，MJ/m3＞31.4≈7500大卡总硫（以硫计），mg/m3≤200硫化氢，mg/m3≤15二氧化碳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101.325kPa，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，冷却到饱和时的温度。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）•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）•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：WOODWARDOH1.2，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）•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Ⅴ更高排放要求；5、燃料消耗低。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）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WOODWOODOH2.0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）1、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，燃料经济性变差。•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。通常空燃比是以质量比给出，用过量空气系数λ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：1.11λ1.54。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•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λ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：1.11λ1.54。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）•3、天然气发动机抗爆性好•天然气发动机只能在爆震极限范围内正常燃烧工作。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。天然气因为火焰传播速度慢，末端混合气容易在正常火焰末到达之前自燃，从而引起爆震。潍柴天然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。天然气发动机的失火极限范围为：0.7＜λ＜1.6。过浓的混合气导致高的碳氢排放和高的排气温度；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，排气中增加的碳氢含量，使稀燃氧传感器错误的判断发动机过浓，闭环控制更稀，发动机失火和驾驶性进一步恶化。防止失火采取的措施及失火产生的可能原因有：1、发动机标定时包含了失火极限以防止最初的失火；2、高湿度使得失火的余度降低；可能是点火系统零部件失效所致。燃气发动机基础知识（燃烧特点）•潍柴天然气发动机产品特点•潍柴天然气发动机是在相应机型柴油机基础上改制，加装燃气电控系统组成。目前，潍柴天然气发动机主要采用美国伍德沃德公司OH燃气电控系统和BOSCH燃气电控系统，分OH1.2和OH2.0系统（本手册主要介绍OH2.0系统）。潍柴天然气发动机有以下技术特点：•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。电控单元（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。燃气发动机基础知识（产品特点）•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，ECM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，提高了增压器的可靠性。•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、打开电钥匙后，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燃气发动机基础知识（产品特点）第18页共页燃气发动机基础知识（工作原理）第19页共页燃气机专用气门座圈及气门1、耐高温；2、耐腐蚀；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燃气发动机基础知识（结构特点）第20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燃气发动机基础知识（结构特点）第21页共页隔热材料排气管1、可以降低排气管温度30℃～50℃外包隔热材料排气管燃气发动机基础知识（结构特点）第22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燃气发动机基础知识（结构特点）第23页共页燃气发动机基础知识（燃气供给系统）气瓶切断阀FMV燃料计量阀混合器滤清器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24页共页燃气发动机基础知识（燃气供给系统示意图）第25页共页最大工作压力：35bar流量：85m3/h@100psig工作温度：-40℃～107℃压降：6.9kPa0.3μm～0.6μm过滤效率≥95%。放水口朝下注意箭头所指的气流方向每3000km放一次水燃气发动机结构原理（滤清器）第26页共页燃气发动机结构原理（电磁阀）•低压电磁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：•高压切断阀安装于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。•切断阀之前的气瓶、汽化器、管路及相应接头等由整车企业向专业设备生产厂家采购，售后服务由相关厂家负责。切断阀及其之后的发动机部件及连接管路由潍柴负责提供，除部分气路水路连接外由潍柴负责安装及相应售后服务。•高压切断阀必须可靠固定。连接到高压切断阀的管路应尽可能短，如果太长，则应加装固定扣以防止管路抖动甚至共振。连接到高压切断阀的管路必须布置合理，不能有干涉的可能。•高压切断阀使用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3/4-16UNF,整车厂需定制与之安装管件，并保证连接牢固，无漏气。•整车厂可根据车辆自身需求决定是否使用潍柴自带的安装支架，如安装位置及方式有特殊要求，需潍柴获知，协商决定。燃