天然气发动机技术及产品开发

天然气发动机技术

天然气发动机技术

及产品开发

施崇槐

广西玉柴机器股份有限公司

2007年9月14日

天然气发动机分类

主要以燃料使用的方式来划分

天然气单燃料发动机

使用天然气单一燃料的发动机

双燃料发动机

主要指柴油/CNG双燃料发动机，可以同时燃烧柴油和天然气两种燃料，俗称掺烧发动机。

两用燃料发动机

主要指汽油/CNG两用燃料发动机，可以切换使用汽油和天然气两种燃料。

由于各种燃料特性的不同，为了满足两种燃料的使用，发动机的性能无法做到最佳，适应于天然气燃料特性的全新开发的单燃料发动机是未来发展的趋势。

本文仅探讨单一燃料天然气发动机技术及产品开发。

天然气发动机燃烧方式

z天然气由于其燃料特性决定了天然气发动机采用的是与汽油机一样的点燃方式，而不同于柴油机的压燃方式；

z以燃烧时天然气与空气的混合浓度来划分，可以分为以下两种类型：

z当量燃烧单燃料天然气发动机

z特点：采用过量空气系数λ=1的当量燃烧方式，当量氧传感器闭环控制、三元催化转化器，系统相对简单，容易实现高排放水平；缺点是：燃料经济性差、排温高导致的可靠性差；

z稀薄燃烧单燃料天然气发动机

z特点：采用过量空气系数λ＞1的稀薄燃烧方式，稀燃氧传感器闭环控制、氧化型催化转化器，优点是NOx排放值低、燃料经济性好、排温低、可靠性好；缺点是：系统相对复杂、成本高。

两种天然气发动机技术路线

¾当量燃烧+闭环控制+三元催化器

z可实现国Ⅲ以上排放水平

z经济性较稀燃差

z排温高影响可靠性

z可采用多点喷射系统，系统相对简单

¾稀薄燃烧+闭环控制+氧化型催化器

z可实现国Ⅲ以上排放水平

z经济性好

z排温低、可靠性好

z可采用电控调压系统，系统相对复杂

天然气发动机技术

天然气发动机技术主要体现在以下几个方面：¾电控燃气系统的电控技术；

¾发动机本机的燃烧开发技术；

¾发动机本机的机械开发技术；

¾发动机的电控标定技术；

¾后处理器的开发及匹配技术；

单燃料发动机的开发

•以汽油机为基础开发

汽油机本身采用的就是点燃式，因此以汽油机为基础开发气体单燃料发动机相对变动要小，主要在于更换燃料供给系统，以及燃烧系统和点火系统做小幅改动；

•以柴油机为基础开发

将压燃式柴油机改为点燃式气体单燃料发动机，在燃烧系统、燃料供给系统要做大幅度的改进，以及增加原柴油机没有的点火系统；

•单燃料发动机开发

以汽油机或以自然吸气柴油机为基础，开发自然吸气当量燃烧的天然气发动机，与传统的汽油机非常类似，本文重点探讨以增压中冷柴油机为基础开发增压中冷稀薄燃烧的单燃料天然气发动机的技术。

单燃料发动机的开发工作

以柴油机为基础开发成增压中冷稀燃天然气单燃料发动机主要包括以下几方面的工作：

技术路线选择；

电控燃气系统的选型集成；

发动机本体的改进设计；

燃烧系统的优化匹配；

增压器的优化匹配；

催化转化器的优化匹配；

发动机台架整机性能电控标定；

发动机整车性能电控标定。

解决窜机油及气门座圈磨损等机械开发；

电控燃气系统技术类型

以燃料控制方式分类：

第一代：机械混合式

第二代：电控混合进气

第三代：电控喷射或电控调压

关于第几代的电控燃料系统的划分是很粗略的，其核心差异在于电控系统中对燃料控制的精度和瞬态响应性能上。第一代和第二代系统由于在燃料控制的精度及瞬态的响应上不足，无法达到目前要求的国Ⅲ排放标准，这两种燃料控制方式将逐步被淘汰。

电控喷射系统

z分类：电控喷射系统分单点喷射系统和多点喷射系统；

z单点喷射系统:

z原理：利用高精度及高响应性的燃气喷嘴对燃料量进行控制，喷嘴喷射燃料后通过混合器进入发动机进气总管。

z优点：浓度控制精度高、各缸浓度均匀性好。

z缺点：比多点喷射和电控调压器方式响应性差，瞬态性能比多点喷射和电控调压器差，达到国3以上排放水平非常困难。

z多点喷射系统:

z原理：每缸一个喷嘴，在进气道内喷射，

z优点：大大提高了燃料控制的响应性能，燃料不占用进气容积，有利于提高发动机的功率密度。用于当量燃烧天然气发动机上是个很好的系统方案。

z缺点：发动机各缸浓度均匀性不易控制，失火和爆震很难控制，不利于做稀薄燃烧发动机。

电控单点喷射系统原理图

电控调压器系统

原理：燃料控制采用电控调压器的形式，系统控制原理类似于电控混合进气，只是控制燃料的执行器由步进电机或电磁阀改为电控调压器。大大提高燃料瞬态控制的精度和响应性能。

优点：相对单点喷射，在保持控制精度的同时，由于燃料是连续控制进入气缸，燃料的响应性能得到大大提高；相对于多点喷射，由于燃料是由进气总管进入，可以保证各缸混合气浓度的均匀性，有利于发动机采用稀薄燃烧方式；在优化发动机燃烧性能及做好催化器的匹配基础上，发动机可以实现欧V标准的超低排放。发动机更容易实现LPG、CNG和LNG共用一套电控系统。

缺点：电控调压器及混合器等零件在发动机上的布置较困难。

电控调压器系统原理图

增压中冷稀燃电控系统技术路线

¾电控调压器燃料控制

¾稀燃氧传感器闭环控制

¾单缸独立高能点火

¾电控增压压力控制

¾电子油门踏板+电子节气门

¾爆震传感器爆震控制

¾闭环控制+自适应学习控制

¾大气环境（大气压力、温度及湿度）修正

¾完善的故障诊断功能