天然气发动机结构及工作原理

高压电磁阀
减压器进气口
燃气发动机结构原理（热交换器）
热交换器的作用： 天然气从液态变 为气态导致燃气温度大幅降低，通过发动 机的冷却液给天然气进一步加热，可防止 进入燃料计量阀前的燃气结晶，以免影响 燃料计量阀性能。
结构：换热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：在冷却水温高于0度的发动机 所有工况，热交换器能保证燃气始终高于 -40 ℃。冷却水温高于82C时燃气温度高 于0度。
Air 空气 Filter 滤清器
OH1.2 Engine Controller
Engine 发动机
排气管
废气控制阀
新鲜空气 空气、燃气混合
排气
氧传感器
燃气发动机基础知识（负荷控制）
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
潍柴天然气发动机之 发动机结构及工作原理
燃气发动机基础知识（燃料）
天然气的成分 主要成分是甲烷，易于完全燃烧，比空气轻，泄露后迅速飘散大气中， 安全性好。作为车载能源，主要有以下两种贮存形态： 1、CNG-Compressed natural gas 压缩天然气: 气瓶内充满气时一般为20Mpa, 2 、LNG-Liquefied natural gas 液化天然气： 在常压下、温度为-162度的天然气变为液态。
燃气发动机基础知识（燃料）
燃料种类 常态下密度kgm-3 沸点℃ 理论空燃比(kg/kg) 低热值 MJ(kg)-1 辛烷值(RON) 十六烷值 燃烧极限(体积) % 自然温度(常压下)T ℃ 闪点 ℃ 天然气(CH4) 0.75~0.8(气态) -161.5 17.2：1 49.81 130 0 5～15 650 -43 1.5~9.5 450 45.9 100~110 LPG 580 -100 柴油(C16H34为代表) 830 170～350 14.3：1 42.50 23～30 40～60 1.58～8.2 250 -187 汽油(C8H18为代表) 720～750 30～190 14.8：1 43.90 80～99 27 1.3～7.6 390～420 60
燃气发动机基础知识（发展过程—储备一代）
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公司HPDI系统 不足之处：成本较高。
燃气发动机基础知识（发展过程—储备一代） 4-3-1 高压直喷系统HPDI
燃气发动机结构原理（减压器） ）
减压器工作时，通过压力膜片克服弹簧阻力，带动杠杆，调整节流 孔的流通面积，从而控制减压后的天然气压力，将压缩天然气压力由存 储状态的5MPa-20MPa 调节至0.8MPa 左右。 • 冷却液加热 • 平衡管接头
平衡管接头
减压器出水管
减压器出气口 减压器泄压口
减压器进水管
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。
燃气发动机基础知识（工作原理）
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燃气发动机基础知识（工作原理）
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燃气发动机基础知识（燃气供给系统）
稳压器
滤清器
FMV燃料计量阀
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燃气发动机基础知识（燃气供给系统示意图）
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燃气发动机结构原理（滤清器）
作用：过滤燃气中0.3μm～ 0.6μm的微粒， 过滤效率≥95%。 安装要求：放水口朝下，按箭头所指的气流 方向安装， 切记不能装反。 • 定期更换滤清器滤芯，详细要求见 Q/WCQTG0011《潍柴燃气发动机燃气滤清器 滤芯更换规范》。
LNG储罐与泵总成 高
高压直喷喷油器
压 天 然 气体控制模块
气
高压共轨柴油泵 液压泵 控制单元
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燃气发动机基础知识（发展过程—储备一代） 4-3-2 工作原理
引燃 压缩冲程上止点前喷入少 量柴油（5%），形成火焰。 气体喷射 柴油引燃后，天然气以300bar 的压力喷射到火焰中，成为燃 烧的主要燃料。
17左右 飞轮壳处 无
高 低 (增压器、排气管、进排气门座) WOODWARD BOSCH
电控系统
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燃气发动机基础知识（燃烧特点）
1 、空气进气量对燃气发动机功率影响大。 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。 进气压力 进气流量 功率扭矩
1
燃气发动机基础知识（与柴油机区别）
燃气发动机
燃料供给系统 燃气供给 （电磁切断阀、稳压器、燃料 计量阀等）
柴油机
燃油供给 （高压油泵、高压油管、 喷油器等）
点火方式
点燃 （点火控制模块、点火线圈、 高压线、火花塞等） 12左右 信号发生器 （相位传感器） 混合器、节气门
压燃
压缩比 转速信号采集 燃料空气混合 排温
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（燃料）
天然气的安全性： 1）天然气在压缩（液化）、储运、减压、燃烧过程中,都是在严格密封的 状态进行，不易泄漏； 2）天然气比空气轻（密度为空气密度的55％），如有泄漏，在高压下很 快散失，不易着火； 3）天然气的着火点为650～750℃，比汽油高约260℃， 4）爆炸极限5～15%，比汽油的1～6%高2.5～4.7倍，与汽油相比不易发生 燃烧和爆炸。
燃气发动机基础知识（发展过程-历史产品）
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。 4、达不到标放要求，现已不 用于车用机产品。
燃气发动机结构原理（混合器）
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。 喉管可以拆卸清洗。
燃气发动机基础知识（空气供给系统）
节气门前 压力传感器
中冷器
混合器 节气门位置反馈 电子节气门 油门脚踏板 进气温度、 压力传感器 增压器
3 、燃气发动机抗爆性好 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。 潍柴燃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)。
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燃气发动机结构原理（电磁阀）
电磁切断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： 电磁切断阀安装于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。 • 电磁切断阀使用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3/4-16 UNF ,整车厂 需定制与之安装管件，并保证连接牢固， 无漏气。
燃气发动机结构原理（稳压器）
由于LNG特性限制，一般在超压情况下 首先打开主安全阀开启压力为1.75Mpa， 253psi，副安全阀开启压力为2.41Mpa， 350psi，气瓶压力一般都不超过1.75Mpa。 根据喷射阀要求，理论可工作燃气压力为 0.5-1.72Mpa，超出该压力范围可能导致喷 射阀失效、发动机无法启动等故障，所以 潍柴要求在滤清器和热交换器之间安装稳 压器。 • 稳压器的维修和保养需按照Q/WCQTG0012《潍柴燃气发动机REGO稳压 器维修规范》操作。
天然气发动机结构原理（节温器）
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，冷却液的进口与出口不 能接反，进口处有“IN”标记，出口处 有“OUT”标记。
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
混合器
热交换器
气瓶
节温器
切断阀
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：-40℃～125℃；燃气温度：40℃～90℃。 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 应用诊断软件中专门的清洗功能。详见Q/WCQTG0013《潍柴燃气发 动机喷嘴清洗规范》。
气发动机基础知识（发展过程-生产一代） 燃气发动机基础知识（发展过程 -研发一代）
智能化与共轨柴油机同步
CAN通讯 巡航、PTO、排气制动 多功率开关 共轨行 恒温风扇
ECU安装在发动机上， 便于装车 诊断维修设备、诊断 接口、故障代码等与 潍柴共轨柴油机一致 便于与柴油机同步实 现社会化服务
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百度文库 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-生产一代）
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：WOODWARD OH1.2 ，OH2.0 不足之处：无法实现更低的 燃料消耗。
燃气发动机结构原理（FMV）
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。 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 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 。 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比下运行。
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。 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。 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）