天然气发动机结构及工作原理

压燃
压缩比
相位转速信号 采集 燃料空气混合
排温
国IV后处理装 置 电控系统
12 信号发生器（相位传感器）
混合器、节气门 高
增压器、排气管、进排气门座等优化 三元催化器
目前为美国伍德沃德系统
17 油泵及飞轮
无 低 SCR后处理系统 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 进气压力增加= 进气流量增加= 扭矩增加 对进气调节控制能力决定发动机性能 增压低则功率小,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
目录
一、天然气的特性 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
燃料供给系统
天然气发动机
柴油机
燃气供给系统
燃油供给
（电磁切断阀、稳压器、燃料计量阀等） （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）
程序
程序保持 在FLASH中， 并可在ECU长 时间断电情 况下保存； ECU程序可 修改保存；
ECU可用 TOOLKIT重复 多次刷写
设置
设置值在ECU长 期断电后仍可保存 在 EEProm ，出厂 设定此设置，不可 擦除，如ECU 的系 列码。 Field/EOL 设置： 新程序载入后此设 置自动消除，如 燃料计量标定，点 火定时补偿等
天然气：90bar 冷却液：4bar
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。 工作压力：
自然温度(常 压下)T ℃
5～15 650
1.58～8.2 250
1.3～7.6 390～420
天然气的特性
作为车载能源，主要有以下两种贮存形态：
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。
因区域不同，CNG的成分可能不同，若差别较 分，需根据CNG气质成分表调整ECU数据。
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
理论空燃比定义 足够的空气燃完 所有的燃料，烧 后无氧气和未烧 燃料残留 稀燃: 排气有 过量空气
爆震：在气缸中正常火焰燃烧产生的 压力温度上升，从而导致未燃燃料同 空气的自燃现象
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。
◆安装高度应低于散热器顶部，在节温器以下； ◆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。 ◆出气口管路需能承受-80°C 的低温；出口和热交换 器之间的管路需有足够的弯曲以承受热膨胀。 ◆根据进出水管标记连接水管,与其连接的水路畅通， 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。
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 压降：20.7kPa
◆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： z例行检查时排污。 z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。
燃烧 特点
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 (活塞环、火花塞、活塞、气门 座圈)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。爆震主要因素包 括： z压缩比过小 z机油消耗过大，或过多积炭； z燃料过浓或品质差 ，发动机过浓燃烧； z进气温度过高进气温度； z增压压力过高； z点火定时不准
燃气控制系统
减压器
zCNG发动机专用部件，将压缩天然气压力 由存储状态调节至8 bar左右。 z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。 z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。 z电磁阀，燃气管路上的安全开关，控制 天然气的通断。
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： • 稳压器上标明的气流方向，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。防止漏气，以免造成动力不足。 WP5/6/7平衡管接头可不接。 •二级保养时更换稳压器维修包，按照《潍柴 燃气发动机REGO稳压器维修规范》操作
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
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）天然气密度在426-470kg/m3之间，甲烷含量 越高则密度越小。天然气比空气轻，易挥发， 不易聚集，安全性能好。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）燃气体与空气混合，在没有点火源的情况下， 达到某一温度后，能够自动点燃着火的最低温 度称为着火温度。天然气的着火温度为650℃， 比汽油高约260℃。 4）天然气在空气中达到燃烧的比例范围比较窄， 是在5％～15％之间，即体积分数低于5％或者 高于15％都不会燃烧。天然气的燃烧下限明显 高于其他燃料，柴油在空气中的燃烧下限（体 积分数）是1.58％，汽油的是1.3％。
天然气、柴油、汽油比较
燃料种类
蒸气密度/（ kg/m3）
天然气

柴油(C16H34 为代表)
0.75-0.8
3.4
汽油(C8H18 为代表)
≥4
沸点℃
-162
170～350
30～190
理论空燃比 (kg/kg)
17.2：1
14.3：1
14.8：1
辛烷值(RON)
130
23～30
80～99
燃烧极限(体 积) %
LNG电磁阀
燃气控制系统
LNG稳压器
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。ECU控制其开 合，停机状态下处于常闭状态。
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。
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
目录
一、天然气的特性 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、硫化氢及微量的氢、氦、氩等非烃类气 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。
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
目录
一、天然气的特性 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。
气罐压力Æ混合 器前极低压力
提供给ECU燃气温 度和压力信息，控 制喷嘴喷射量。
气瓶及管路部件 切断阀
燃气控制系统
压力 管理
传感 器
燃气供给系 统作用
清洁
温度 控制
安全 管理
过滤燃气中的杂质
有效给燃气加热并控制 燃气温度在合理范围内
电磁阀控制 燃气的开断
混合器
热交换器
节温器
稳压器
燃气滤清器
FMV燃料计量阀
燃气：10bar 冷却液：3.5bar
燃气控制系统
燃料计量阀（FMV）
混合器
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； 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。 安装要求：
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； •需要小的火花间隙； •失火极限<混合气浓度<爆震极限 •高的空气湿度易导致失火
4、不易失火，燃料闭环控制 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。标定数据中 包含了失火极限以防止最初的失火。
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
燃气控制系统
热交换器
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。 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：
电源和接地
ECUL输出两个5 V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， 以保证传感器的 精确读数。
通信
连接RS485 用于Toolkit软 件连接，故障 检查和标定；
SAE J1979 用于车辆的其 他功能模块， 发送通用J1979 报文信息
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。
低温伤害, LNG接触到皮肤时，可造成与烧伤类 似的起疱灼伤。从LNG中漏出的气体也非常冷，并 且能导致灼伤。
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。
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。