发动机原理与汽车理论第5章燃气发动机的燃料与燃烧课件

第五章燃气发动机的燃料与燃烧第一节概述第二节燃气的性质第三节燃气发动机的混合气形成与燃烧第四节改善燃气发动机燃烧过程的措施1第五章燃气发动机的燃料与燃烧第一节概述1第一节概述一、燃气汽车的发展历程二、我国燃气汽车的发展三、车用燃气发动机的发展趋势四、车用燃气发动机的类型2第一节概述一、燃气汽车的发展历程2一、燃气汽车的发展历程1872年发明了奥托循环发动机开始就有了天然气发动机。第一次世界大战期间天然气发动机开始用在汽车上，后因气体燃料贮存、携带不方便，影响了燃气汽车发展，20世纪60年代以来，各国都在为解决汽车燃料和污染两大问题，寻求新的代用汽车燃料。20世纪30年代初由意大利人率先采用天然气作为汽车燃料。前苏联在1938年研制出两种压缩天然气汽车。到1996年仅独联体国家天然气汽车达47万辆，到1998年日本共有天然气汽车45万辆，到2000年意大利已有天然气汽车30万辆，到2000年阿根廷天然气汽车也超过30万辆。美国从1984年由福特公司开始研制天然气汽车，到1994年的10年间，美国仅有约4万辆天然气汽车在使用，但受到环保法规和国家政策制约，1994年后天然气汽车的发展速度也在逐渐加快。天然气兼具资源丰富、分布广泛、价格低廉且可大大减少汽车排放污染等多方面的优点，天然气汽车将是未来汽车的发展方向。3一、燃气汽车的发展历程1872年发明了奥托循环发动机开始就有二、我国燃气汽车的发展我国的一些专家在20世纪50年代就开展了有关天然气汽车的研究，并在60年代初于四川完成两辆CA10H型天然气汽车的2.5万km运行试验及其它试验。自1994年起，我国最大的工业城市——上海组织开展LPG（液化石油气）燃气汽车样车的试用及相关研究工作，1997年又开始对LPG汽车应用关键技术进行研究。在燃气发动机电控技术方面，由东风汽车公司和天津大学牵头开展了大型公交车用单燃料CNG（压缩天然气）电喷发动机研制，由广西玉柴和吉林工业大学、中国汽车技术研究中心牵头开展了大型公交车改单燃料LPG电喷发动机的研制；天津大学还开展了顺序喷射、稀燃、全电子控制柴油/天然气混合燃料发动机的研究。截止2001年底，我国燃气汽车保有量已超过11万辆4二、我国燃气汽车的发展我国的一些专家在20世纪50年代就开展三、车用燃气发动机的发展趋势燃气汽车在国外已有60多年的发展史，早期的燃气汽车发动机，都是采用油、气两用技术，。随着电子技术的发展，燃气发动机也在第一代产品的基础上，加装了电子控制装置，形成燃气汽车第二代产品。随着汽油机电控技术的推广应用，第三代电控燃气喷射技术产品也相继问世，主要包括两用燃料单点喷射系统和单一燃料（天燃气或液化石油气）闭环多点顺序喷射系统，同时发动机控制系统的功能也逐渐延伸到点火和排放控制等系统。5三、车用燃气发动机的发展趋势燃气汽车在国外已有60多年的发展四、车用燃气发动机的类型按所用气体燃料的种类不同分为两大类：液化石油气发动机以液化石油气（LPG）作为燃料。液化石油气是一种在大气温度条件下，只需较小压力就能转变为液态的烃类混合物，主要成份是丙烷和丁烷。天然气发动机以天然气（NG）为燃料。按所用的天然气形态不同，天然气发动机又可分为液化天然气（LNG）发动机、压缩天然气（CNG）发动机和吸附天然气（ANG）发动机。6四、车用燃气发动机的类型按所用气体燃料的种类不同分为两大类：四、车用燃气发动机的类型按能够燃用的燃料数量和形式可分为三类：单燃料燃气发动机只使用天然气或液化石油气中的一种作为燃料，此种发动机根据所用燃料特性进行专门设计，其热效率、经济性比较好。两用燃料燃气发动机具有两套独立的燃料供给系统（其中一套用于供气），在使用中可以在两种燃料间灵活切换，但两种燃料不能同时使用。混合燃料燃气发动机是在柴油机基础上，经过重新设计或改装而成的燃气发动机。使用天然气（或液化石油气）与柴油的混合燃料，燃气混合气由压缩自燃着火的柴油引燃。7四、车用燃气发动机的类型按能够燃用的燃料数量和形式可分为三类第二节燃气的性质一、天然气二、液化石油气8第二节燃气的性质一、天然气8一、天然气组成成分：甲烷密度：相当于空气的60%。热值：低热值高于汽油和柴油。自燃温度：比汽油和柴油略高，需外源点火。抗爆性：比汽油好，可提高压缩比。沸点：-162度，一般以气态存储。颜色、味道和毒性：无色、无味、无毒。9一、天然气组成成分：甲烷9二、液化石油气组分：丙烷、丁烷。密度：易液化，15度时为液态，密度比汽油小；气态的LPG比空气密度大。热值：单位质量LPG热值比汽油高。自燃温度：比汽油高。抗爆性：介于汽油和天然气之间。沸点：常温下为气态。颜色、味道和毒性：无色、无味、无毒。10二、液化石油气组分：丙烷、丁烷。10第三节燃气发动机的混合气形成与燃烧一、燃气发动机的混合气的形成二、燃气发动机的燃烧过程11第三节燃气发动机的混合气形成与燃烧一、燃气发动机的混合气的一、燃气发动机的混合气的形成1.机外混合混合气均匀，控制系统简单，安全性差。应适当减小气门重叠角。(1)混合器供气系统(2)电控燃气喷射系统2.机内混合(电控燃气直接喷射系统)：与柴油机类似，分为高压和低压喷射两种型式。12一、燃气发动机的混合气的形成1.机外混合12混合器供气系统与化油器式汽油发动机类似。分为机械控制和电控两种型式。双燃料发动机以般用调节器调节混合气的浓度。化油器式双燃料发动机加装点火时间转换器。电控混合器供气系统应用于柴油机上。13混合器供气系统与化油器式汽油发动机类似。13双燃料发动机供给系统14双燃料发动机供给系统14混合器供气电控系统15混合器供气电控系统15电控燃气喷射系统16电控燃气喷射系统16二、燃气发动机的燃烧过程1.正常燃烧着火延迟期急燃期补燃期点火提前角比汽油机大。2.不正常燃烧爆燃。17二、燃气发动机的燃烧过程1.正常燃烧17第四节改善燃气发动机燃烧过程的措施一、影响燃气发动机燃烧过程的因素二、应用在燃气发动机上的电控技术18第四节改善燃气发动机燃烧过程的措施一、影响燃气发动机燃烧一、影响燃气发动机燃烧过程的因素1．燃料性质：然气的沸点低，与空气混合容易，混合气形成均匀，燃气发动机的补燃期较短，燃烧比较完全，排放污染低。然气的辛烷值较高，所以燃气发动机爆震燃烧的倾向小。在压缩比相同时，天然气的着火延迟期比汽油长，液化石油气的着火延迟期比汽油短。2．混合气浓度：汽油机功率混合气的浓度为α=0.8~0.9，燃气发动机的功率混合气浓度为α=0.9~1.1。3．点火提前角：燃气比汽油的燃烧速度慢，燃烧过程所需时间（或曲轴转角）相对较长，而且抗爆性能较好，所以在两用燃料发动机上，燃用燃气时与燃用汽油时相比，点火提前角一般应提前3°~5°。4．发动机负荷：由于燃气的燃烧速度慢，在发动机使用的负荷范围内，尽量减少残余废气量和适当增大点火提前角，对提高燃气发动机性能非常重要。试验证明，随负荷变化，汽油机的急燃期所占曲轴转角变化较大，而燃气发动机基本不变，所以有无点火提前角真空自动调节装置，对汽油机非常重要，对燃气发动机影响不大。19一、影响燃气发动机燃烧过程的因素1．燃料性质：然气的沸点低，二、应用在燃气发动机上的电控技术1．直接采集信号控制系统直接采集信号控制系统的燃气ECU直接采集各种传感器信号，经过分析计算，确定喷入各缸的燃气量，如图所示。20二、应用在燃气发动机上的电控技术1．直接采集信号控制系统20二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统间接采集信号控制系统主要应用在电控汽油喷射发动机改装的燃气发动机上，除汽油喷射控制ECU外，增加了燃气控制ECU，两个ECU共用传感器信号，而且发动机燃用燃气时，还利用汽油ECU的点火控制、怠速控制等功能。在间接采集信号控制系统中，燃气ECU充分利用汽油ECU的控制功能，采集汽油ECU输出的喷油器控制信号并将其转化为燃气喷射器控制信号，再用来控制燃气喷射器的喷射时刻和喷射时间，如图所示。21二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统21二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统

在电控燃油喷射汽油机改装的两用燃料发动机上，为保证汽油ECU正常工作，发动机燃用燃气时，燃气电控系统必须向汽油ECU输送模拟汽油喷射信号和模拟氧传感器信号。此外，在两用燃料发动机上，由于燃用汽油和燃气时对点火提前角的要求不同，必须增设点火提前角调节器。

22二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统22二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统

（1）模拟汽油喷射信号：模拟汽油喷射信号的功能是由模拟器来完成的，模拟器一般与燃气ECU制成一体。发动机燃用燃气时，模拟器产生并向汽油ECU输送模拟喷油器工作的信号。电控汽油喷射系统的喷油器驱动方式不同，模拟器的工作原理也不同，如图所示。23二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统23二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统

（2）模拟氧传感器信号：汽油ECU和燃气ECU共用氧传感器，在发动机燃用燃气时，若只将氧传感器信号输送给燃气ECU，汽油ECU长时间得不到氧传感器信号，就会错误判断氧传感器有故障并贮存故障码，这将影响汽油ECU的正常工作。如果同时将氧传感器信号输入燃气ECU和汽油ECU，汽油ECU一般都有学习功能，将会记忆燃用燃气时的状态；发动机燃用燃气和汽油时的理想空燃比是不同的，在由燃用燃气切换到燃用汽油时，若汽油ECU按燃用燃气时学习到的控制模式对汽油喷射进行控制，必然会影响发动机的性能。因此，燃气ECU必须具有模拟氧传感器信号的功能，在燃用燃气时向汽油ECU输入一个理想的模拟氧传感器信号，以便切换到燃用汽油时汽油ECU能够正常工作。24二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统24二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统

（3）点火提前角调节器：燃气与汽油的化学性质不同，在同一工况下的最佳点火提前角也不同，所以在以汽油机改装的两用燃料发动机上，必须设有点火提前调节器，以满足发动机燃用燃气和燃用汽油时对点火提前角的不同需要。开关式点火提前角调节器如图所示。基本点火提前角的设置基本点火提前角6°9°12°15°开关1位置ONOFFOFFON开关2位置OFFONOFFON开关3位置ONONONON25二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统基本第五章燃气发动机的燃料与燃烧第一节概述第二节燃气的性质第三节燃气发动机的混合气形成与燃烧第四节改善燃气发动机燃烧过程的措施26第五章燃气发动机的燃料与燃烧第一节概述1第一节概述一、燃气汽车的发展历程二、我国燃气汽车的发展三、车用燃气发动机的发展趋势四、车用燃气发动机的类型27第一节概述一、燃气汽车的发展历程2一、燃气汽车的发展历程1872年发明了奥托循环发动机开始就有了天然气发动机。第一次世界大战期间天然气发动机开始用在汽车上，后因气体燃料贮存、携带不方便，影响了燃气汽车发展，20世纪60年代以来，各国都在为解决汽车燃料和污染两大问题，寻求新的代用汽车燃料。20世纪30年代初由意大利人率先采用天然气作为汽车燃料。前苏联在1938年研制出两种压缩天然气汽车。到1996年仅独联体国家天然气汽车达47万辆，到1998年日本共有天然气汽车45万辆，到2000年意大利已有天然气汽车30万辆，到2000年阿根廷天然气汽车也超过30万辆。美国从1984年由福特公司开始研制天然气汽车，到1994年的10年间，美国仅有约4万辆天然气汽车在使用，但受到环保法规和国家政策制约，1994年后天然气汽车的发展速度也在逐渐加快。天然气兼具资源丰富、分布广泛、价格低廉且可大大减少汽车排放污染等多方面的优点，天然气汽车将是未来汽车的发展方向。28一、燃气汽车的发展历程1872年发明了奥托循环发动机开始就有二、我国燃气汽车的发展我国的一些专家在20世纪50年代就开展了有关天然气汽车的研究，并在60年代初于四川完成两辆CA10H型天然气汽车的2.5万km运行试验及其它试验。自1994年起，我国最大的工业城市——上海组织开展LPG（液化石油气）燃气汽车样车的试用及相关研究工作，1997年又开始对LPG汽车应用关键技术进行研究。在燃气发动机电控技术方面，由东风汽车公司和天津大学牵头开展了大型公交车用单燃料CNG（压缩天然气）电喷发动机研制，由广西玉柴和吉林工业大学、中国汽车技术研究中心牵头开展了大型公交车改单燃料LPG电喷发动机的研制；天津大学还开展了顺序喷射、稀燃、全电子控制柴油/天然气混合燃料发动机的研究。截止2001年底，我国燃气汽车保有量已超过11万辆29二、我国燃气汽车的发展我国的一些专家在20世纪50年代就开展三、车用燃气发动机的发展趋势燃气汽车在国外已有60多年的发展史，早期的燃气汽车发动机，都是采用油、气两用技术，。随着电子技术的发展，燃气发动机也在第一代产品的基础上，加装了电子控制装置，形成燃气汽车第二代产品。随着汽油机电控技术的推广应用，第三代电控燃气喷射技术产品也相继问世，主要包括两用燃料单点喷射系统和单一燃料（天燃气或液化石油气）闭环多点顺序喷射系统，同时发动机控制系统的功能也逐渐延伸到点火和排放控制等系统。30三、车用燃气发动机的发展趋势燃气汽车在国外已有60多年的发展四、车用燃气发动机的类型按所用气体燃料的种类不同分为两大类：液化石油气发动机以液化石油气（LPG）作为燃料。液化石油气是一种在大气温度条件下，只需较小压力就能转变为液态的烃类混合物，主要成份是丙烷和丁烷。天然气发动机以天然气（NG）为燃料。按所用的天然气形态不同，天然气发动机又可分为液化天然气（LNG）发动机、压缩天然气（CNG）发动机和吸附天然气（ANG）发动机。31四、车用燃气发动机的类型按所用气体燃料的种类不同分为两大类：四、车用燃气发动机的类型按能够燃用的燃料数量和形式可分为三类：单燃料燃气发动机只使用天然气或液化石油气中的一种作为燃料，此种发动机根据所用燃料特性进行专门设计，其热效率、经济性比较好。两用燃料燃气发动机具有两套独立的燃料供给系统（其中一套用于供气），在使用中可以在两种燃料间灵活切换，但两种燃料不能同时使用。混合燃料燃气发动机是在柴油机基础上，经过重新设计或改装而成的燃气发动机。使用天然气（或液化石油气）与柴油的混合燃料，燃气混合气由压缩自燃着火的柴油引燃。32四、车用燃气发动机的类型按能够燃用的燃料数量和形式可分为三类第二节燃气的性质一、天然气二、液化石油气33第二节燃气的性质一、天然气8一、天然气组成成分：甲烷密度：相当于空气的60%。热值：低热值高于汽油和柴油。自燃温度：比汽油和柴油略高，需外源点火。抗爆性：比汽油好，可提高压缩比。沸点：-162度，一般以气态存储。颜色、味道和毒性：无色、无味、无毒。34一、天然气组成成分：甲烷9二、液化石油气组分：丙烷、丁烷。密度：易液化，15度时为液态，密度比汽油小；气态的LPG比空气密度大。热值：单位质量LPG热值比汽油高。自燃温度：比汽油高。抗爆性：介于汽油和天然气之间。沸点：常温下为气态。颜色、味道和毒性：无色、无味、无毒。35二、液化石油气组分：丙烷、丁烷。10第三节燃气发动机的混合气形成与燃烧一、燃气发动机的混合气的形成二、燃气发动机的燃烧过程36第三节燃气发动机的混合气形成与燃烧一、燃气发动机的混合气的一、燃气发动机的混合气的形成1.机外混合混合气均匀，控制系统简单，安全性差。应适当减小气门重叠角。(1)混合器供气系统(2)电控燃气喷射系统2.机内混合(电控燃气直接喷射系统)：与柴油机类似，分为高压和低压喷射两种型式。37一、燃气发动机的混合气的形成1.机外混合12混合器供气系统与化油器式汽油发动机类似。分为机械控制和电控两种型式。双燃料发动机以般用调节器调节混合气的浓度。化油器式双燃料发动机加装点火时间转换器。电控混合器供气系统应用于柴油机上。38混合器供气系统与化油器式汽油发动机类似。13双燃料发动机供给系统39双燃料发动机供给系统14混合器供气电控系统40混合器供气电控系统15电控燃气喷射系统41电控燃气喷射系统16二、燃气发动机的燃烧过程1.正常燃烧着火延迟期急燃期补燃期点火提前角比汽油机大。2.不正常燃烧爆燃。42二、燃气发动机的燃烧过程1.正常燃烧17第四节改善燃气发动机燃烧过程的措施一、影响燃气发动机燃烧过程的因素二、应用在燃气发动机上的电控技术43第四节改善燃气发动机燃烧过程的措施一、影响燃气发动机燃烧一、影响燃气发动机燃烧过程的因素1．燃料性质：然气的沸点低，与空气混合容易，混合气形成均匀，燃气发动机的补燃期较短，燃烧比较完全，排放污染低。然气的辛烷值较高，所以燃气发动机爆震燃烧的倾向小。在压缩比相同时，天然气的着火延迟期比汽油长，液化石油气的着火延迟期比汽油短。2．混合气浓度：汽油机功率混合气的浓度为α=0.8~0.9，燃气发动机的功率混合气浓度为α=0.9~1.1。3．点火提前角：燃气比汽油的燃烧速度慢，燃烧过程所需时间（或曲轴转角）相对较长，而且抗爆性能较好，所以在两用燃料发动机上，燃用燃气时与燃用汽油时相比，点火提前角一般应提前3°~5°。4．发动机负荷：由于燃气的燃烧速度慢，在发动机使用的负荷范围内，尽量减少残余废气量和适当增大点火提前角，对提高燃气发动机性能非常重要。试验证明，随负荷变化，汽油机的急燃期所占曲轴转角变化较大，而燃气发动机基本不变，所以有无点火提前角真空自动调节装置，对汽油机非常重要，对燃气发动机影响不大。44一、影响燃气发动机燃烧过程的因素1．燃料性质：然气的沸点低，二、应用在燃气发动机上的电控技术1．直接采集信号控制系统直接采集信号控制系统的燃气ECU直接采集各种传感器信号，经过分析计算，确定喷入各缸的燃气量，如图所示。45二、应用在燃气发动机上的电控技术1．直接采集信号控制系统20二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统间接采集信号控制系统主要应用在电控汽油喷射发动机改装的燃气发动机上，除汽油喷射控制ECU外，增加了燃气控制ECU，两个ECU共用传感器信号，而且发动机燃用燃气时，还利用汽油ECU的点火控制、怠速控制等功能。在间接采集信号控制系统中，燃气ECU充分利用汽油ECU的控制功能，采集汽油ECU输出的喷油器控制信号并将其转化为燃气喷射器控制信号，再用来控制燃气喷射器的喷射时刻和喷射时间，如图所示。46二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统21二、应用在燃气发动机上的电控技术2．间接采集信号控制系统

在电控燃油喷射汽油机改装的两用燃料发动机上，为保证汽油ECU正常工作，发动机燃用燃气时，燃气电控系统必须向汽油ECU输送模拟汽油喷射信号和模拟氧传感器信号。此外，在两用燃料发动机上，由于燃用汽油