潍柴天然气发动机结构及工作原理

潍柴气体机三羚公司培训

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

一、天然气的特性目录

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成分主要以甲烷（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。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。

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1）天然气在压缩（液化）、储运、减压、燃烧过程中,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，比空气轻，易挥发，不易聚集，安全性能好。如有泄漏，很快散失，不易着火；3）可然气的着火温度为650℃，比汽油高约260℃。4）天然气燃烧范围比较窄，在5％～15％之间，天然气的燃烧下限明显高于其他燃料：柴油：1.58％，汽油：1.3％。燃料种类天然气柴油汽油蒸气密度/（kg/m3）0.75-0.83.4≥4沸点℃-162170～35030～190理论空燃比(kg/kg)17.2：114.3：114.8：1辛烷值(RON)13023～3080～99燃烧极限(体积)%5～151.58～8.21.3～7.6自然温度(常压下)T℃650250390～420天然气、柴油、汽油比较安全性

天然气的特性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。天然气因生产区域不同，成分可能不同，若差别较大，需根据CNG气质成分表调整ECU数据。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。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。因此，LNG适用于长途运输和储贮。LNG接触到皮肤时，可造成与烧伤类似的灼伤。从LNG中漏出的气体也非常冷，并且能导致灼伤。作为车载能源，主要有以下两种贮存形态：

一、天然气的特性目录

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天然气发动机柴油机燃料供给系统燃气供给系统（电磁切断阀、稳压器、燃料计量阀等）燃油供给（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）压燃压缩比1217相位转速信号采集信号发生器（相位传感器）油泵及飞轮燃料空气混合混合器、节气门无排温高增压器、排气管、进排气门座等优化低国IV后处理装置三元催化器SCR后处理系统电控系统目前为美国伍德沃德系统国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=更大功率对进气调节控制能力决定发动机性能增压低，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和小的火花塞间隙；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，发动机动力性、经济性将急剧恶化，爆震主要因素包括：压缩比过大；机油消耗过大，或过多积炭；燃料过浓或品质差

；进气温度过高；增压压力过高；点火定时不准4、燃料闭环控制，不易失火

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。

ECU标定数据中包含了失火极限以防止最初的失火。

燃烧特点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。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

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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。ECU输出两个5V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。RS485SAEJ1939程序保持在可在ECU长时间断电情况下保存；ECU可TOOLKIT重复多次刷写电源和接地通信程序燃气控制系统燃气供给系统作用气瓶及管路部件切断阀FMV燃料计量阀混合器燃气滤清器稳压器热交换器节温器压力管理传感器安全管理温度控制清洁气罐压力

混合器前极低压力有效给燃气加热并控制燃气温度在合理范围内提供给ECU燃气温度和压力信息电磁阀控制燃气的开断过滤燃气中的杂质燃气控制系统作用：

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。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。LNG电磁阀LNG稳压器作用：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。WP5/6/7平衡管接头可不接。二级保养时更换稳压器维修包

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◆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：例行检查时排污。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。燃气控制系统

CNG发动机专用部件，将压缩天然气压力由存储状态调节至8bar左右。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。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。电磁阀，燃气管路上的安全开关，控制天然气的通断。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减压器◆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。◆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。

热交换器燃气控制系统作用：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：在冷却水温度高于0度的时，热交换器能保证燃气温度始终高于-40℃。冷却水温高于82C时燃气温度高于0℃。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：天然气：90bar冷却液：4bar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，冷却液进口处有“IN”标记，出口处有“OUT”标记，不能接反。工作压力：

燃气：10bar

冷却液：3.5bar节温器

燃料计量阀（FMV）燃气控制系统作用：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；注意喷嘴线束一定要插紧。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。维护保养：

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。按《潍柴燃气发动机喷嘴清洗规范》操作。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。维护保养：喉管和十字叉小孔定期拆卸清洗或用化油器清洗剂冲洗。混合器

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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、点火控制系统空气控制系统OH1.2OH1.2EngineEngineControllerControllerEngine发动机电子节气门增压器AirAirFilterFilter空气滤清器节气门位置反馈中冷器废气控制阀排气空气、燃气混合新鲜空气节气门前压力传感器进气温度、压力传感器混合器氧传感器油门脚踏板空气控制系统图负荷控制：ECU电控单元主要采集电子脚踏板信号，指挥电子节气门动作，控制发动机输出功率，实现整车负荷对发动机的需求。空气控制系统脚踏板和节气门之间不使用机械部件连接；脚踏板踩下时，ECU接受踏板位置信号，并计算转换发出节气门开度命令信号，节气门接受开度命令信号，并将实际开度反馈给ECU；对稀燃而言，信号的传递非常关键。空气控制系统作用：脚踏板采用非接触式传感器，输出0～5V的电压信号，ECU根据脚踏板的信号来控制电子节气门的开度。

结构：脚踏板有一电位计（FPP）和怠速确认开关(IVS)，IVS一端接地，另一端接ECU。脚踏板下踩到某个点时，怠速确认开半关闭并发出一个信号通知ECU，电位计开始起作用。特点：脚踏板的参数必须符合潍柴技术要求或装配潍柴专用脚踏板。否则将导致ECU报错。ECU在每一次开电循环后会自动重新标定脚踏板。②脚踏板接头线束端

脚踏板端线束端过渡线脚踏板端定义33(J1A24)1信号地51(J1A8)2信号34C(J1A11)3提供5V电压33D(J1A24)4信号地52(J1B7)5IVS常开6不接过渡线电子脚踏板电子节气门

空气控制系统

电子节气门由电控单元ECU控制其阀门开度大小，以控制混合气进气量，从而改变发动机的输出功率。节气门集成有执行器，位置传感器，节气阀门等。根据ECU指令，有多种工作状态：发动机转速低于怠速值时，节气门进入

怠速控制模式，ECU控制节气门开度位置，保持发动机转速在怠速目标值附近；发动机转速超过最大额定转速时，节气门进入最大转速控制模式，即转速越高，节气门开度位置越小。发动机转速在怠速和最大额定转速之间时，节气门进入脚踏板控制模式，即节气门开度位置随脚踏板位置同步变化。发动机出现故障码时，出现不同程度的限节气门，使得发动机跛行运行；水温过高、进气温度过高、燃气温度过高等情况发生时，会出现不同程序的限节气门模式，使得发动机跛行运行。空气控制系统增压压力示意图增压压力控制：ECU根据进气压力测量值与ECU内部设定压力值之间的差值，通过PID参数，调整废气控制阀的占空比（DC%）,控制增压器产生增压压力的大小，直到实际增压压力MAP等于设定增压压力。气体机使用专用水冷增压器。废气控制阀作用：与增压器的放气阀连接，控制增压器废气门驱动气室的气体压力，从而控制增压器产生的增压压力。增压空气源增压器放气阀放气端线束端空气控制系统弹簧力方向废气控制阀占空比=0时，电磁阀关闭，压缩空气推动增压器废气阀完全打开，增压器排气能量减少，最终降低增压压力；废气控制阀占空比=100%，电磁阀处压缩空气泄漏量最大，增压器废气阀在弹簧力作用下趋向关闭，增压器工作的排气能量增多，增压压力升高。MAP<

设定增压压力时,占空比增加，增压压力升高；MAP>设定增压压力时,占空比减少，增压器压力降低。若通至阀门的空气被污染，阀门隔网可能堵塞，空气连接断开可能过增压；连接管路漏气，增压控制可能不稳；如果电气连接断开，则发动机功率下降。空气控制系统安装在电子节气门之后，集成压力温度的传感器：压力传感器（MAP）：测量进气管绝对压力，测量范围从真空到增压压力；温度传感器（MAT）：测量进气管温度。用途燃料喷射计算增压控制进气压力温度传感器安装在电子节气门之前，用于测量节气门前进气压力。只是压力传感器（PTP）用途作为计算进入发动机空气流量的修正参数，对涉及燃气量修正的充气效率提供基准。许多故障码的判断需要该参数作为参考。（如：SFC331,371,372,373,491）安装位置不同，所以线束不能插错。节气门前压力传感器两者可以互换空气控制系统氧传感器作用：测量排气成分中氧分子浓度，将信号传递给ECU，ECU依此判断混合气实际空燃比相对于设定值稀或浓，控制喷气量增或减，从而修正空燃比，使实际空燃比与设定空燃比相符。是稀薄燃烧闭环控制传感器。注意事项：安装在排气管上，离增压器出口3～5倍排气管直径的地方。氧传感器不能安装在排气管弯管处。安装在排气制动（若有）后方。氧传感器线束端外包隔热罩，氧传感器线束及接插件尽量远离排气管，防止烧结。氧传感器螺座高度小于10mm，优先考虑竖直安装，允许与竖直方向角度偏差不超过30°，以防止排气管中的冷凝水氧传感器头部凝聚，造成传感器失效。湿度传感器作用：测量进气湿度和温度，将信号传递给ECU，ECU修正空燃比来补偿环境对发动机所造成的影响，使发动机运行在最佳空燃比状态。注意事项：◆该传感器安装在空滤器和增压器进气口之间的空气管路上。◆尽量远离空压机取气口。远离排气管空气控制系统催化转化器作用：将汽车排气系统中的有害物质碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物转化为水蒸气、二氧化碳和氮气。催化器的转化效率除了本身的因素外，还和使用条件密切相关，其中最关键的因素是使用温度和空燃比。◆催化转化器发热量大、温度高，整车布置时需对净化器转化器做热隔离处理，比如外包隔热材料，建议单独设置可靠的隔热室。◆催化转换器安装于发动机增压器之后、消音器之前，且安装于氧传感器之后（若有排气制动，则位于排气制动之后）。◆注意催化转化器的进出气指示箭头方向需与发动机排气流向一致。国三、国四、国五排放标准的发动机分别加装不同规格的催化转化器。

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三、燃气控制系统

四、空气控制系统

五、点火控制系统点火控制系统Trigger触发信号Reset复位信号V+V+V+IMON点火控制系统作用：测量发动机的凸轮轴位置和发动机转速。传递给ECU。ECU获取准确的转速信号后控制进气量、燃料量、点火提前角等。安装：相位传感器和信号盘之间的间隙为1±0.5mm，以保证发动机在最低转速时能产生波幅大于1V的电压信号。