1、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 天然气 (CH4) LPG 柴油 (C16H34为代表 ) 汽油 (C8H18为代表 )常态下密度 kgm-3 0.750.8(气态 ) 580 8
2、30 720 750沸点 -161.5 -100 170 350 30 190理论空燃比 (kg/kg) 17.2： 1 14.3： 1 14.8： 1低热值 MJ(kg)-1 49.81 45.9 42.50 43.90辛烷值 (RON) 130 100110 23 30 80 99十六烷值 0 40 60 27燃烧极限 (体积 ) % 5 15 1.59.5 1.58 8.2 1.3 7.6自然温度 (常压下 )T 650 450 250 390 420闪点 -43 -187 60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
3、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
4、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到 、欧 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
5、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 、欧 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。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气发动机基础知识（发展过程 -生产一代）8燃气发动机基础知识（发展过程 -研发一代）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
6、；2、超稀薄燃烧；3、保持原柴油机动力性水平；4、能够达到欧 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。4-3-1 高压直喷系统 HPDI液压泵气体控制模块高压直喷喷油器高压天然气高压共轨柴油泵 控制单元LNG储罐与泵总成10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。11燃气发动机基础知识（发展过程 储备一代）第 12页 共 页燃气发动机基础知识（与柴油机区别）燃气发动机 柴油机燃料供
7、给系统 燃气供给（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（点火控制模块、点火线圈、高压线、火花塞等）压燃压缩比 12左右 17左右转速信号采集 信号发生器（相位传感器）飞轮壳处燃料空气混合 混合器、节气门 无排温 高(增压器、排气管、进排气门座 )低电控系统 WOODWARD BOSCH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2
8、、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。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。燃气发动机基础知识（燃烧特点）可导致爆震的主要因素包括：1、过多的积炭
9、 (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 )。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（燃烧特点）第 16页 共 页燃气发动机基础知识（工作原理）第 17页 共 页燃气发动机基础知识（工作原理）第 18页 共 页燃气发动机基础知识（燃气供给系统）气瓶切断阀 FMV燃料计量阀混合器滤清器稳压器热交换器 节温器燃气供给系统的作用 : 压力管理 :
10、 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第 19页 共 页燃气发动机基础知识（燃气供给系统示意图）第 20页 共 页燃气发动机结构原理（滤清器）作用：过滤燃气中 0.3m 0.6m 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 。电磁切断阀是由线圈驱动阀芯，由 ECM控制其开
11、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（电磁阀）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
12、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。燃气发动机结构原理（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。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 平衡管接头燃气发动机结构原理 （减压器）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热交换器的作用： 天然气从
13、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。燃气发动机结构原理（热交换器）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“
14、IN” 标记，出口处有“ OUT” 标记。天然气发动机结构原理（节温器）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。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 W
15、P7NG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
16、范 。燃气发动机结构原理（ FMV）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。燃气发动机结构原理（混合器）OH1.2EngineControllerEngine发动机排气管电子节气门增压器AirFilter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燃气发动机基础知识（空气供给系统）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，并将实际开度反馈给 ECU。燃气发动机基础知识（负荷控制）
