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1、潍柴天然气发动机2.0系统结构及工作原理,潍柴西港新能源动力有限公司,目 录,六、点火控制系统,七、水循环系统,天然气的特性,天然气成分以甲烷（CH4）为主，同时含有少量的乙烷、丙烷和丁烷 等烃类气体，氮、二氧化碳、硫化氢等非烃类气体。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。 天然气在我国分布很广，根据开采和形成的方式不同，可分为以下几种： 纯天然气：从地下开采出来的气田气为纯天然气； 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； 矿井瓦斯：开采煤炭时采集的矿井气； 煤层气：从井下煤层抽出的矿井气； 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
2、、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小，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）天然气的自燃温度为650，比汽油高。4）天然气燃烧范围比较窄，在515之间，天然气的燃烧下限明显高于其他燃料： 天然气：5% 柴油：1.58，
3、汽油：1.3。,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。如果LNG车辆预计停放7天以上，建议停车前罐内残液量小于1/2，运行前需重新加满液，防止燃气成分变化大，导致发动机燃烧异常，带来损坏。,2）LNG:液化天然气 天然气在常温下不能通过加压液化，必须将温度降到-80以下才能在一定压力下液化。 通常条件下，1个体积的LNG（液态）将产生600个体
4、积的气体（标准状态）。LNG燃点高，安全性能好，适于长途运输和储贮。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，天然气主要有以下两种贮存形态：,目 录,六、点火控制系统,七、水循环系统,天然气发动机与柴油机的区别,天然气发动机的燃烧特点,1、空燃比精确控制，空气进气量决定燃气量进气调节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；排放恶化；经济性变差,2、采用稀燃技术。 天然气理论空燃比:16-17，混合中的天然气浓度小于理论空燃比。稀燃优点：经济性好，排放性能好，热负荷小稀燃注意事项：需高能、长时间点火和
5、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 爆震是一种不正常的燃烧。长时间爆震会导致发动机系统损坏 ，动力性、经济性将急剧恶化，爆震主要因素包括：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、燃料喷射闭环控制 氧传感器对排气进行测量反馈给ECU，控制燃料供给，保持目标空燃比。,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
6、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。,
7、增压开启阀,经济调节阀,抽真空阀,进液单向阀,出液截止阀,过流阀,压力表阀,液位变送器,二级安全阀,一级安全阀,放空阀,增压调节阀,LNG燃料系统工作流程,车用LNG供气系统包括专用车载低温绝热气瓶、汽化器、调压阀、缓冲罐、压力液位显示仪表、报警装转置及其它辅助如加液放空部件组件。,LNG车用气瓶工作流程原理图,汽化器,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供气系统原理图,CNG发动机工作原理图,目 录,六、点火控制系统,七、水循环系统,燃气控制系统,燃气供给系统作用,气瓶及管路部件,切断阀,F
8、MV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,传感器测量,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,喷射燃料计算,氧传感器,ECU电控单元,计算机管理中心，以信号（数据）采集为输入，经过计算处理、分析判断、决定对策，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。,输出两个5 V电源给传感器供电等。 注意：如果5v电源短路，会导致许多系统错误。输出两个专门接地给传感器等。外接保险盒，内有保险片和继电器，对电路进行控制和保
9、护。,RS485CAN(SAEJ1939 ),程序保持在可在ECU长时间断电情况下保存；ECU可重复多次刷写数据,电源和接地,通信,程序,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
10、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,作用：CNG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。减压器有一水腔，与发动机水路相连，利用发动机的冷却液加热。天然气从高压变低压需要吸热，要保证加热良好。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，防止减压器供热不及时导致结霜或结冰。平衡管接头：与发动机进气管连接，可以动态调节减压器出口压力，提高燃气供气系统的反应速度。平衡管接头需固定，防止漏气，否则可导
11、致动力不足。WP5/WP6/WP7NG发动机不安装平衡管；高压电磁阀，燃气管路上的安全开关，控制天然气的通断。,平衡管接头,出气口,泄压口,出水管,进水管,高压电磁阀,进气口,减压器,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0.3m 0.6m的微粒，过滤效率95%。技术参数：使用温度：-40107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。,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加
12、热，防止进入燃料计量阀前的燃气结晶。结构：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：冷却水温度高于0度时，能保证燃气温度始终高于-40 ；冷却水温高于82C时，能保证燃气温度高于0 。可承受压力：天然气：90bar；冷却液：4bar,作用：通过燃气温度控制流经热交换器的冷却液，以控制燃气温度，保持出口燃气在0-40 左右。当燃气温度 60 时，将关闭通往热交换器的水路。 性能：燃气温度超过40，节温器在30秒钟内关闭；燃气温度低于10，30秒钟内节温器开启；注意事项：开启与关闭受燃气温度控制，冷却液进口标记：“IN” 出口标记： “OUT”燃气没有方向要求；冷却液有方向要求
13、，不能接反。工作压力： 燃气：10bar；冷却液：3.5bar,节温器,燃气控制系统,燃气温控模块,1、燃气滤清器、节温器和热交换器功能集成一体； 2、水路、气路内部集成，安全可靠。,燃料计量阀（FMV）,燃气控制系统,作用： 根据发动机运行工况，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：不同机型配置不同数量的喷嘴。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，变工况下，喷嘴同时喷射以加快系统反应速度。注意喷嘴线束一定要插紧。燃气压力传感器NGP ：测量燃气压力燃气温度传感器NGT ：测量燃气温度维护保养： 使用一段时间后，需要
14、清洗，清洗时使用专门的清洗设备，并且应用诊断软件中清洗功能。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： 喉管和十字叉小孔需定期拆卸清洗或用化油器清洗剂冲洗。,混合器,燃气控制系统,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。氧传感器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35倍排气管直径的地
15、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。,低温监测电磁阀,低温监测电磁阀为先导活塞式，没有膜片，低温适应性更好； 集成了量程(-200-100)超低温传感器,，使软件具备低温安全保护功能。,燃气控制系统,稳压器升级-活塞式稳压器,寿命提升3倍； 耐低温性好，LNG适应性好；符合ECE/R110标准。,低温密封测试,燃气控制系统,目 录,六、点火控制系统,七、水循环
16、系统,进气控制系统,OH1.2,OH1.2,Engine,Engine,Controller,Controller,Engine,发动机,电子节气门,增压器,Air,Air,Filter,Filter,空气滤清器,节气门位置反馈,中冷器,废气控制阀,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,油门脚踏板,进气控制系统图,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。,进气控制系统,脚踏板和节气门之间不使用机械部件连接；脚踏板踩下时，发出怠速确认开关（IVS）信号，接着发出踏板位置（FPP）电
17、位计信号，ECU将踏板位置信号计算成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。,进气控制系统,作用：采用非接触式传感器，输出05V的电压信号。 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，怠速确认开关关闭并发出一个信号通知ECU，电位计FPP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。,脚踏板接头,线束端,脚踏板端,过渡线,电子脚踏板,悬空,电子节气门,进气控制系统,
18、脚踏板控制模式：转速在怠速和最大额定转速之间时，正常运行下控制模式。该控制模式时：脚踏板踩下，ECU接受踏板位置信号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。怠速控制模式(IDLE OR PTO)：当发动机转速降至怠速以下时，节气门进入怠速控制，此时节气门由怠速PID控制。最大调速控制模式：发动机的运行状态满足软件中最大转速的设置（转速高于标定转速加上一定的限值及延迟）时，进入此控制模式。此时节气门受此模式下PID参数的控制。即转速越高，节气门开度位置越小。轻度/中度/重度限扭矩：当系统有故障出现且该故障对应的故障动作中包含有轻度/中度/重度限扭矩时，任
19、何对节气门的需求高于轻度/中度/重度限扭矩限值时都是被限制的，当节气门位置达到限扭矩的限值后将不再增加。水温/燃气温度/空气温度过高时进行扭矩限制。ROAD SPEED LIMIT 控制模式，TSC1 TORQUE CONTROL控制模式，TSC1 SPEED CONTROL控制模式等,作用：电子节气门由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。结构：节气门集成有执行器，位置传感器，节气阀门等。绝大部分控制逻辑都是基于节气门来实现的，节气门有多种控制模式：,进气控制系统,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P
20、ID参数，调整废气控制阀的占空比,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,进气控制系统,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, 占空比减少，增压器压力降
21、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。1，2针脚间的电阻（室温）是772.5,进气控制系统,安装在节气门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。增压控燃料喷射计算制,进气压力温度传感器,安装在节气门前用于测量节气门前进气压力（PTP）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。,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,湿度传感器,安装在空滤器和增
22、压器进气口之间 尽量远离空压机取气口，并远离排气管测量进气湿度和温度，ECU依此修正空燃比来补偿环境影响。,目 录,六、点火控制系统,七、水循环系统,尾气处理系统,催化转化器,将排气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。安装在增压器之后、消音器之前，且安装于氧传感器之后（若有排气制动，则位于其之后）。转化效率与使用温度和空燃比密切相关； 整车布置时需对做热隔离处理，比如外包隔热材料等；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；采用氧化型后处理器即可满足国V排放，降低实现排放的使用成本。,目 录,六、点火控制系统,七、水循环系统,点火控制系统,点
23、火控制系统,结构：WP6/WP10/WP12发动机采用信号发生器总成和相位传感器结构。作用：测量发动机的凸轮轴位置和发动机转速。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10.5mm ；信号盘有一个标记齿（和其它齿不均匀分布）用来确定发动机旋转的绝对位置。安装时调整点火提前角：盘车至一缸压缩上止点，信号盘上的TDC标志刻线与相位传感器磁头左侧面外圆面相切。拧紧固定螺母，保证信号盘可靠固定。发动机运行时检查调整点火提前角：怠速时，用点火正时灯测量后的数值应与软件显示值一致。若不一致，调整信号盘位置。,信号发生器总成和相位传感器,点火控制系统,
24、结构：WP5/WP7发动机在凸轮轴齿轮处，安装相位传感器。安装：将凸轮轴齿轮上的销孔与凸轮轴上的定位销对正后松装凸轮轴齿轮，同时保证凸轮轴齿轮上的标记与曲轴齿轮上的标记对正（此时曲轴齿轮上的标记正好位于凸轮轴齿轮上的标记中间）。然后旋入凸轮轴齿轮紧固螺栓，并拧紧螺栓。,相位传感器,检查提前角的方法： 取出一缸火花塞； 找一细长标识物，插入一缸，且顶到活塞表面； 盘车，找到标识物的最高点，即为活塞上止点； 打开飞轮壳斜下方观察孔，看OT刻线是否重合。,上述方法，应重复两次或以上，以排除误差干扰。如果OT刻线重合，说明提前角正确无误；反之则说明提前角出现偏离。,点火控制系统,相位传感器,齿轮室,凸
25、轮轴齿轮,曲轴齿轮,点火控制系统,水温对查表所得数值有一定补偿,ECU电控单元点火时刻进行开环控制,点火提前角从程序中查表，坐标为发动机转速/进气压力MAP,ECU触发信号上升时，点火模块打开点火驱动寻找相应的点火线圈，初级电流上升到6.5A，给点火线圈充电，在触发信号下降前初级电流保持在6.5A；触发信号下降时，点火线圈驱动电流降低到初级电流；点火线圈次级端产生高压电；ECU复位脉冲触发点火模块再次在第一缸点火。,点火模块,点火指令,点火监控,点火线圈状态；点火线圈维持6.5A电流所需要的Dwell调整量,点火控制系统,点火线圈,作用：变压器功能，产生高压电。初级线圈匝数少，次级线圈含有更多
26、的线圈匝数。,将点火线圈产生的高压电传递给火花塞。日常维护检查需注意漏电检查。严禁用水冲洗。高压线属于易损件。,作用：产生电火花，点燃混合气安装扭矩：2025 N.m；火花塞间隙：0.350.05mm调整时侧电极和中心电极面平行火花塞属于易损件。,高压线,火花塞,1. 绝缘体2.火花塞头部 3.密封垫圈 4.中间柱体 5.火花塞体 6.玻璃密封剂 7.垫圈 8.电极 9.密封垫圈 10.中心电极 11.地电极,点火线圈升级智能点火线圈,自带驱动，取消点火模块； 点火能量提升30%，提高点火可靠性。,点火控制系统,目 录,六、点火控制系统,七、水循环系统,水循环系统,水循环系统,汽化器水路连接见下图，取水位置为发动机出水管取水口（螺堵处）,强烈建议胶管外侧包裹波纹管,汽化器胶管应固定可靠，应保证不被压瘪、磨蹭，并保证顺畅无急弯，并远离排气管汽化器回水管应单独一路回水，回到水泵入水口处。,
