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1、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,六、点火控制系统,七、水循环系统,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： 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
2、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）天然气的着火温度为650，比汽油高约260。4）天然气燃烧范围
3、比较窄，在515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。,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
4、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：,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，混合气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。长时间爆震会导致发动机
5、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
6、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Conne
7、ct。,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,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,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。,E
8、CU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。,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,ECU电控单元电器原理图,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
9、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0.3m 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
10、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8 bar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
11、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：
12、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
13、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
14、十字叉小孔定期拆卸清洗或用化油器清洗剂冲洗。,混合器,进气控制系统,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35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
15、效。,目 录,六、点火控制系统,七、水循环系统,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，ECU接受踏板位置
16、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。,进气控制系统,作用： 脚踏板采用非接触式传感器，输出05V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。,脚踏板接头,线束端,脚踏板端,过渡线,电子脚踏板,
17、电子节气门,进气控制系统,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
18、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。,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,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
19、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。,进气控制系统,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
20、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,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，并远离排气管,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,作用：将汽车排气系统中的有害物质碳氢化合物、一氧化
21、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。,目 录,六、点火控制系统,七、水循环系统,点火控制系统,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。
22、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 ，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。安装时调整点火角度：信号盘通常有一个标记齿（和其它齿不均匀分布）用来确定发动机旋转的绝对位置。安装调整方法：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。信号盘应可靠固定，以保证信号盘和发动机的相位关系不会改变。调整：准确的点火提前角度需用点火正时灯测量。,信号发生器总成和相位传感器,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
23、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并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,初级线圈使用匝数少线圈储存电流，次级线圈含有更多的线圈匝数，从而产生变压器功能（电压升高）,将点火线圈产生的高压电传递给火花塞， 高压线属于易损件。日常维护检查需注意漏电检查。严禁用水冲洗。,作用
24、：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注意：侧电极和中心电极面平行,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,V+,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。,谢谢打赏支持,希望本文章对您有所帮助！,
