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图6-22 燃油供给系统组成图6.5.2 共轨式电控燃油喷射系统工作原理 共轨式电控燃油喷射系统的基本工作原理是:高压供油泵从油箱中吸出柴油并将油压提高后输入共轨，多余的燃油经回油管流回油箱。共轨上设有油压传感器，传感器将共轨油压的信号输送给电控单元，由电控单元对PCV阀（调压阀）实施闭环控制，使共轨中油压稳定于目标值。电控单元控制的PCV阀则通过调整电磁阀线圈中电流的大小来调节共轨中的油压。共轨中的燃油压力由电控单元根据柴油机工况的要求进行调节，并由共轨上的油压传感器向电控单元提供油压反馈控制信号。共轨油压决定喷油压力，而喷油压力和喷油器中电磁阀通电持续时间决定了循环喷油量，通电时刻决定了喷油起始点。下面以Bosch公司的共轨系统为例，说明系统零部件的组成及工作原理。1.高压供油泵 在电控高压共轨式喷油系统中，高压供油泵的功能是向共轨中提供高压燃油。供油压力由压力限制器进行设定。供油泵结构如图6-23所示，油泵上有三套柱塞组件，彼此成120分布，柱塞由偏心凸轮驱动。从图上可以看出，这种偏心轮驱动平面和柱塞垫块之间为面接触，比传统的凸轮与滚轮之间的线接触的接触应力要小得多，更有利于高压喷射。高压泵的基本工作原理如下:当柱塞下行时，来自输油泵的压力为0.05 MPa0.15 MPa的燃油流过安全阀5，经过低压油路6到达各柱塞组件的进油阀，并由进油阀11进入柱塞腔10，实现进油过程。还有一部分燃油经节流小孔流向偏心凸轮室8供润滑冷却用。当偏心凸轮转动使柱塞上行时，进油阀11关闭，燃油建立起高压。当柱塞腔10压力高于共轨中的压力时，出油阀1被顶开，柱塞腔10的燃油在PCV阀的控制下进入共轨中。图6-23 高压供油泵结构示意图1出油阀;2密封件;3调压阀;4球阀;5安全阀;6低压油路;7驱动轴;8偏心凸轮室;9柱塞泵油元件;10柱塞腔;11进油阀;12柱塞单向阀 在怠速或小负荷时，输出油量有剩余，可以经调压阀3流回油箱。还可以通过控制电路使柱塞单向阀12通电，使电枢上的销子下移，顶开进油阀11，切断某缸柱塞供油，以减少供油量和功率损耗。2.调压阀（PCV） 调压阀安装在高压供油泵旁或共轨管上，其作用是根据发动机负荷状况调整和保持共轨管中的压力。当共轨压力过高时，调压阀打开，一部分燃油经集油管流回油箱;当共轨压力过低时，调压阀关闭，高压端对低压端密封。调压阀结构示意图如图6-24所示，球阀的一侧是来自共轨燃油的压力，另一侧衔铁受弹簧预紧力和电磁阀电磁力的作用。而电磁阀产生电磁力的大小与电磁阀线圈中的电流大小有关。当电磁阀不通电的时候，弹簧预紧力使球阀紧压在密封座面上，当燃油压力超过10 MPa时，才能将其打开，即共轨腔中的燃油压力至少达到10 MPa时，才有可能从PCV阀处泄流到低压回路。若要提高共轨中的油压，需使PCV阀通电。燃油压力除了要克服弹簧预紧力之外，还要克服电磁力，即电磁阀的电磁力通过衔铁作用在球阀上的力的大小也决定了共轨中的燃油压力。电磁阀的电磁力可以通过调整电磁阀线圈中电流的大小来控制。 3.共轨组件 共轨组件包括共轨本身和安装在共轨上的高压燃油接头、共轨压力传感器、起安全作用的压力限制阀、连接共轨和喷油器的流量限制阀等，其作用是存储高压油，保持压力稳定，如图6-25所示。共轨本身容纳高达150 MPa以上的高压燃油，材料和高压容积对于共轨压力的控制都是至关重要的。 图6-24 调压阀结构示意图图6-25 共轨组件（1）限压阀（压力限制阀）限压阀的作用是限制共轨中的压力。当共轨中的燃油压力过高时，限压阀连通共轨到低压的燃油回路，实现安全泄压，保证整个共轨系统中的最高压力不超过极限安全压力。共轨内允许的短时间最高压力为150 MPa。如图6-26所示，当压力超过弹簧的弹力时，阀门打开卸压，高压油经通孔和回油孔流回油箱。（2）流量限制阀流量限制阀的作用是在非正常情况下防止喷油器常开并导致持续喷油的现象。一旦共轨输出的油量超出规定的水平，流量限制阀就关闭通往喷油器的油路。流量限制阀的一侧通过螺纹连接到共轨上，另一侧通过螺纹拧入喷油器的进油管。外壳两端有孔，以便与共轨或喷油器进油管建立液压联系。流量限制阀内部有一个活塞，一根弹簧将此活塞向共轨方向压紧，如图6-27所示。正常工作时，活塞在静止状态，由于受弹簧的作用力，总是靠在堵头一端。在一次喷油后，喷油器端压力下降，活塞在共轨压力作用下向喷油器端移动。在喷油终了时，活塞停止运动，但并不关闭密封座面，这时弹簧将活塞重新压回到静止位置。当喷油量过大时，由于出油量过多，活塞从静止位置被压到喷油器端的密封面上，从而关闭通往喷油器的进油口，这种情况一直停留到发动机停机。 图6-26 限压阀结构示意图图6-27 流量限制阀结构示意图图6-28 共轨压力传感器结构示意图（3）共轨压力传感器共轨压力传感器的作用是测定共轨中的实时燃油压力，并向ECU提供电信号。如图6-28所示。高压燃油经压力室的小孔流向膜片，膜片上装有半导体压敏元件，可将压力转换为电信号，通过连接导线将产生的电信号传送到ECU。当膜片形状改变时，膜片上涂层的电阻发生变化，使5 V供电的电阻电桥中产生的电压也发生变化。电压在070 mV之间变化，经电路放大到0.5 V4.5 V，并通过连接导线将产生的电信号传送到ECU。 4.喷油器 喷油器是共轨柴油喷射系统中的核心部件，其作用是准确控制向汽缸喷油的时间、喷油量和喷油规律。图6-29为Bosch共轨式喷油器的结构简图，喷油器的顶端装有电磁阀，用来控制喷射过程。图6-29 Bosch共轨式喷油结构简图当电磁阀断电时，球阀在弹簧力的作用下压紧在电磁阀的阀座上，高压和低压之间的流通通道被隔断，来自共轨的高压燃油流经喷油器上的高压燃油接口、进油截流孔进入到柱塞控制腔中，并作用在控制柱塞上，同时另有一部分高压燃油还经喷油器体的斜油道流入喷油器底部喷嘴针阀承压锥面上。由于柱塞截面面积大于喷嘴针阀承压锥面面积，加上弹簧的预紧力，作用在柱塞顶部的燃油压力便克服喷油器底端针阀承压锥面上的燃油压力，使得柱塞和针阀向下紧压在喷油器针阀座面上，针阀关闭，喷油器不喷射。当电磁阀通电后，球阀受电磁力的作用离开阀座，柱塞控制腔和燃油回油口连通，高压和低压之间的流通通道打开，柱塞控制腔中的部分高压燃油经过溢流截流孔、球阀进入低压回路。由于进油截流孔和溢流截流孔都很小，因此流体的截流作用导致柱塞控制腔的压力小于来自共轨的高压燃油的压力，高压燃油在喷油器针阀承压面上的压力使柱塞和针阀抬起，喷油器就开始喷油。电磁阀断电时，球阀再次关闭，共轨中的燃油压力又重新作用在控制柱塞的上方，针阀重新关闭。整个喷射过程简述如下:当电磁阀通电时，针阀抬起，喷射开始;当电磁阀断电时，针阀落座，喷射结束。由于共轨中的压力一直存在，所以任何时刻喷油器都可以在电磁阀的控制下喷油，这是与第二代时间控制式系统喷油电磁阀的不同之处。由此可见，在此“时间压力控制”系统中，ECU控制供油压力调节阀使喷油器的喷油压差保持不变，再通过控制电磁阀工作实现喷油量和供油正时的控制。电磁阀通电开始时刻决定了喷油的开始时刻，其通电时间决定喷油量。6.5.3 共轨式电控燃油喷射系统的特点 共轨式电控燃油喷射系统具有如下特点:（1）可实现高压喷射，喷射压力比一般喷油泵高出一倍，最高已达200 MPa。（2）共轨式燃油喷射系统喷油压力独立于发动机转速，可改善发动机低速及低负荷性能。（3）具有良好的喷油特性，喷油器电磁阀直接对喷油定时和喷油脉宽进行控制，可优化燃烧过程，使发动机油耗、烟度、噪声及排放等性能指标得到明显改善，并有利于改进发动机转矩特性。（4）可实现共轨压力的闭环控制。共轨上的压力传感器实时反馈共轨中的压力，通过控制PCV阀的电流来调整进入共轨的燃油量和轨道压力，形成独立的共轨压力闭环子系统。（5）共轨沿发动机纵向布置，高压泵、共轨和喷油器各自的位置相互独立，便于在发动机上安装和布置。（6）从技术总体实现难度上看，共轨系统组成较复杂，机械、液压力和电子、电磁阀耦合程度高，加工制造、控制匹配要求的水平高，与第二代时间控制式相比，具有好性能的同时，开发难度也加大。6.6 柴油机电控燃油喷射系统实例6.6.1 捷达SDI柴油发动机电控轴向压缩式分配泵系统 1.电控轴向压缩式分配泵系统的组成 捷达SDI柴油发动机电控轴向压缩式分配泵系统的组成如图6-30所示。该系统使用Bosch生产的VP37型电控分配泵，属于第一代位置式控制系统。 图6-30 捷达SDI柴油发动机电控轴向压缩式分配泵系统的组成图1加速踏板位置传感器;2制动灯开关;3离合器开关;4车速信号;5转速信号; 6电子节气门;7针阀升程传感器;8冷却液温度传感器;9进气温度传感器; 10燃油温度传感器;11喷油泵;12EGR阀;13故障指示灯2.电控单元 电控单元控制框图如图6-31所示。 图6-31 电控单元控制框图电控单元外壳一般用金属制成，所有的电路和芯片都封装在金属盒内，传感器、执行器和电源通过一个多针电气插头与之相连。ECU内部有印刷电路板，上面有各种集成电路芯片、电子元件、单片微型计算机等，如图6-32所示。3.轴向压缩分配泵 与机械式轴向压缩分配泵相比，电子控制式取消了机械调速器，改由电驱动的执行器来控制油量控制套筒，定时机构也实施了电子控制。电控轴向压缩式分配泵主要由电子控制式油量调节机构、供油提前角自动调节机构、泵油机构、驱动机构、滑片式输油泵及燃油切断装置等部分组成。图6-33为轴向分配泵的零件图。图6-32 电控单元实物图图6-33 轴向分配泵的零件图1燃油分配泵驱动轮固定螺栓;2燃油分配泵驱动轮;3轮毂螺母;4进油管;5密封环;6燃油切断控制阀;7连接管;8回油管;9压紧螺母;10高压油管;11连接管;12、22螺栓;13喷油器;14、18紧固螺栓;15支架;16底座;17隔热密封环;19供油正时控制阀;20O形环;21滤网;23轴套;24分配泵支架;25固定螺栓4.油量调节机构 油量调节机构如图6-34所示，调节活塞位置传感器检测调节活塞的位置并以电信号的形式输送到电控单元。油量调节器实际上是一个电磁转动电位计，由电控单元控制。油量调节器上的偏心轴在高压活塞上移动调节活塞，从而移动油量控制套筒以达到调节喷油量的作用。5.供油提前角自动调节机构 通过供油提前角调节电磁阀来控制压力腔内的油压，压力腔内的油压与弹簧的平衡位置不同，使得正时活塞能够左右移动，带动传力销相对转动一个位置，这样就改变了压力滚轮与凸轮盘的相对位置，从而改变了供油提前角，如图6-35所示。 图6-34 油量调节机构图图6-35 供油提前角自动调节机构图6.6.2 宝来TDI柴油发动机泵喷嘴系统1.泵喷嘴电控系统 泵喷嘴电控系统由传感器、电控单元和执行元件三部分组成。传感器包括:空气流量计、发动机转速传感器、霍尔传感器、加速踏板位置传感器、强制低挡开关、怠速开关、冷却液温度传感器、进气歧管压力传感器、离合器踏板开关、燃油温度传感器。辅助信号有:车速信号、空调信号、巡航开关等。执行元件包括:喷油器电磁阀、燃油冷却泵（燃油冷却泵继电器）、预热塞（预热塞继电器）、废气再循环电磁阀、增压压力控制电磁阀、进气歧管翻板转换电磁阀等。图6-36 宝来泵喷嘴实物图2.泵喷嘴的结构及工作过程 泵喷嘴主要包括压力产生泵、喷油器和电磁阀，并组合在一起形成一个整体。宝来泵喷嘴实物图如图6-36所示。泵喷嘴的工作过程包括预喷射循环和主喷射循环。 （1）预喷射循环在主喷射循环开始之前，少量燃油在低压下喷入燃烧室。这样可使燃烧室内的压力和温度上升，减少点火延迟（点火延迟是开始喷油和燃烧室内压力开始上升之间的时间，这段时间应尽量短暂，否则在此期间压力会突然上升并产生很大的燃烧噪声，即工作粗暴）。在预喷射循环和主喷射循环之间的喷射间隔期间，燃烧室内的压力平缓上升，而不是一个突然的上升，这样可降低燃烧噪声，废气中氮氧化物含量也会随之减少。预喷射循环开始时，喷射凸轮通过滚柱式摇臂将泵活塞压下，将高压腔内的燃油排到供油管。发动机控制单元给喷油器电磁阀提供电信号，电磁阀针阀被压入到电磁阀阀座内，关闭高压腔与供油管之间的通道。高压腔内开始产生压力，当压力达到18 MPa时，便高于喷射弹簧压力，喷油器针阀上升，预喷射循环开始，如图6-37所示。在这一阶段，喷油嘴针阀的升程受到阻尼单元液压力的限制。当喷嘴针阀打开后，预喷射立即结束。上升的压力使收缩活塞下移，使高压腔内容积扩大。于是，压力瞬时下降，喷嘴针阀关闭。此时，预喷射结束。收缩活塞的下移，增加了喷嘴弹簧的压紧程度。在接下来的主喷射循环，若想再次打开针阀，油压必须比预喷射过程中的油压高，如图6-38所示。（2）主喷射循环喷嘴针阀关闭后短时间内，高压腔内压力立即重新上升。喷嘴电磁阀仍然关闭，泵活塞下移。约30 MPa时，燃油压力高于喷嘴弹簧作用力，喷嘴针阀再次上升，主喷油开始。压力上升到205 MPa时，进入高压腔的燃油多于经喷孔喷出的燃油。主喷射循环开始，如图6-39所示。当控制单元使喷油器电磁阀断电时，电磁阀针阀回位，此时燃油被泵活塞排除至供油管，油压随之下降。然后喷油器针阀关闭，并且把收缩活塞压回到初始位置，主喷射循环结束。图6-37 预喷射循环开始图6-38 预喷射循环结束图6-39 主喷射循环开始 6.6.3 奥迪A6 3.0 -V6 -TDI型柴油发动机共轨燃油供给系统 新款奥迪A6 3.0-V6-TDI型柴油发动机燃油供给系统采用博世（Bosch）公司的第三代共轨技术。该系统配有一个由齿形带驱动的高压泵，左右汽缸座各有一条分配管。喷油压力可达160 MPa，系统组成如图6-40所示。当供油轨上的压力超过20 MPa时，发动机控制单元就会起动喷油过程。当供油轨上的压力降至13 MPa时，发动机控制单元就会终止喷油过程。 图6-40 奥迪A6 3.0-V6-TDI型柴油发动机共轨燃油供给系统图6-41 压电晶体式喷油器的结构示意图新一代共轨系统上最重要的改进就是燃油喷射系统采用了压电晶体式喷油器。这种新型喷油器具有无滞后时间、切换迅速且精确、使用寿命长、工作稳定等优点。因此，压电晶体式喷油器代表了新一代电控喷油器的发展方向。压电晶体式喷油器的结构如图6-41所示。西门子公司研发的压电晶体结构采用多层技术，由20m200m的陶瓷压电薄膜烧结而成，层与层之间有电极，加上电压后0.1 ms内就会发生晶格畸变。使喷油器内30 mm长的压电晶体由300多层薄膜组成，每层的厚度只有80m。压电元件加上电压后会膨胀约40m，通过杠杆比为11.5的杠杆，可使控制腔回油通道中的阀门开启。压电晶体式喷油器的工作过程如下:当压电晶体不通电时，单向阀1关闭，油阀中的燃油通过推动活塞杆，关闭喷油嘴，使喷油器不喷油。压电晶体通电后，压电晶体伸长，推动大活塞压缩油腔2中的燃油，再推动小活塞，将单向阀1中的钢球推离锥面，从而使油腔1中的燃油经过油道1、单向阀1及油道2回流到油箱。活塞杆上部卸压，针阀在盛油槽中的燃油压力作用下，克服回位弹簧的作用力，向上运动，从而开启喷油嘴，开始喷油。若压电晶体断电，单向阀1落座，活塞杆向下运动，即关闭喷油嘴。 第7章燃气发动机电控技术简介7.1 概 述7.1.1 燃气汽车的发展1.燃气汽车的发展历程 自从1872年发明了奥拓循环发动机开始就有了天然气发动机。早在第一次世界大战期间天然气就开始用在汽车上，后来由于气体燃料储存、携带不方便，影响了燃气汽车的发展，而采用液体燃料的汽油机汽车和柴油机汽车发展迅速。自20世纪60年代以来，全世界经历了两次世界大战，主要是因为对石油能源的竞争，而随着世界经济的迅速发展，车用燃料的需求量在不断增加，世界性石油资源日益枯竭的形势将更为严峻，与此同时，全球性的污染加剧，环境日趋恶化，这不仅严重影响了发达国家，也严重影响到了发展中国家。因此，能源和污染已经成为人类社会日益关注的问题。20世纪30年代初，意大利人率先采用天然气作为汽车燃料，到1939年意大利就有 1万辆汽车燃用天然气。前苏联早在1938年就研制出两种压缩天然气汽车，战后从1947年1948年开始批量生产压缩煤气汽车。但二十世纪五六十年代天然气汽车发展比较缓慢，只在少数贫油地区、特定用途的车辆上小规模的使用。直到20世纪70年代第一次石油危机之后，人们逐步认识到使用天然气作为汽车代用燃料具有经济、清洁的突出优点，于是世界各国燃气汽车技术逐渐进入快速发展时期。在天然气资源丰富的俄罗斯、意大利、阿根廷、新西兰、巴西等国家，以及受到环保法规和国家政策制约的美国、日本等国家，天然气汽车的发展非常迅速。据统计，到1996年仅独联体国家天然气汽车就达到了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。美国天然气汽车技术开发和市场开发都比较晚，从1984年福特公司开始研制天然气汽车，到1994年十年间，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的制约，1994年后天然气汽车的发展速度也在逐渐加快。近几十年来，为汽车寻求代用燃料以缓解石油短缺、减少环境污染，已经成为一个重大的社会、经济问题。在诸多清洁代用燃料汽车中，有氧气汽车、太阳能汽车、电动汽车、甲醛汽车、酒精汽车、天然气汽车等。经大量的试验与测试表明，国内外普遍认为，只有天然气（CNG）才兼具资源丰富、分布广泛、价格低廉且可大大减少汽车排放污染等多方面 190/汽车发动机电控技术 的优点，天然气汽车与燃油汽车相比较，排放的HC减少约80%，CO减少约90%，SO2 减少约70%，颗粒杂质减少约42%，非甲烷烃类减少约53%，CO2 减少约25%，噪声降低约40%，SO2 的排放几乎降到零。由此可见，天然气汽车必将成为未来汽车工业“绿色汽车”发展的主要方向。2.我国燃气汽车的发展现状 面对我国石油资源短缺，而相对丰富的天然气资源由于综合利用水平低，导致油气开采比例失调的状况，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2.5万千米运行试验及其他试验，后因各种原因试验站于1978年被撤消。20世纪80年代中期，为解决燃油供需矛盾，四川省又率先在国内发展天然气汽车，加快了天然气汽车的发展步伐，并于1988年从国外引进50套专用装置和一套高压充气站设备进行示范，随后开始了天然气汽车专用装置的研制开发工作。自1994年起，我国最大的工业城市上海，组织并开展了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，如车用LPG加注站的技术规程、LPG汽车批量生产与改装技术等，特别是及时开展整车生产和车辆匹配的关键技术研究工作，为LPG清洁汽车的推广应用工作提供了技术保障。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电喷发动机的研制，由广西玉柴和吉林工业大学、中国汽车研究技术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。近年来，国家对发展燃气汽车十分重视，成立了国家清洁燃料汽车领导小组，于1999年4月定于北京、重庆等第一批12个试点城市和地区，开展清洁汽车的推广应用工作。通过试点，在燃气汽车改装、运营、管理以及加气站建设等方面积累了不少经验。燃气汽车具有排放清洁、技术成熟、资源丰富等优点，受到各试点城市和地区政府的高度重视。目前，全国各地在成功试点的基础上，重点从改装车辆为主转为以建设燃气汽车应用环境为主，促进了燃气汽车在我国的推广应用和相关技术的发展。截止2001年底，我国燃气汽车保有量已超过11万辆，仅四川省CNG汽车就超过 2.8万辆。按全国各地制定的燃气汽车发展规划，预计到2010年我国燃气汽车的保有量将达到150万辆。3.燃气汽车技术的发展趋势 燃气汽车在国外已有60多年的发展历史，早期的燃气汽车发动机都是采用油、气两用技术，即在汽油机基础上增加一套由减压阀、混合器等组成的供气系统，发动机具有两套并列的燃料供给系统，形成天然气/汽油两用燃料发动机。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，形成燃气汽车的第二代产品。最初应用在燃气发动机上的电子控制技术，主要是由ECU根据各传感器信号控制步进电动机型或占空比电磁阀型供气量控制阀，自动调节供气量，并在排气系统中装用氧传感器，对空燃比实施闭环控制。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（天然气或液化石油气）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，不仅使燃气汽车的动力性、经济性均有较大提高，同时配合三元催化转化技术可使排放污染进一步降低。与汽油机单点电控喷射系统一样，单点电控燃气喷射系统在提高发动机性能方面也存在不足，闭环多点顺序喷射系统是当今燃气发动机电控技术发展的主流方向。7.1.2 燃气汽车的类型1.按所用气体燃料的种类分类 燃气汽车按所用燃料的种类不同分为:液化石油气汽车和天然气汽车。（1）液化石油气汽车以液化石油气（LPG）作为燃料，简称LPGV（Liquid Petrel Gas Vehicles）。液化石油气是一种在大气温度下，只需较小压力就能转变为液态的烃类混合物，主要成分是丙烷和丁烷。（2）天然气汽车以天然气（CNG）为燃料，简称CNGV（Compressed Natural Gas Vehicles）。按所用的天然气形态不同，天然气汽车又可分为液化天然气汽车（LNGV）、压缩天然气汽车（CNGV）和吸附天然气汽车（ANGV）。液化天然气汽车使用的燃料是在零下 162左右低温液化后的天然气，此种汽车燃料必须储存在车载绝热气瓶中。压缩天然气汽车用的天然气是经过多级加压后，压缩到20 MPa左右并储存在车载高压气瓶中的天然气。吸附天然气汽车是指利用以中压状态储存在吸附罐内的天然气作为燃料的汽车，吸附罐实际就是大容量的活性炭。目前，天然气汽车比液化石油气汽车的保有量多。 2.按燃用燃料的数量和形式分类 燃气汽车按能够燃用的燃料数量和形式可分为单燃料燃气汽车、两用燃料燃气汽车和混合燃料燃气汽车。（1）单燃料燃气汽车只使用天然气或液化石油气中的一种作为发动机燃料，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。（2）两用燃料燃气汽车一般是指具有两套燃料供给系统（其中一种用于供气），在使用中可以在两种燃料间灵活切换的汽车，但两种燃料不能同时使用。此种汽车的发动机一般都是以汽油发动机为基础经过重新设计或改装而成的，仍采用点燃式的着火方式，由于发动机需兼顾两种燃料的特性，很难保证较高的燃烧热效率和经济性。（3）混合燃料燃气汽车的发动机是在柴油发动机的基础上重新设计或改装的，使用以天然气（或液化石油气）与柴油混合燃料，采用压缩自燃的着火方式。此种汽车发动机以天然气作为主燃料，柴油作为辅助燃料起引燃作用，但也可以单独以柴油作燃料，并能在单独燃料柴油和混合燃料间灵活切换。由于柴油发动机采用压缩自燃着火方式，而燃气的自燃温度（天然气为630730）较高，考虑发动机燃用燃气时的可靠着火，在改装柴油发动机为燃气发动机时，一般有两种方式:一种是将原柴油机改装成单燃料燃气发动机，取消原发动机的柴油供给系统，降低发动机压缩比，并增加点火系统，实现点燃着火方式;另一种是将柴油机改装成柴油/燃气混合燃料发动机，柴油机压缩比不变，引燃柴油在上止点前以极高的压力喷入燃烧室，燃气空气混合气利用柴油自燃来引燃。采用后一种方式，引燃柴油自燃后形成多处火焰核心，就像利用多火花塞点燃混合气一样，而且每个火焰核心的点火能量都远大于一个火花塞的点火能量，这有利于可靠点火，也有利于混合燃料发动机在任何工况下不需要对空气进行节流控制，实现稀混合气燃料。由于点火可靠，几乎所有的气体燃料都能不同程度的用在此类发动机中，如天然气、沼气、液化石油气、低热值煤气等。但由于混合燃料发动机在怠速、小负荷时的热效率低和排放污染大、大负荷时容易爆燃，所以在推广应用方面受到一定限制。 7.1.3 燃气发动机供给系统1.燃气发动机供给系统的类型 （1）按燃气供给量的控制方式分类按燃气发动机的燃气供给量的控制方式不同，燃气供给系统可分为机械控制式燃气供给系统和电子控制式燃气供给系统两大类。电子控制式燃气供给系统由各种传感器采集并向ECU输送发动机的工况信息，ECU则根据这些信息和内存控制模型直接控制功率阀（即供气时控制阀）或燃气喷射器工作，以实现对供气量的控制。与机械控制式的燃气供给系统相比，电控燃气供给系统的控制精度高。发动机在各种工况都能获得合适的混合气浓度，若同时采用电控点火系统及增压技术，可使燃气发动机的性能得到进一步的改善。（2）按燃气供给方式分类按燃气发动机的燃气供给方式不同，燃气供给系统可分为混合器（类似化油器）供给系统和燃气喷射系统，混合器供给系统的供气量可采用机械控制方式，也可采用电子控制方式，而燃气喷射系统的供给量只能采用电子控制方式。混合器供给系统的燃气与空气采用缸外混合方式，与传统的化油器式汽油发动机类似。在供气系统的混合器中，根据发动机的工况，将燃气按一定比例与空气混合成一定浓度的燃气空气混合气，然后由进气装置供给发动机。采用机外混合方式形成混合气比较均匀，控制系统也比较简单，但安全性差。若发动机调整不良，或是在气门叠开角大的增压发动机中，可燃气体有可能进入排气系统，燃烧后的废气也有可能回窜到进气系统，存在爆炸的危险。此外，未燃气体燃料进入排气系统，也会增加排放污染。因此，对采用此种混合气形成方式的发动机，气门叠开角要小。与电控汽油喷射系统类似，电控燃气喷射系统的燃气与空气可以采用缸外混合方式，也可采用缸内混合方式。采用缸外混合方式的系统，是将燃气定时、定量地喷入各缸进气歧管中的进气门处。采用缸内混合方式的系统，与柴油发动机类似，在发动机压缩行程接近上止点时，将一定量的燃气经安装在汽缸盖上的高压燃料阀（或喷嘴）直接喷入汽缸，在汽缸内部使燃气与空气混合形成可燃混合气;采用缸内混合方式，由于气体燃料不参与压缩过程，减少了爆燃的可能性，有利于提高发动机的热效率和比功率，缺点是高压气体燃料喷射系统设计制造复杂、成本高。（3）按空燃比控制方式分类按燃气空气混合气的空燃比控制方式不同，燃气供给系统可分为开环控制系统和闭环控制系统两种类型。机械控制燃气均属开环控制系统，但开环控制系统的供气量也可采用电子控制方式。带氧传感器的闭环控制系统自然采用电子控制方式，与采用闭环控制的电控汽油喷射系统类似，ECU根据氧传感器的反馈信号修正供气量控制信号，来实现对空燃比的闭环控制。目前电控燃气供给系统一般都采用闭环控制方式。（4）按发动机的类型分类按发动机燃用燃料的数量和形式不同，燃气发动机供给系统可分为单燃料发动机供给系统、两用燃料发动机供给系统和混合燃料发动机供给系统。 2.机械控制式燃气供给系统 汽车发动机所用燃料和控制方式不同，燃料供给系统的组成、主要元件的结构和工作原理就存在很大的差别。但由于机械控制式燃气供给系统只能采用混合器供气方式，所以不论燃用的气体燃料是天然气（CNG）还是液化石油气（LPG），在各种发动机的燃料供给系统中，燃气供给系统的组成和工作原理都基本相同，其主要区别在于燃油供给系统。（1）单燃料发动机燃气供给系统在纯气体燃料发动机中，一般利用节气门根据工况要求实现对混合气量的控制。而可燃混合气一般利用火花塞点燃。如图7-1所示为单燃料液化石油气供给系统，主要由储液罐、燃料控制电磁阀、调节阀、混合器等组成。燃气以液态形式储存在储液罐中，由于储液罐内的燃气压力远高于大气压力，所以不需要燃气泵，发动机工作时，燃气控制电磁阀打开，由储液罐流出的燃气经调节器调压，计量后以气态形式输送到混合器，并在混合器内与空气混合后被吸入汽缸。 图7-1 液化石油气供给系统1混合器;2燃料控制电磁阀;3储液罐;4调节器燃料控制电磁阀有两个，一个是控制气态燃气供给管路，另一个是控制液态燃气供给管路，两个电磁阀均受点火开关和温控开关（冷却液温度控制）控制。当发动机停止工作时自动切断燃气供给，而发动机工作时，根据温度打开其中一个电磁阀，并自动实现供给气态或液态燃气的切换。发动机低温（低于15）起动时，打开气态燃气供给管路（管口设在储液罐内顶部）供给气态燃气，以改善发动机低温起动性能;发动机温度高于15时，则打开液态供给管路（管口设在储液罐内底部），供给液态燃气。调节器的功用是对输送给混合器的燃气进行减压，使液态燃气蒸发以便与空气更好地混合。由于储液罐内燃气压力随其数量多少而变化，所以调节器还需保持供给的燃气压力基本稳定，即具有稳压作用，以便于实现空燃比控制。混合器的功用类似于汽油机化油器，主要是根据发动机工况来调节空燃比，使调节输送来的气态燃气按一定比例与空气混合，并送往汽缸。（2）两用燃料发动机供气系统目前，国内燃气汽车大多采用机外混合方式的两用燃料发动机，即将汽油机改装为使用汽油/CNG或汽油/LPG两用燃料的发动机，发动机的基本结构和汽油供给系统变化不大。其燃气供给系统主要特点是:为使燃气空气混合气形成装置与汽油-空气混合气形成装置尽量协调统一，将混合器的空燃比调节功能转移到调节器上，采用结构简单的文丘里管式混合器或比例式混合器;使用燃气时，发动机的起动、怠速、加速及功率控制等功能均在减压调节器上实现，调节器除具有减压和稳压功能外，还具有燃气供给量的调节功能，但结构比较复杂。化油器式汽油机改装的汽油/CNG两用燃料发动机供给系统如图7-2所示，即在原汽油机上加装一套CNG燃气供给系统，包括高压气瓶、高压管路、滤清器、调节器、混合器等，在燃用天然气时，替代原汽油机供给系统向发动机提供天然气-空气混合气。由于燃气与汽油的性质不同，在同一工况下要求的最佳点火提前角也不同，为保证燃用汽油和燃用天然气时均能获得最佳点火提前角，所以两用燃料发动机的点火系统加装了点火时间转换器。通过燃料转换开关可在燃用汽油和CNG之间灵活切换。 图7-2 汽油/CNG两用燃料发动机供给系统示意图 1高压气瓶;2供气阀;3压力表;4燃气电磁阀;5调节器;6指示灯;7混合器;8空气滤清器;9化油器;10压力传感器;11汽油电磁阀;12汽油泵;13断电器;14点火线圈;15点火时间转换器;16燃料转换开关;17充气阀 化油器式汽油机改装的汽油/LPG两用燃料发动机供给系统如图7-3所示。燃料转换开关控制两个电磁阀实现燃用汽油与LPG的切换，LPG经过滤清器过滤后，进入调节器进行减压并蒸发成气态。所以设有专门的水管使循环水经过该系统中的调节器对其进行加热。（3）混合燃料发动机供给系统混合燃料发动机是利用柴油机改装的，可单独使用柴油，也可同时使用柴油和燃气（柴油/CNG或柴油/LPG）混合燃料。柴油/CNG混合燃料发动机供给系统如图7-4所示，该系统主要由燃料供给系统、发动机控制保护系统、天然气供给和调节系统、天然气储存系统四部分组成。燃料供给系统燃料供给系统包括混合器、供气量控制阀、柴油供给装置（与柴油机相同）。该系统的功用是根据发动机不同工况的工作需要，供给发动机一定数量和浓度的燃气 -空气混合气，并将一定量的引燃柴油以一定压力和喷射质量定时喷入汽缸。供气量控制阀由驾驶员控制。图7-3 汽油/LPG两用燃料发动机供给系统示意图1储液罐;2充液阀;3供气阀;4液位计;5燃料转换开关;6燃气滤清器;7燃气电磁阀;8汽油电磁阀;9混合器;10化油器;11发动机;12水管;13调节器;14点火开关图7-4 柴油/CNG混合燃料发动机供给系统示意图 1高压气瓶;2压力表;3低压输气管;4充气阀;5供气阀;6加热器;7高压减压阀;8报警装置;9中压管路限压阀;10燃气滤清器;11低压供气管;12供气量控制阀;13混合气;14低压减压阀;15喷油泵供油量限位器;16燃料转换开关;17发动机;18喷油泵发动机控制保护系统发动机控制保护系统包括供气量控制阀的传动装置、燃料转移装置、燃气供给闭锁装置。供气量控制阀的传动装置主要是根据发动机最高转速和空气滤清器堵塞程度，校正供气量控制阀的开度，以控制燃气供给量;燃料转换装置主要是用来实现燃用柴油和柴油 /燃气混合燃料之间的转换，并在高压气瓶压力不足时自动切换到燃用柴油;燃气供给闭锁装置主要是在发动机不工作时，切断燃气供给。天然气供给和调节系统天然气供给和调节系统包括调节器（高压减压阀和低压减压阀）、燃气滤清器和加热器。其功用是向混合器输送清洁的低压天然气，为避免因天然气减压吸收热量而造成输气管路及其他零件冻结，增设天然气加热器，以保证燃气供给系统正常供气。 天然气储存系统天然气储存系统包括高压气瓶、压力表、充气阀、供气阀等。为防止高压减压阀故障造成中压管路压力过高而使系统元件损坏、避免中压管路断裂，系统设置了中压管路限压阀。此外，为防止中压管路压力过低而影响正常供气，在中压管路中设有低压报警装置。发动机燃用柴油/CNG混合燃料工作时，打开气瓶供气阀，气瓶中的天然气经过加热器进入高压减压阀使其压力降低到1 MPa1.2 MPa，然后经中压管路报警装置、限压阀、燃气滤清器进入低压减压阀，再次减压后的天然气经供气量控制阀进入混合器，在混合器中天然气与空气进行混合，最后天然气空气混合气由进气管道进入发动机并由喷入汽缸的柴油着火引燃。引燃柴油量由高压油泵上的油量限位器来控制，发动机负荷的高低由驾驶员通过加速踏板控制天然气供给量来调节。7.2 两用燃料发动机混合器供气电控系统7.2.1 电控燃气供给系统的功能 汽油/燃气两用燃料发动机电控混合气供气系统，是在化油器式汽油机或电控燃油喷射汽油机上加装混合气供给系统和电控元件而形成的。用化油器式汽油机改装的电控燃气供给系统，一般只有空燃比控制、自诊断、安全保护的基本功能。在以电控燃油喷射汽油机为基础改装的发动机上，除原电控燃油喷射系统ECU（以下简称汽油ECU）外，还增加了燃气控制ECU（以下简称燃气ECU），为简化电子控制系统，燃气ECU和汽油ECU一般都共用传感器信号，而且发动机燃用燃气时，还利用到了汽油ECU的点火控制、怠速控制等功能。为保证汽油ECU正常工作，发动机燃用燃气时，电控燃气供给系统向汽油ECU输送模拟汽油喷射信号和模拟氧传感器信号。 1.模拟汽油喷射信号 发动机燃用燃气时，汽油ECU必须保持在正常工作状态下，才能对发动机的点火、怠速等进行正常控制;而发动机燃用燃气时，汽油ECU必须切断汽油喷射，在此种情况下，汽油ECU将判断汽油喷射系统有故障，系统处于非正常工作状态，ECU将输出非正常工作模式的控制指令。因此，为了避免发动机在燃用燃气时出现这种不正常现象，而使汽油ECU保持正常工作状态，必须在切断汽油喷射的同时，由电控燃气供给系统向汽油ECU输入模拟的汽油喷射信号。2.模拟氧传感器信号 现代电控汽油喷射系统一般都采用闭环控制，发动机燃用燃气时，相应的也采用闭环控制。汽油和燃气两个电控系统一般共用氧传感器。发动机在燃用燃气时，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，就会错误地判断氧传感器有故障并储存故障码，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，电控燃气供给系统必须向汽油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仍能够正常工作。7.2.2 混合器供气电控系统的组成1.基本组成 汽油/燃气两用燃料发动机电控混合器供气系统除与电控汽油喷射系统共用的元件外，增加的主要电控元件有:转换开关、模拟器、燃气ECU、步进电动机功率阀等。转换开关:实现燃用汽油或燃气的转换控制，同时显示高压气瓶（或储液罐）内燃气的压力。模拟器:在燃用汽油时，接通喷油器控制电路;燃用燃气时，切断喷油器控制电路，同时向汽油ECU输入模拟信号。燃气ECU:在燃用燃气时，根据氧传感器信号、节气门位置信号、转速信号等，进行分析计算，输出控制步进电动机动作的信号，并向汽油ECU输入模拟的氧传感器信号。步进电动机功率阀:执行燃气ECU的指令，以控制燃气的供给量，保证混合气的空燃比在理想值附近。2.主要元件位置 燃气汽车电控燃气供给系统的差异主要在于燃气供给系统专用元件的安装位置上。一般燃气供给系统中的调节器、混合器、步进电动机功率阀等均安装在发动机室内，燃料转换开关安装在驾驶室内仪表盘附近，而不同车型的差异主要在于高压气瓶（或储液罐）数量和安装位置的不同，另外，加气口、手动供气阀、电磁阀等元件安装位置也有所不同。如图7-5所示为上海通用公司开发的汽油/CNG两用燃料别克轿车电控燃气供给系统主要元件的安装位置。高压气瓶安装在后行李箱内，高压输气管从整车左侧底部延伸到发动机室内，调节器、混合器均安装在发动机室内，汽油/CNG转换开关安装在仪表盘左手侧，加气口设在发动机室内前部。高压气瓶用钢带固定在固定架上，在发生撞车时，储气瓶及管口阀件可随固定架一起移动，从而降低了输气管破裂的危险性。由于采用了空燃比闭环控制系统，其排放指标能达到美国加州的低排放车辆法规要求。图7-5 上海别克轿车电控燃气供给系统主要元件安装位置示意图 1高压气瓶;2气瓶手动供气阀;3安全阀;4高压输气管;5燃料转换开关;6手动供气阀;7高压燃气电磁阀;8低压燃气供气阀;9燃气ECU;10加气口;11空气滤清器;12调节器;13空气流量计;14混合器;15冷却液管7.2.3 混合器供气电控系统工作原理1.开环控制系统 早期用电控汽油喷射发动机改装的两用燃料发动机，其燃气供给系统采用的是开环控制方式，该系统与由化油器发动机改装的机械控制式燃气供给系统基本相同，主要区别是增加了模拟器电子元件，没有燃气ECU;空燃比控制装置是混合器，而且只能通过混合器和手动动力调节阀来调节各种工况下的混合气空燃比。电控汽油喷射发动机改装的汽油/CNG两用燃料发动机开环控制供气系统的组合如图7-6所示。图7-6 汽油/CNG两用燃料发动机开环控制供气系统的组合示意图充气阀;供气阀;高压气瓶;2高压输气管;3外套管;4混合器;5供气三通接头;6进气总管;7喷油器;8减压调节器;9燃气电磁阀;10进气管接头;11出气管接头;12压力表;13散热器;14冷却液管接头;15恒温器;16空气流量计;17空气测量叶片强制开启器;18蓄电池;19点火开关;20高压线圈;21熔断器;22燃料转换开关;23模拟器;24喷油器线束插接器;25点火提前调节器电控汽油喷射发动机改装的汽油/CNG两用燃料发动机开环控制供气系统工作原理 如图7-7所示。在进气管前，该系统的燃气供给和汽油供给两个燃料供给系统是并列的。在发动机工作时，由油气转换开关控制燃气电磁阀和电动燃油泵，同一时刻，只允许发动机燃用汽油或燃气一种燃料。 图7-7 汽油/CNG两用燃料发动机开环控制供气系统工作原理图 在使用中加气时，通过充气阀将天然气充入高压气瓶。发动机燃用天然气时，将燃料转换开关转到“气”位置，此时燃气电磁阀开启、电动燃油泵停止工作，天然气经减压调节器减压后，再经动力调节阀进入混合器，并与来自空气滤清器的清洁空气混合后供给汽缸。此外，在油气转换开关上设有一根模拟器控制线，以便在燃用天然气时，使模拟器对喷油器进行关闭控制，并产生喷油器工作正常的模拟信号输送给汽油ECU。由于电控燃油喷射系统装用的是叶片式空气流量计，在发动机怠速工况时，测量叶片如处于关闭状态，将会影响燃气混合器正常工作，因此，在减压调节器上引出一根低压输气管，使燃气压力作用到汽缸活塞式空气测量叶片强制开启器上，强制推开测量叶片，保证燃气时怠速工况正常工作。2.闭环控制系统 在开环控制系统中，燃气空燃比只能由改装或维护调试时调定的燃气动力阀开度大小和混合器的供气特性配合确定，调试出的空燃比是一个固定值，不可能保证在各种工况下都能获得最佳的空燃比。在减压调节器和混合器之间安装由ECU控制的功率阀，并加装氧传感器实现空燃比闭环控制，则可使发动机在各种工况下都能获得最佳的空燃比。电控汽油喷射发动机改装的汽油/CNG两用燃料发动机闭环控制供气系统的组成（如图7-8所示），与开环控制系统相比，主要区别是:在燃气供给系统中增加了燃气ECU，并采用原车氧传感器实现空燃比闭环控制，同时增加了由燃气ECU控制的占空比电磁阀型功率阀，而取消了人工调节的动力调节阀。闭环控制系统工作原理如图7-9所示，与开环控制系统的区别主要是:燃料转换开关只设“油”、“气”两个挡，由燃气ECU根据发动机工况等自动控制燃料停供和转换;同时由燃气ECU、氧传感器、电控调节阀共同实现空燃比闭环控制。图7-8 汽油/CNG两用燃料发动机闭环控制供气系统的组成示意图充气阀;供气阀;高压气瓶;2高压输气管;3外套管;4混合器;5供气三通接头;6进气总管;7喷油器;8真空管;9真空稳定器;10电控调节器;11减压阀;12燃气电磁阀;13进气管接头;14出气管接头;15压力表;16散热器;17冷却液管接头;18恒温器;19空气测量叶片强制开启器;20空气流量计;21蓄电池;22点火开关;23高压线圈;24熔断器;25燃料转换开关;26燃气ECU;27氧传感器;28氧传感器加热器电源线;29氧传感器信号线;30模拟器;31喷油器线束插接器;32点火提前调节器图7-9 汽油/CNG两用燃料发动机闭环控制系统原理图如图7-10所示为四川西恩基公司生产的汽油/CNG两用燃料发动机CYTZ-100型闭环控制CNG供给系统，其电控燃气供给系统的组成和工作原理与前述闭环控制系统基本相同。该系统的主要特点是:利用化油器式汽油发动机改装，仅供气系统采用闭环控制，而燃油供给系统仍为传统化油器式;此外，发动机燃用CNG时，用于执行燃