潍柴天然气发动机燃气电控系统

潍柴天然气发动机培训 第2页共页 目录 一 企业及产品概况二 天然气发动机结构及工作原理三 天然气发动机使用维护保养四 天然气发动机故障诊断软件安装及使用五 天然气发动机常见故障排除 第一部分 企业及产品概况 第4页共页 一 企业概况 产权结构 潍柴控股集团有限公司 潍坊潍柴道依茨公司 潍柴进出口公司 山东巨力股份公司000880SZ 潍柴动力股份有限公司2338HK000338SZ 陕西法士特 陕西重汽 株洲火花塞 株洲齿轮 东风越野车 富通空调 潍柴西港新能源 主营业务 动力总成 整车 零部件 重潍柴中速机业务 重潍柴高速机业务 上海和达 40 第5页共页 一 企业概况 公司简介 公司是潍柴动力控股的新能源发动机制造企业 成立于1999年 现厂房建筑面积2万余平方米 年生产能力2万台 满负荷生产 年销售收入可达20亿元 建有先进的产品开发试验装备 公司成功开发了WP5NG WP6NG WP7NG WP10NG WP12NG等车用气体发动机产品 功率覆盖120 280千瓦 达到国 国 国 排放标准 广泛应用于城市公交 公路客车 重型卡车等各个领域 并出口到多个国家和地区 第6页共页 潍柴新能源发动机公司产品试验室占地6000多平方米 有12个气体机专用整机试验台 其中包括瞬态交流电力测功系统1套 全流排放设备1套 燃烧分析仪1套 发电机组试验台1个 自动化性能试验台10个 天然气压缩子站一座 具有国 国 国 气体发动机燃烧开发及性能标定的能力 试验装备达到世界一流水平 企业概况 试验室 第7页共页 产品介绍 参数说明 NG 天然气的总称包括CNG 压缩天然气 和LNG 液化天然气 E30 表示达到国 排放标准 第二部分 天然气发动机结构及工作原理 天然气发动机结构特点 潍柴天然气发动机是在相应型号潍柴柴油机基础上改制 增加燃气电控系统而成 目前潍柴LNG发动机采用美国WOODWOOD2 0燃气电控系统 1 取消了柴油机的燃油系统 高压油泵 喷油器 高压油管等件 增加了燃气供给系统 气瓶 高压切断阀 减压器 燃气热交换器和节温器 喷射阀等件 2 采用点燃式燃烧方式 气缸盖上的喷油器安装孔改为火花塞安装孔 增加了点火控制系统 点火控制器 点火线圈 高压线 火花塞 3 压缩比比柴油机的小 燃烧室形式 活塞 与柴油机不同 4 增加了信号发生器 用于判缸和测量发动机转速 5 增加了混合器和节气门 使燃气和空气在混合器中充分混合 6 排气温度高 增压器采用水冷中间壳 进 排气门座采用耐磨 耐高温材料 采用带隔热材料的排气管 7 WOODWARD系统单点喷射 稀薄燃烧 第10页共页 燃气机专用气门座圈及气门1 耐高温 2 耐腐蚀 3 自润滑性能好4 气门阀座和气门寿命与柴油机相同 密封带堆焊 专用气门座圈和气门 第11页共页 采用加大内冷振荡油道活塞1 可以多带走30 的热量 内冷油道 内冷油道喷油入口 内冷油道喷油出口 内冷油道连杆小头喷油口 专用活塞 第12页共页 隔热材料排气管1 可以降低排气管温度30 50 隔热材料排气管 外包隔热材料排气管 第13页共页 潍柴燃气电控系统WOODWARDOH2 0系统结构示意图 三 工作原理 液化天然气从储气瓶流出 经过水浴式汽化器加热后汽化 经过滤清器过滤杂质后 到达高压切断阀 高压切断阀的开合由ECU控制 减压器的作用是进一步调整汽化后的天然气压力 调整至7bar 8bar 经调压后的天然气进入热交换器 热交换器通给天然气加热 以控制燃气温度 然后经过节温器流入燃料计量阀 燃料计量阀的作用是根据发动机运行工况精确控制天然气喷射量 天然气与空气在混合器内充分混合 进入发动机缸内 经火花塞点燃进行燃烧 火花塞的点火时刻由ECU控制 氧传感器即时监控燃烧后的尾气的氧浓度 推算出空燃比 ECU根据氧传感器的反馈信号及时修正天然气喷射量 工作原理 燃气供给系统 燃气供给系统图 气瓶 切断阀 FMV燃料计量阀 混合器 滤清器 低压滤清器 选装 稳压器 热交换器 节温器 燃气供给系统的作用 压力管理 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17页共页 滤清器 第18页共页 电磁阀 第19页共页 稳压器 稳压器 热交换器的作用 天然气从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 热交换器 第21页共页 低温启动性能好 最低启动温度 零下30度1 WOODWARD系统采用独特的板式换热器 对燃气进行二次换热 保证混合气可靠燃烧 2 ECU根据水温 空气温度对燃料喷射和点火提前角进行补偿 保证低温启动性能 WOODWARD系统独特的板式换热器 ECU控制低温启动 热交换器 低温启动性能好 三 节温器 作用 保持出口燃气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 燃气的进口与出口不能接反 进口处有 IN 标记 出口处有 OUT 标记 节温器 燃料计量阀 作用 根据发动机运行中的各温度 压力 转速信号来决定供给混合器的天燃气量的多少 由ECU来控制 结构特点 脉宽调制 PWM 喷射阀 每个喷嘴都单独控制 即一个驱动对应一个喷嘴 节气门体上游喷射 喷射阀与各缸时序对应 瞬态除外 一体式燃气压力传感器 NGP 一体式燃气温度传感器 NGT OH2最多可以支持12个喷嘴在喷射阀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 燃料计量阀 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 混合器 空气控制系统 OH2空气控制系统图 OH1 2 OH1 2 Engine Engine Controller Controller Engine 发动机 排气管 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 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 线传电控系统 电子脚踏板和节气门间不使用机械部件连接 电子脚踏板踩下 ECU接受油门位置信号并计算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对稀燃而言 信号的传递非常关键 电子脚踏板 电子脚踏板必须有一电位计和怠速确认开关 IVS 当脚踏板踩下 怠速确认必须是关闭的 电子脚踏板有特殊的标定 ECU在每一次开电循环后会自动重新标定脚踏板 IVS一端接地 另一端接ECM 当油门脚踏板没有踩下去的时候 IVS开关是开着的 当油门脚踏板下踩到某个点时 IVS将关闭并发出一个信号通知ECM IVS和电位计两者保持一致 电性方面 电子脚踏板 1 针脚定义 WILLIAMS1WHTAPSGND2BLKAPSSIGNAL3REDAPS5VSUPPLY4ORNIVSCOMMON5GRNIVSN C 6BLUNOTUSED2 接线方式 在连接Williams脚踏板至线束时请按照下表的连接方式正确连接 脚踏板接插件针脚脚踏板线束颜色对应原图纸针脚1WHITE白色J1A242BLACK黑色J1A83RED红色J1A114ORANGE橙色J1A245GREEN绿色J1B76BLUE蓝色NOTUSED ECU电控单元 作用 ECU是一个微缩了的计算机管理中心 它以信号 数据 采集作为输入 经过计算处理 分析判断 决定对策 然后以发出控制指令 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 其全部功能是通过各种硬件和软件来完成的 WOODWARD2 0系统采用PCM128 HD微处理器 结构 1 最大有34模拟量输入 5个数字量输入 5PWM输入等 2 最大支持12个喷嘴驱动 1个驱动单独对应一个喷嘴 3 11个低端输出 4 2CAN通讯口 5 1RS 485通讯口 电源 两个从ECU到传感器的5Volt电源输出 传感器由ECU内部电源供电 两电源相互独立 如果5v电源短路 电压下降并会导致许多系统错误 接地 有一专门应用于连接传感器和ECU的接地 以保证传感器的精确读数 通信 ECU采用RS485用于Toolkit软件连接 故障检查和标定 电子节气门 电子节气门集成有执行器 位置传感器 节气阀门等 接收PWM信号由ECU控制其开度大小 节气阀门开度大小控制混合气进气量 从而改变发动机的输出功率 电子节气门根据ECU指令 有三种工作状态 1 当发动机速度低于怠速目标值时 ECU进行怠速控制 即控制节气门开度位置 保持发动机速度在怠速目标值附近 2 当发动机速度超过最大额定转速时 ECU限制节气门开度位置 即速度越高节气门开度位置越小 3 当发动机速度在怠速和最大额定转速之间时 节气门开度位置直接由脚踏板控制 即节气门开度位置随脚踏板位置同步变化 结构特点 电子节气门内部包含节气门开度位置传感器 ECU通过比较节气门位置传感器反馈信号和节气门开度指令信号之间的差值来确定电子节气门是否处于正常的工作状态 一旦电子节气门发生故障 ECU将进入特定的跛行回家模式 在该模式中燃气流量大量减少 发动机以极低转速运行 当发生其他某些故障时 ECU也进入跛行回家模式 进气压力控制示意图 发动机排气能量 排气能量损失 增压后空气 增压器废气阀 进气压力控制原理 天然气发动机的工作特点之一为功率 进气 天然气发动机的性能取决于增压压力的控制 在发动机软件设计中 针对发动机的每一工况 均设有明确的增压压力值 该值是通过不断的试验优化所得 压力控制是通过PID参数 调整废气控制阀的占空比 DC 使实际增压压力MAP 设定增压压力 第34页共页 冷却水接口 采用加大流量水冷增压器1 水流量加大 2 通过冷却水冷却机油降低增压器温度 水冷增压器 废气旁通控制阀 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On off电磁阀开启频率为30Hz或50Hz注意事项 如果通至阀门的空气被污染 阀门的隔网可能堵塞连接管路长度不可更改 否则增压控制可能不稳消声器仅用做隔音如果空气连接断开 发动机功率过大可能会损坏发动机 或者产生故障码 该故障码通过限制节气门来保护发动机和降低功率 如果电气连接断开 则发动机功率下降 弹簧力方向 废气旁通控制阀 废气控制阀PWM信号 DC 0时 电磁阀关闭 压缩空气全部用来推动增压器废气阀 使其完全打开 从而推动增压器工作的排气能量减少 最终降低增压力 DC 100 电磁阀处压缩空气泄漏量最大 增压器废气阀在弹簧力左右下趋向关闭 从而使增压器工作的排气能量增多 增压压力升高 增压控制逻辑为 MAP设定增压压力 DC 减少 TMAP传感器 安装在电子节气门之后 集成压力温度的传感器用途燃料喷射计算增压控制压力传感器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测量进气歧管压力注意事项 可以和PTP传感器互换 但线束不能插错 PTP传感器 安装在电子节气门之前仅用来测量压力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 VE 提供基准OH2 x系统中 有许多错误代码的判断需要PTP参数作为参考 如 SFC331 371 372 373 491 注意事项 可以和TMAP传感器互换 但线束不能插错 氧传感器 作用 实现稀薄燃烧闭环空燃比控制的关键传感器 它把排气含氧浓度信号传给ECU ECU判断混合气的实际空燃比相对于设定值是稀还是浓 并相应控制喷气量的增减 从而使空燃比保持为设定值 安装位置要求 1 安装在离增压器出口或排气弯管下游3 5倍排气管直径的地方 2 氧传感器不能安装在排气管弯管处 3 如果车辆安装有排气制动装置 氧传感器必须安装在此装置的后方4 满足上述前提下 氧传感器尽量靠近增压器 5 氧传感器线束及接插件应尽量远离排气管 不能有被烧结的可能 6 氧传感器的安装座面不能太高 焊接在排气管上的氧传感器螺座高度要小于10mm 以保证氧传感器头部能完全伸入排气管 性能 闭环温度控制 保持传感器在750C 湿度传感器 测量相对湿度 RH 及提供RH与模拟输出电压的线性关系表电容式传感器具有更长的稳定性测量大气温度 RHT OH2 0根据下列参数计算比湿度 SH RHRHTBARO传感器安装安装在进气系统 空滤器与增压器压气机之间湿度对功率的修正是通过对PHI加浓来补偿的 使用湿度补偿时 软件中的相关数据需要准确标定 点火系统 点火系统示意图 Trigger触发信号 Reset复位信号 V V V IMON PCM128 HD EDM HD 转速传感器 凸轮轴信号传感器 作用 发动机控制模块 ECM 需利用发动机转速来控制众多参数 包括 进气量 燃料量 点火提前角等 这些参数的控制要求发动机控制模块 ECM 精确地知道发动机的凸轮轴位置 如应知道哪一缸发火 和发动机转速 安装 转速传感器和信号轮之间的间隙应足够的小 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 盘车至一缸压缩上止点 传感器齿盘上的TDC标志对准CAM传感器的中心 使齿盘上的刻线竖直 齿盘的信号齿与传感器之间的间隙为1 0 5mm 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 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 调整 准确的点火提前角度需用点火正时灯测量 ECU电控单元 点火控制 ECU点火控制 电控单元对点火时刻控制为开环控制 无反馈点火提前角从程序中查表 此表坐标为RPM MAP水温 ECT 对查表所得数值有一定补偿 点火模块ICM 点火模块 电子分配器 仅仅是个驱动模块 它从电控单元收到指令 何时给点火线圈提供dwell电流及何时点火点火模块也提供电控单元IMON的反馈信号IMON 点火监控 其反馈给电控单元 线圈状态每次点火 每个线圈维持6 5A电流所需要的Dwell调整量 点火产生的过程当触发信号上升沿传递给电控单元时 点火模块打开点火驱动以选作对应点火线圈 初级电流上升 一直达到6 5A 初级电流将保持电流在6 5A 直到触发信号下降沿出现 当触发信号下降时 点火模块关闭初级线圈电路的电流 从而产生火花点火 重置脉冲信号触发时 电控单元指示点火模块选择第一缸工作 点火线圈 感应式点火线圈在初级线圈使用线圈匝数储存电流 次级线圈部分含有更多的线圈匝数 从而产生变压器功能 电压升高 V 初级线圈 次级线圈 高压线 潍柴气体机高压线寿命长 燃气混合均匀压缩比高阻抗小绝缘性能好 火花塞 作用 产生电火花 点燃混合气 火花塞的安装扭矩 25 40N m 火花塞间隙 0 35 0 05mm 严格用塞规调整 调整方法 如果间隙偏大 先把塞尺塞进间隙 用小扳手轻轻敲击侧电极拐角部位 如果间隙偏小 先用小虎钳把间隙慢慢调大 然后塞入塞尺 再用小扳手轻轻敲击侧电极 注意 要保证侧电极和中心电极面平行 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 水温传感器 水温传感器的主要作用是在水温较低时用来修正怠速转速 点火提前角 最大增压压力限值及混合气浓度 安装位置 发动机出水管 发动机工作模式 开环 一 开环 ECU根据混合气进气量和空燃比目标值计算天燃气的流量 并根据发动机转速和喷嘴数量将天燃气流量换算成喷嘴每次喷气量 速度密度法MAP MAT ECT PTP RPM 开环状态下 UEGO信息忽略发动机每次启动时进入开环模式每次启动后最初10秒设置在闭环模式禁用时产生的系统故障码开环时有特殊加浓和降增压功能特殊的开环模式仅在瞬态时暂时启用如果CL OL表要求 发动机工作模式 闭环 闭环 根据空燃比目标值和实际值 修正后的测量值 之间的差值 ECU计算空燃比闭环修正系数CL 然后对开环燃气喷气量进行修正 调整喷嘴脉冲宽度 使空燃比保持在目标值附近 发动机闭环工作时利用氧传感器反馈信息 在下列情况下闭环控制无效 CL 0 某些系统故障禁止闭环控制 如氧传感器故障 传感器预热 发动机起动过程 瞬态变工况 加速 减速 禁止闭环控制的工况区 ECU内存中存有闭环控制表 纵坐标为发动机转速 横坐标为进气歧管压力 在某些工况下禁止闭环控制 发动机工作模式 自适应 ECU内存中存有自适应校正系数 AL 表 AL的作用在于对较长时间内的空燃比偏差作出修正 AL值起作用时 发动机进入自适应工作模式 自适应工作原理 相当于记忆保存的闭环 自适应表每个数值为MAP和RPM的函数自适应表存储ECU内存中系统中很多故障码可导致自适应功能禁用 第53页共页 燃气气路流向示意图 第54页共页 水路连接示意图 第三部分 日常使用及维护保养 日常操作 1 起动前检查防冻液 机油 燃气管路是否有漏气 燃料是否充足 电瓶电压是否足够等情况 2 起动发动机时先打开钥匙开关等2 3秒后 方可起动 起动时不必踏脚踏板 3 行驶过程中缓踩油门 过积水路面时 应减速慢行 防止水溅到电器元件上 发现发动机故障时 应停车检查 防止故障扩大化 故障灯亮时 若发动机机械部分无异常时 可继续行驶 到合适区域报修 4 车辆运行后 发动机温度很高 此时 不要立即停熄发动机 需怠速运转3 5分钟 待各部分正常冷却后 再停熄发动机 维护保养 一 进气系统 1 保持空滤器的良好性能 特别是矿区 建议使用油浴式空滤器或沙漠空滤器 绝不允许不带空气滤清器情况下开动发动机 进气空气必须滤清以防止灰尘 垃圾进入发动机造成发动机早期磨损2 检查进气管 是否老化有裂缝或穿孔 夹箍是否松动 如有发现应予以拧紧或更换 确保进气管 出水管密封性 防止泄露 二 燃气系统1 LNG滤清器 每3000公里左右松开底部螺帽放水 每12000公里左右检查或更换滤芯 2 燃料计量阀 应保持喷射阀各喷嘴清洁 喷射阀的清洗或更换周期与所使用的天然气质量 车辆运行的环境等都有很大关系 卡车清洗时间应在每使用6万公里左右 矿用车应在3万公里时清洗3 混合器喉管 保持混合器喉管各气孔及十字叉气孔畅通 卡车每6万公里 矿用车每3万公里左右时检查清洗 维护保养 三 电控系统 1 经常检查电器系统各部件连接 固定部分是否连接可靠 牢固 2 火花塞 每3万公里左右检查或调整火花塞间隙 检查时注意保持火花塞的清洁度 3 高压线 每3万公里左右时 1 目视检查高压线是否有腐蚀生锈 断裂痕迹 磨损裸露或烧灼现象 用万用表检查高压线是否通断 若有则更换 2 用压缩空气将高压线表面及接头端内外面的灰尘吹净 注意 拆高压线时 要抓高压线底部 不要拉动线路 防止拆坏 4 注意事项 1 严禁带电拔插电器元件 以免烧坏电控系统元件 2 保持电控系统清洁 干燥 严禁用水冲洗发动机 如果意外进水 切记马上断开电源总开关 通知维修人员 不要自行运行发动机 3 进行电焊作业时 切记关掉总电源 同时拔下ECU上接插件 以免烧坏ECU等电控元件四 使用专用机油 并定期更换机油和机滤 第59页共页 WOODWARDOH2 0系统培训 第四部分 诊断软件安装与使用 第60页共页 安装前 确认电脑已安装Windows补丁 NetFramework2 0以上的版本 否则无法安装 软件安装 第61页共页 使用485接头 使得ECU与笔记本电脑进行通讯 安装485接头驱动时 将驱动光盘放入驱动器中按提示安装 安装完成后 从设备管理器查到端口 右键点击我电脑 属性 硬件 设备管理器 端口 ProlificUSB to SerialBridge COM6 通讯接头安装 第62页共页 点击Connect 选择对应的COM 如果通讯正常 会跳出用户名和密码对话框 输入即可 若未弹出对话框 则通讯不正常 检查电源等及接线是否正常 用户名选择 Calibration密码 WCBIAODING3 连接ECU 第63页共页 软件界面 软件主界面 中文 诊断软件中常用参数含义 BATTERY 电瓶电压 SPARKADV 点火提前角 与发动机水温有关 显示值为ECU数据设定值 实际值需用点火正时灯测量 PW 喷射阀的喷射时间 即喷射脉宽 单位 MS CL MULT 闭环修正系数 AL MULT 自适应修正系数 SPARK INJ点火 喷嘴测试INJECTORCLEAN喷嘴清洗THROTTLETEST节气门测试WASTGATETEST废气旁通阀测试 RPM或SPEED 发动机转速MAP 发动机进气压力MAT 发动机进气温度 靠近进气门处 ACT 发动机进气温度 进气歧管处 NGP 天然气压力 调压器后 NGT 天然气温度 调压器后 ECT 发动机水温Phi 目标浓度U Phi 实际浓度TPS C 节气门命令值TPS Feedback 节气门反馈值FPP 油门脚踏板 第65页共页 点击File 选择LoadApplication 弹出选择文件对话框 选择对应的SCP文件 然后点Nex