一、潍柴天然气发动机结构及工作原理(修订)ppt课件

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 Compressednaturalgas压缩天然气 气瓶内充满气时一般为20Mpa 2 LNG Liquefiednaturalgas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 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 WOODWARDOH1 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 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 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 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 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 3 m 0 6 m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 16UNF 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 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WP7NG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 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 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 ECM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ECU128 HD微处理器 可以支持单点或多点喷射 支持CAN通讯 ECU有两个5V电源输出 给传感器供电 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 有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 ECU采用RS485用于Toolkit软件连接 故障检查和标定 燃气发动机结构原理 ECU 潍柴燃气发动机脚踏板采用非接触式传感器 输出电压信号 0 5V ECU根据脚踏板的信号来控制电子节气门的开度 电子脚踏板有一电位计 FPP 和怠速确认开关 IVS IVS一端接地 另一端接ECU 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ECU 燃气发动机结构原理 电子脚踏板 电子脚踏板 线束端 脚踏板接头 针脚对关针脚对应关系及定义 33C J1A24 1脚踏板地线51 J1A8 2脚踏板信号线34C J1A11 35V电源52 J1B7 5怠速确认信号系33d J1A24 4怠速地线34C J1A11 351 J1A8 233C J1A24 133d J1A24 452 J1B7 5 线束端 脚踏板接头 燃气发动机结构原理 线束 WOODWARDOH2 0系统有三条线束 ECU线束 发动机线束和点火线束 ECU线束要是连接ECU与发动机线束 并有诊断接口 CAN接口等功能性接口 发动机线束是连接各个传感器与ECU线束 将传感器测得信号传递给ECU 并将ECU发出的指令传递于各个执行器 点火线束是将ICM的点火信号传递给点火线圈 以控制点火正时 安装要求 潍柴发动机线束包括ECU线束 点火线束 发动机线束 发动机线束及点火线束由潍柴出厂前安装在发动机上 整车厂负责将其与ECU线束对应接插件相互连接 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 燃气发动机结构原理 节气门 发动机排气能量 排气能量损失 增压后空气 增压器废气阀 燃气发动机基础知识 增压压力示意图 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 燃气发动机结构原理 废气旁通阀 弹簧力方向 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 燃气发动机结构原理 废气旁通阀 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温度注意事项 可以和PTP传感器互换 但线束不能插错 燃气发动机结构原理 TMAP传感器 安装在电子节气门之前 用于测量混合器后节气门前进气接管中混合气的压力 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 燃气发动机结构原理 PTP传感器 作用 稀薄燃烧闭环控制传感器 通过测量排气成分中氧分子浓度 把此信号传给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 从修正空燃比 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 燃气发动机结构原理 氧传感器 作用 通过测量进气压力 温度 湿度 并根据所测得的湿度 压力来修正空燃比来补偿环境所造成的影响 使发动机运行在最佳状态 工作温度 40 到105 测量范围0到100 RH 安装要求 该传感器要求安装在空气滤清器和增压器之间的空气管路上 尽量远离呼吸器和空压机进气口 为保证其测量值正确 安装时使其平行于气流方向 并且温度 压力探头必须置于气流中 燃气发动机结构原理 湿度传感器 Trigger触发信号 Reset复位信号 V V V IMON PCM128 HD EDM HD 燃气发动机基础知识 点火系统 作用 发动机控制模块 ECM 通过发动机转速来控制其他参数 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 燃气发动机结构原理 信号发生器 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