玉柴天然气发动机培训讲义(XXXX0317)

1玉柴机器股份有限公司YuchaiMachineryCo.Ltd.玉柴工程研究院新能源动力工程部2011.03.17玉柴气体发动机(ECI系统)培训2内容1.气体发动机技术概述2.玉柴气体机系统组成原理3.典型零部件结构原理4.常见故障处理3技术概述-气体发动机技术分类从点燃方式分：火花塞点燃方式压燃方式燃料供给方式的分类机械混合式电控混合式电控喷射或电控调压从混合气浓度来分类当量燃烧稀薄燃烧从燃料特性分单燃料式（LNG，CNG，LPG）双燃料式（CNG＋柴油，CNG＋汽油）4技术概述-燃料供给方式的比较机械混合进气：由减压器和混合器控制燃料供给量优点：系统简单，成本低缺点：混合气浓度控制精度差，易出现回火，放炮故障，一般应用在自然吸气发动机上电控混合进气：在机械混合进气基础上，增加步进电机阀等燃料控制执行器，并采用氧传感器，使燃料控制精度得到提高优点：发动机稳态燃料控制精度得到提高缺点：瞬态燃料精度控制差燃料喷射或电控调压：利用燃料喷嘴或电控调压器对燃料进行精确控制优点：混合气控制精度高，瞬态响应快，各种工况适应性好缺点：控制系统较复杂5技术概述-不同混合气浓度的燃烧比较当量燃烧：系统特点：λ=1，开关型氧传感器闭环控制，三元催化转化器优点：系统相对简单缺点：燃料经济性差，排温高稀薄燃烧：系统特点：λ＞1的稀薄燃烧，宽域氧传感器闭环控制，氧化型催化转化器优点：燃料经济性较好，排放好，排温低，可靠性好缺点：系统相对复杂，成本高6技术概述-柴油机与汽油机改装的比较柴油机改装取消原柴油机的燃油喷射系统相关的零部件，增加燃气供给系统；增加点火系统优点：发动机强度高，因之可沿用高压缩比＋涡轮增压＋中冷＝高功率＋低气耗＋高可靠性＋低排放缺点：整机成本较高汽油机改装取消原汽油机的燃油喷射系统相关的零部件，增加燃气供给系统优点：成本低缺点：发动机强度低，因之功率低＋气耗高＋排放困难技术概述-气体发动机与柴油机的差别说明:LPG主要含丙烷和丁烷，CNG主要含甲烷1、燃料供给系统取消了原柴油机燃油喷射系统相关的零部件，增加了燃料电磁阀、电控调压器、混合器、滤清器等燃料供给相关零部件组合。2、点火系统柴油机是压燃式发动机，而气体发动机由于受燃料特性限制（抗爆振性能），采用的是与汽油机一样的点燃方式。3、控制系统ECIEPR系统气体发动机是一种电控发动机，对空燃比、点火提前角和增压压力等实现了精确控制。技术概述-气体发动机与柴油机的差别4、压缩比根据这种燃料特性，一般天然气发动机压缩比高于LPG发动机，但比柴油机低。压缩比的选取与燃料的抗爆震性能相关，抗爆震性能是用燃料的辛烷值来衡量，辛烷值越高抗爆震性能越好，常用的几种燃料按抗爆震性能由高到低排序依次为：柴油、天然气（甲烷）、丙烷、丁烷（LPG是丙烷和丁烷的混合物）和汽油。5、空燃比控制气体发动机通过安装在发动机排气管上的氧传感器测量排气中的氧浓度，计算出混合气空燃比。发动机控制系统修正气体燃料供给量，实现全工况闭环控制，精确控制空燃比，使天然气在缸内燃烧最优化。6、增压控制增压中冷能大大提高发动机的动力性能。ECIEPR系统气体发动机对增压压力进行了控制，保证发动机具有理想的扭矩曲线及良好的瞬态响应性能。9技术概述-玉柴的电控燃气系统选型针对各种电控系统的技术特点，成熟程度及对燃烧方式和燃料的适应性能，玉柴选用了以电控调压器为燃料控制方案的电控系统。这种电控系统的优点为：比单点喷射系统有更好的燃料控制响应性能燃料混合均匀，使燃烧更充分能实现更高的排放水平比多点喷射系统有更好的各缸均匀性，适合于增压中冷稀薄燃烧发动机，能实现更稀薄的燃烧相比喷射系统电控调压器系统成本更低可同时适应于LPG、CNG及LNG发动机10技术概述-玉柴的气体发动机技术路线增压中冷稀薄燃烧电控调压器燃料控制或电控喷射燃料控制稀燃氧传感器闭环控制单缸独立高能点火高响应性能的电控增压压力控制电子节气门+电子油门踏板适应气体成分变化的爆震控制大气环境传感器对大气压力、温度及湿度进行修正自适应修正+故障诊断11技术概述-玉柴的气体发动机开发技术高排放标准技术路线选择；高性价比电控燃气系统的选型集成；适合点燃式发动机本体的改进设计；高效的燃烧系统匹配设计；低速大扭矩增压器的优化匹配；高转化效率催化转化器的优化匹配；发动机台架整机性能电控标定；发动机整车性能电控标定。解决窜机油及气门座圈磨损等机械开发；12技术概述-玉柴的气体发动机排放技术路线048121620242811.11.21.31.41.51.61.71.81.92λNOx-g/kwh01234567CO0.1HC0.4氧化催化转换装置CatalystNOxHCCOHC,CO-g/kwh13排放标准实施日期CO一氧化碳g/kwhHC碳氢化合物g/kwhNOx氮氧化合物g/kwhPT微粒g/kwh≤0.36＞85kW≤0.61≤85kW欧Ⅰ2001.9.1≤4.5≤1.1≤8.0欧Ⅱ2003.9.1≤4.0≤1.1≤7.0≤0.15≤0.15*欧Ⅲ2008.1.1≤5.45NMHC≤0.78CH4≤1.6≤5.0欧Ⅳ≤4.0NMHC≤0.55CH4≤1.1≤3.5欧Ⅴ≤4.0NMHC≤0.55CH4≤1.1≤2.0*每缸排气量≤0.7升，且额定转速≥3000r/min，欧Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ为ETC循环法技术概述-排放法规的限值(CNG)14技术概述-天然气发动机排放指标序号发动机型号使用燃料ETC循环排放指标(g/Kw.h）CONMHCCH4NOx1YC6G230N-30CNG0.040.011.172.992YC6G260N-300.050.011.184.213YC6G230N-400.020.0010.952.184YC6G260N-400.030.0031.032.3015内容1.气体发动机技术概述2.玉柴气体机系统组成原理3.典型零部件结构原理4.常见故障处理162011.03.17玉柴气体机原理-CNG发动机系统原理17发动机传感器执行器控制器ECU（含微机与控制策略）监测发动机工况将信息传至控制器接收并分析输入信息决定如何调整发动机发出指令至执行器接收控制器指令按指令改变喷油1.2发动机电控系统的概念图玉柴气体机原理-CNG发动机系统原理18输出控制凸轮轴位置传感器节气门前进气压力传感器节气门后进气压力传感器(MAP\MAT)大气环境传感器氧传感器水温传感器天然气温度传感器电子油门踏板点火线圈电子节气门传感器输入电控调压器废气旁通控制阀燃料切断阀玉柴气体机原理-CNG发动机系统原理19从CNG发动机工作原理图可看出，该发动机基本原理为：高压的压缩天然气从储气钢瓶出来，经过天然气滤清器过滤后，经高压电磁阀进入高压减压器，高压电磁阀的开合由ECM控制，高压减压器的作用是将高压的压缩天然气（工作压力200bar-300bar）经过减压加热将压力调整至7bar-9bar。高压天然气在减压过程中由于减压膨胀，需要吸收大量的热量，为防止减压器结冰，从发动机将发动机冷却液引出到减压器对燃气进行加热。经减压后的天然气进入电控调压器，电控调压器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ECM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，ECM根据氧传感器的反馈信号和控制MAP及时修正天然气喷射量。另外,ECM对增压器的废气旁通阀的开度进行控制,使发动机的扭矩能满足使用要求.玉柴气体机原理-CNG发动机系统原理20玉柴气体机原理-CNG发动机系统原理21增压中冷后空气混合气管路空气管路天然气管路电控调压器(EPR)混合器电子节气门低压电磁阀燃料供给系统玉柴气体机原理-CNG发动机系统原理22内容1.气体发动机技术概述2.玉柴气体机系统组成原理3.典型零部件结构原理4.常见故障处理23高压减压器工作原理：工作原理：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。作用：通过节流和加热，使高压的压缩天然气减压至7bar-9bar的低压天然气2）减压器出气接头使用O形圈进行密封，出气接头与低压电磁阀、低压电磁阀与电磁阀出气接头采用锥螺纹连接，安装时必须使用螺纹密封胶。安装要求：1）减压器进气接头螺纹部分必须使用螺纹密封胶，并且使用铜垫进行密封加热水管接头天然气温度传感器零部件结构原理-高压减压器243）高压减压器通过两根水管与发动机的冷却水循环水路连通，安装水管时请锁紧环箍，以免漏水。4）高压减压器必须通过一根压力反馈管与进气管连接，目的是为了根据工况控制调压器出口压力。5）减压调节器应安装在靠近发动机进气管和振动较小的位置，但不应直接安装在发动机上。所以减压调节器必须安装在汽车（底盘）大梁上。设计减压调节器支架时，应注意减压调节器的安装位置不能高于发动机散热器顶部。否则会导致加热水不能流经减压器，导致减压器结冰冻裂。此处连接到进气管零部件结构原理-高压减压器25工作原理：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。通过节流和加热，使高压的压缩天然气减压至7bar-9bar的低压天然气。高压减压器26高压减压器27工作原理及安装要求：工作原理：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。作用：及时切断或恢复燃料供给。安装要求：1、为有效防止高压电磁阀进气接头与高压电磁阀结合部位漏气，安装该接头时，必须使用螺纹密封胶（如乐泰262）有效密封。2、要求安装在电控调压器进口处，尽可能靠近电控调压器。零部件结构原理-低压电磁阀28工作原理：在传统调压器基础上，通过高响应性能的电机控制减压器杠杆位置来控制减压器出口的燃料压力，从而实现燃料流量控制的功能。优点：燃料量控制精度高、燃料控制响应快；代替传统的燃气喷嘴降低了成本；零件局部改变可实现LPG、CNG、LNG通用。零部件结构原理-电控调压器29零部件结构原理-电控调压器原理30电控调压器（EPR）31电控调压器（EPR）32电控调压器（EPR）33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。安装要求：调压器出气管安装在混合器天然气入口处，安装时锥螺纹部分必须使用螺纹密封胶以防止漏气。将混合器垫片I、混合器垫片II安装在混合器接管I、混合器接管II与混合器的结合面，注意拧紧螺栓以防止漏气。零部件结构原理-混合器34混合器35混合器36工作原理及作用：通过控制蝶阀的开度，控制进入缸内的混和气的量，从而控制发动机的转速和负荷。驾驶者通过油门踏板，将动力需求传送给ECM，ECM接收到油门踏板信号后，根据发动机运行工况控制电子节气门开度。通过控制蝶阀开度，控制怠速转速和调速特性曲线。安装要求：安装电子节气门时，驱动电机轴线必须保持水平方向。零部件结构原理-节气门37电瓶ECU火花塞点火线圈零部件结构原理-点火系统38作用：接收来自ECM点火指令，产生高电压并将高电压传递给火花塞，产生火花，点燃天然气。点火线圈能根据ECM指令控制点火时刻，使发动机实现低排放、低气耗安装要求：安装时拧紧点火线圈安装螺栓，以保证点火线圈胶套内弹簧与火花塞头部紧密接触。由于高压电源会在接触表面产生电弧，弹簧与火花塞头部接触的部位易受热氧化，导致接触部位电阻过大，分压作用过大导致火花塞点火能量降低，严重时会导致失火。所以安装火花塞和点火线圈时，必须在火花塞头部与点火线圈弹簧结合部位涂抹导电膏。在胶套与火花塞接触的陶瓷部位应该涂抹绝缘润滑油脂，以防止因胶套老化导致火花塞与缸盖之间漏电。零部件结构原理-点火线圈39作用：接收来自点火线圈的高电压，产生火花，点燃天然气。安装要求：安装时拧紧点火花塞，拧紧力矩：30N.m。拧紧火花塞必须使用专用火花塞套筒。由于高压电源会在接触表面产生电