潍柴天然气发动机之发动机结构及工作原理1 / 51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-Compressed natural gas 压缩天然气:气瓶内充满气时一般为20Mpa,2、LNG-Liquefied natural gas 液化天然气：在常压下、温度为-162度的天然气变为液态。
2 / 51燃料种类常态下密度kgm 沸点℃天然气(CH4) LPG580柴油(C16H34为代表) 汽油(C8H18为代表)-3 0.75~0.8(气态) 830170～35014.3：142.50 720～750 30～190 14.8：1 43.90-161.5 17.2：1 49.81 130 -100理论空燃比(kg/kg)低热值 MJ(kg) -1 45.9辛烷值(RON) 十六烷值100~110 23～3040～601.58～8.225080～9927 0燃烧极限(体积) % 自然温度(常压下)T ℃闪点℃5～156501.5~9.54501.3～7.6390～42060-43 -187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.3 / 51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。
4 / 51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。
5 / 51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Ⅲ、欧Ⅳ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。
6 / 51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Ⅲ、欧Ⅳ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。
7 / 51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⏹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8 / 51现社会化服务天然气发动机使用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Ⅴ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。
9 / 5110 / 514-3-1 高压直喷系统HPDI高 LNG 储罐与泵总成高压直喷喷油器压 天然气体控制模块 气控制单元高压共轨柴油泵液压泵14-3-2 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 / 51燃气发动机柴油机燃料供给系统燃气供给燃油供给（电磁切断阀、稳压器、燃料（高压油泵、高压油管、计量阀等）喷油器等）点火方式压缩比点燃（点火控制模块、点火线圈、高压线、火花塞等）压燃12左右17左右转速信号采集信号发生器飞轮壳处（相位传感器）燃料空气混合混合器、节气门无低排温高(增压器、排气管、进排气门座)电控系统WOODWARD BOSCH12 / 511、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。
13 / 513、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。
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)。
14 / 514、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。
15 / 5116 / 5117 / 51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混合器热交换器节温器气瓶FMV燃料计量阀切断阀滤清器稳压器18 / 5119 / 51作用：过滤燃气中0.3μm～0.6μm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》。
20 / 51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3/4-16 UNF ,整车厂需定制与之安装管件，并保证连接牢固，无漏气。
21 / 51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。
• 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。
22 / 51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• 平衡管接头平衡管接头减压器出水管减压器进水管减压器出气口减压器泄压口高压电磁阀减压器进气口23 / 51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。
24 / 51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。
25 / 51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。
26 / 51• 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》。
27 / 51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。
28 / 5129 / 51 节气门前压力传感器 中冷器混合器节气门位置反馈电子节气门进气温度、压力传感器 油门脚踏板 增压器空气滤清器 OH1.2EngineControllerEngine 排气管废气控制阀 新鲜空气空气、燃气混合排气氧传感器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。
30 / 51ECM 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。