天然气发动机技术及产品开发

天然气发动机技术天然气发动机技术及产品开发施崇槐广西玉柴机器股份有限公司2007年9月14日天然气发动机分类主要以燃料使用的方式来划分天然气单燃料发动机使用天然气单一燃料的发动机双燃料发动机主要指柴油/CNG双燃料发动机，可以同时燃烧柴油和天然气两种燃料，俗称掺烧发动机。

两用燃料发动机主要指汽油/CNG两用燃料发动机，可以切换使用汽油和天然气两种燃料。

由于各种燃料特性的不同，为了满足两种燃料的使用，发动机的性能无法做到最佳，适应于天然气燃料特性的全新开发的单燃料发动机是未来发展的趋势。

本文仅探讨单一燃料天然气发动机技术及产品开发。

天然气发动机燃烧方式z天然气由于其燃料特性决定了天然气发动机采用的是与汽油机一样的点燃方式，而不同于柴油机的压燃方式；z以燃烧时天然气与空气的混合浓度来划分，可以分为以下两种类型：z当量燃烧单燃料天然气发动机z特点：采用过量空气系数λ=1的当量燃烧方式，当量氧传感器闭环控制、三元催化转化器，系统相对简单，容易实现高排放水平；缺点是：燃料经济性差、排温高导致的可靠性差；z稀薄燃烧单燃料天然气发动机z特点：采用过量空气系数λ＞1的稀薄燃烧方式，稀燃氧传感器闭环控制、氧化型催化转化器，优点是NOx排放值低、燃料经济性好、排温低、可靠性好；缺点是：系统相对复杂、成本高。

两种天然气发动机技术路线¾当量燃烧+闭环控制+三元催化器z可实现国Ⅲ以上排放水平z经济性较稀燃差z排温高影响可靠性z可采用多点喷射系统，系统相对简单¾稀薄燃烧+闭环控制+氧化型催化器z可实现国Ⅲ以上排放水平z经济性好z排温低、可靠性好z可采用电控调压系统，系统相对复杂天然气发动机技术天然气发动机技术主要体现在以下几个方面：¾电控燃气系统的电控技术；¾发动机本机的燃烧开发技术；¾发动机本机的机械开发技术；¾发动机的电控标定技术；¾后处理器的开发及匹配技术；单燃料发动机的开发•以汽油机为基础开发汽油机本身采用的就是点燃式，因此以汽油机为基础开发气体单燃料发动机相对变动要小，主要在于更换燃料供给系统，以及燃烧系统和点火系统做小幅改动；•以柴油机为基础开发将压燃式柴油机改为点燃式气体单燃料发动机，在燃烧系统、燃料供给系统要做大幅度的改进，以及增加原柴油机没有的点火系统；•单燃料发动机开发以汽油机或以自然吸气柴油机为基础，开发自然吸气当量燃烧的天然气发动机，与传统的汽油机非常类似，本文重点探讨以增压中冷柴油机为基础开发增压中冷稀薄燃烧的单燃料天然气发动机的技术。

单燃料发动机的开发工作以柴油机为基础开发成增压中冷稀燃天然气单燃料发动机主要包括以下几方面的工作：技术路线选择；电控燃气系统的选型集成；发动机本体的改进设计；燃烧系统的优化匹配；增压器的优化匹配；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；电控燃气系统技术类型以燃料控制方式分类：第一代：机械混合式第二代：电控混合进气第三代：电控喷射或电控调压关于第几代的电控燃料系统的划分是很粗略的，其核心差异在于电控系统中对燃料控制的精度和瞬态响应性能上。

第一代和第二代系统由于在燃料控制的精度及瞬态的响应上不足，无法达到目前要求的国Ⅲ排放标准，这两种燃料控制方式将逐步被淘汰。

电控喷射系统z分类：电控喷射系统分单点喷射系统和多点喷射系统；z单点喷射系统:z原理：利用高精度及高响应性的燃气喷嘴对燃料量进行控制，喷嘴喷射燃料后通过混合器进入发动机进气总管。

z优点：浓度控制精度高、各缸浓度均匀性好。

z缺点：比多点喷射和电控调压器方式响应性差，瞬态性能比多点喷射和电控调压器差，达到国3以上排放水平非常困难。

z多点喷射系统:z原理：每缸一个喷嘴，在进气道内喷射，z优点：大大提高了燃料控制的响应性能，燃料不占用进气容积，有利于提高发动机的功率密度。

用于当量燃烧天然气发动机上是个很好的系统方案。

z缺点：发动机各缸浓度均匀性不易控制，失火和爆震很难控制，不利于做稀薄燃烧发动机。

电控单点喷射系统原理图电控调压器系统原理：燃料控制采用电控调压器的形式，系统控制原理类似于电控混合进气，只是控制燃料的执行器由步进电机或电磁阀改为电控调压器。

大大提高燃料瞬态控制的精度和响应性能。

优点：相对单点喷射，在保持控制精度的同时，由于燃料是连续控制进入气缸，燃料的响应性能得到大大提高；相对于多点喷射，由于燃料是由进气总管进入，可以保证各缸混合气浓度的均匀性，有利于发动机采用稀薄燃烧方式；在优化发动机燃烧性能及做好催化器的匹配基础上，发动机可以实现欧V标准的超低排放。

发动机更容易实现LPG、CNG和LNG共用一套电控系统。

缺点：电控调压器及混合器等零件在发动机上的布置较困难。

电控调压器系统原理图增压中冷稀燃电控系统技术路线¾电控调压器燃料控制¾稀燃氧传感器闭环控制¾单缸独立高能点火¾电控增压压力控制¾电子油门踏板+电子节气门¾爆震传感器爆震控制¾闭环控制+自适应学习控制¾大气环境（大气压力、温度及湿度）修正¾完善的故障诊断功能稀燃气体发动机的排放技术路线048121620242811.11.2 1.3 1.41.5 1.6 1.7 1.8 1.92λN O x -g /k w h01234567CO 0.1HC 0.4氧化催化转换装置CatalystNOxHCCOHC,CO - g/kwh稀燃发动机经济性及可靠性技术路线252729313335373911.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.92过量空气系数热效率%880800720640热效率排温燃烧不稳定性闭环控制及自适应学习发动机及车辆存在一致性差异，闭环控制和自适应学习可以最大限度地弥补这种差异给发动机性能带来的差异；一个好的闭环控制和自适应学习功能可以保证发动机时刻工作在标定的最佳区域内工作；使发动机工作在理想状态下，保证发动机的动力性、经济性、排放性能及可靠性能达到开发目标要求。

气体发动机的闭环控制及自适应学习主要体现在对燃料与空气的混合浓度控制上。

爆震控制z爆震起因：气体燃料特性决定了气体发动机在燃料成分、发动机及车辆一致性、浓度及点火提前角控制参数等因素发生变化时，发动机容易发生爆震，尤其是在燃料成分发生变化时；z NG燃料：由于主要含甲烷，在某一特定地区成分相对稳定，在发动机标定有足够的爆震余量（浓度和提前角）时，可以很好地避免爆震；z LPG燃料：由于同时含丙烷和丁烷两种成分，而且两种成分的比例经常发生变化，标定一种燃料成分的爆震余量难于控制避免爆震的发生；z爆震控制：在发动机出现爆震时，爆震传感器监测到爆震的发生，及时改变浓度和提前角控制（减小混合气浓度和延迟点火），甚至降低发动机功率，从而有效避免爆震的持续发生。

故障诊断功能完善的故障诊断应包括以下功能： 故障灯及故障代码；故障诊断测试；发动机故障安全保护；远程诊断；跛行回家功能。

LNG发动机与CNG发动机的差异z燃料成分：LNG为液化天然气，天然气的一种低温储运方式，主要成分与CNG一样为甲烷，只是甲烷含量一般比CNG高，杂质含量极少（在深冷处理过程中被过滤）；z发动机本体：由于LNG与CNG在燃料成分上基本相同，燃烧特性基本一致，所以发动机本体可以保持一致；z电控燃气系统：电控燃气系统的差异在于燃料供给系统，CNG是由高压通过减压器降为低压燃料进行发动机，LNG是由低温液态通过蒸发汽化变为低压气态燃料进入发动机，在进入发动机时燃料形态一致，不同的是在进入发动机前的燃料处理上。

LNG 发动机相对于CNG发动机减少了高压电磁阀及高压减压器两个部件，增加了LNG用的汽化器。

LNG发动机原理图电控单元喷嘴和电控调压器燃料控制功能高能点火集成控制功能稀燃氧传感器闭环控制功能电子节气门及电子油门踏板驱动控制功能增压压力控制功能多通道传感器输入接口完善的标定、通迅及诊断接口完善的自适应及诊断功能可升级的OBD功能良好的三防设计电控调压器工作原理：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。

废气旁通控制阀天然气发动机的浓度对发动机的经济性及排放性能影响大，在电控标定过程中需要对每个工况点的浓度进行优化标定，发动机各转速点的扭矩不能由燃料量来进行控制，而只能通过空气量来进行控制，因此增压器的匹配以及对增压压力的控制对发动机的动力性就显得至关重要，通过废气旁通控制阀对增压压力的控制有效提高了发动机的低速扭矩和动力响应性能。

大气环境传感器大气环境传感器可以实时测量大气环境的压力、温度和湿度，通过基于这几项环境参数的修正，使发动机适应不同地区不同的海拔、相同地区不同季节和天气的变化，使空燃比控制更精确，发动机适应能力更强。

单缸独立高能点火系统点火功能集成在发动机ECM中；单缸独立点火（每缸一个点火线圈）；高能点火（点火能量在60MJ以上）；双铂金电极火花塞，稳定工作寿命达到６万公里以上燃烧系统的优化匹配（压缩比）匹配原则：在保证可靠性基础上，提高压缩比以提高热效率。

z压缩比越高，可以有效提高发动机的热效率，但同时发动机的爆震倾向越明显，同时使发动机的失火和爆震的范围越窄；z压缩比的匹配应综合考虑发动机的经济性、排放以及可靠性，在保证足够爆震及失火的安全余量前提下实现最好的经济性和排放性能。

z天然气发动机的压缩比高低取决于天然气的燃料特性（辛烷值），一般情况下增压中冷CNG发动机压缩比可以做到10.5-11左右，自然吸气CNG发动机压缩比可以做到12左右；燃烧系统的优化匹配（燃烧室形状）匹配原则：实现更快和更充分的燃烧、缩短火焰传播距离以降低爆震倾向。

柴油机活塞CNG机活塞燃烧系统的优化匹配（凸轮型线及配气相位）匹配目标：保证较高的充气效率、减少扫气带来的燃料损失及HC 排放、降低排气温度。

柴油机凸轮相位CNG发动机凸轮相位增压器的优化匹配匹配原则：在功率点增压压力受控的情况下匹配尽可能高的低速压比。

因为在控制混合气浓度来控制经济性和排放情况下，更高的低速压比可以获得更大的低速扭矩。

催化转化器的优化匹配针对国Ⅲ以上排放要求的天然气发动机匹配原则：在转化效率达到排放要求前提下降低催化器成本。

匹配要点：由于NOx排放目标通过稀燃实现，CO极易被转化，而CNG发动机排出的CH4极难被转化，因此CNG发动机对催化器的要求主要是对CH4的转化效率要求；国III气体发动机排放法规要求做ETC循环测试，对瞬态排放要求高，因此要求催化器的起燃温度低、响应快，首先要求采用金属载体；通过贵金属材料铂、钯、铑的优化配比实现高的转化效率。