共轨原创 | 玉柴天然气发动机详细介绍

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一.

玉柴天然气发动机结构及原理

1

CNG发动机系统原理图

1）CNG自然吸气发动机ECI EPR系统原理

2）CNG增压发动机系统原理图

3）LNG增压发动机ECI EPR系统原理

4）LNG自然吸气发动机ECI EPR系统原理

2

天然气发动机控制系统

发动机电控系统的概念如下：

天然气发动机控制系统如下图所示：

3

CNG发动机系统原理

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-30bar）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。

二.

天然气发动机主要零部件结构及特性

1

燃料供给系统

1）高压燃料切断阀部件

作用：及时切断或恢复燃料供给。

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。

安装要求：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，须使用螺纹密封胶，并且锁紧接头使铜垫略有变形，有效密封。

高压燃料切断阀进气口自带滤芯，可用汽油浸泡，并用压缩空气吹干净装复即可。

如果拆检时发现高压电磁阀滤芯污染严重，必须拆下高压电磁阀阀芯、阀座，用汽油浸泡后，再用压缩空气吹干净装复。

2）高压减压器

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。

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。

安装要求：

-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；

-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；

-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；

-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；

-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。

3）低压电磁阀部件

作用：及时切断或恢复燃料供给。

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。

安装要求：

-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有效密封；

-要求安装电控调压器上面。

4）电控调压器部件（EPR阀）

作用：控制天然气喷射量

工作原理：该零件内部有一控制芯片，该控制芯片接受来自ECM的控制指令，通过高速电磁阀控制天然气气量，从而实时有效控制空燃比。

安装要求：由于该零件内部有控制芯片，应避免高频振动。该零件自带减震软垫，切勿自行拆卸。电控调压器出气口中心水平高度不能低于混合器进气口中心高度，电控调压器天然气出气口离混合器天然气进气口距离要求控制在500mm以内。目的是为了让天然气中的杂质流到混合器中随空气进入缸内燃烧掉，保持EPR阀内清洁，并且保持天然气供给响应速度快。电控调压器（EPR）在使用中需进行定期的维护保养，由于电控调压器处于低压减压部分，在长期的使用中会在其内部沉积大量的油污和杂质，长时间的油污和杂质会导致电控调压器工作不良、传感器损坏以及内部的密封件和橡胶膜片提前老化和破损，因此该部件的维护保养尤为重要。

5）混合器部件

作用及工作原理：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。

混合器由于维护不当可能产生两种故障模式：

-膜片损坏

发动机经常性回火会导致膜片老化加剧，致使膜片出现皲裂和破损。

-燃料空气阀卡滞

当压缩天然气中所含的压缩机机油过多，以及空气中的杂质过滤不充分的情况下，如果没有及时对混合器内部进行清洁保养，油污会附着在燃料空气阀和阀座上。长时间的积累会导致燃料空气阀运动受阻，甚至完全卡死，从而导致发动机工作不稳定。

因此空滤器对空气、天然气过滤器对天然气的过滤效果的好坏将直接影响着混合器的使用寿命。

6）电子节气门

作用及工作原理：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。

每10万公里（视当地气体清洁度而定），从发动机上拆下节气门，检查节气门内部是否有明显的油污，若有，则需用节气门清洗剂清洗节气门碟阀部分，清洗后用干压缩空气吹干。清洗后，用手按压碟阀，检查碟阀运动有无卡滞、是否回位，若出现卡滞，则需要更换电控节气门总成。

2

点火系统

1）点火线圈

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。

点火线圈次级输出电压高达4万伏，所以在发动机使用过程中，绝对不允许用水直接冲洗发动机，特别是点火线圈部位。

2）火花塞

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弧，弹簧与火花塞头部接触的部位受热氧化，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。

火花塞属易损件，使用寿命一般为6～8万公里。

3

增压压力控制系统

1）废气旁通控制阀

作用及工作原理：通过控制废气旁通控制阀的占空比，控制废气旁通控制阀的出口压力，从而控制发动机的增压压力。采用该技术能有效提升发动机低速扭矩，满足公交车频繁起步的工作要求！

安装要求：安装在散热条件较好的低温区，保证零部件可靠性。

2）防喘振阀

作用：当发动机突然减速时，通过喘振阀通气软管将节气门后的低压压力传递到防喘振阀压力反馈接头上，打开喘振阀单向截止膜片，使增压器压气机前后压力平衡，避免增压器喘振，保护增压器。

安装要求：该零件共有三个接口。通过喘振阀通气软管连通防喘振阀和进气管压力，另外两个φ25外径的接口分别连接增压器前进气管和增压器后进气管。6G系列CNG发动机使用两个防喘振阀，两个防喘振阀安装时进出气口刚好相反，使气流能相互流通。4G系列CNG发动机只需要一个防喘振阀即可满足要求。防喘振阀两端内径φ25的连接管由汽车厂配备。

3）空气调压器

4

传感器

1）凸轮轴转速传感器

通过信号轮的触发信号，将第一缸活塞压缩上止点位置及时准确的传递给ECM同时有测量曲轴转速的功能，ECM根据触发信号及控制MAP来控制发动机的点火提前角、空然比、增压压力等等参数。

上图为发动机处于第一缸上止点时，信号轮和传感器的相对位置。安装时请注意：信号轮正时标记齿朝外，并且先将发动机转动到第一缸上止点位置，然后调节油泵齿轮，使信号轮与传感器相对位置如下所示。安装时保证传感器与信号轮之间的间隙在(0.4~0.8)mm。

电气特性参数：

可变磁阻式（VR），工程塑料壳体；

三个输出端子，1—Ne+，2—Ne-，3—shield；

空气间隙：0.6~1.0mm；

电阻值： 540 ±80 Ohms（1#、2#针脚之间）；

工作环境：-40 - 125 oC；

安装螺栓：M6x16 扭矩：5-8Nm。

2）曲轴转速传感器

负责判缸，计算曲轴位置，同时测量曲轴转速。用于控制发动机的点火提前角、空然比、增压压力等等参数。

电气特性参数：

可变磁阻式（VR），安装于飞轮壳上或齿轮室处；

空气间隙：0.5~1.5mm；

输出电压：在间隙1.8mm，转速416rpm时大于等于1650mV ；

静态电阻值：20 oC时 860 ± 10% Ohms；

工作环境：-40 - 120 oC；

安装螺栓：M6x12 扭矩：6-10Nm。

第一缸压缩上止点时，凸轮轴相位传感器应该指示到凸轮轴信号盘多齿过后81o（凸轮转角）的位置，曲轴位置传感器应该指示到曲轴信号盘缺齿过后的第36个齿，或者第2个齿后204o（曲轴转角）的位置。

不方便确认一缸压缩上止点时可按照如下办法初步判断：

凸轮轴传感器对准凸轮信号盘的多齿时，曲轴传感器应对准曲轴信号盘缺齿后的第9齿，反过来不一定有这种关系。该办法只能识别凸轮轴和曲轴信号盘间的相位关系，不能识别凸轮轴和曲轴信号盘与实际发动机上止点的关系。

3）节气门前进气压力传感器PTP

测量进入混合器的空气的压力。它安装在混合器之前的进气管上，安装时尽可能让传感器温度、压力探头置于混合气气流中，以测量出正确的值。

4）节气 门后进气压力传感器MAP

测量中冷后的压力，结合发动机转速、排量、充气效率，利用速度密度法即可计算出混合气流量。

5）天然气温度传感器

实时测量电控调压器出口处的天然气温度，ECM根据测量到的温度、压力等参数以及所需要的目标空然比计算出需要提供给发动机的天然气供给量。牢固安装在电控调压器上指定位置，要求加密封胶，确保不发生天然气泄漏，拧紧力矩（15～20）Nm。

6）水温传感器

将发动机的冷却液温度信号及时准确的传递给ECM，ECM根据冷却液温度修正点火提前角、空然比及怠速车速等参数，同时在水温失控的情况下限制发动机的功率，从而保护发动机。

安装要求：牢固安装在发动机上指定位置，拧紧力矩（15～20）N.m。

传感器参数：

热敏电阻式NTC；

两个输出端子：信号，接地；

工作电压：5 V DC；

工作环境： -40°C ～ + 135°C；

传感器体材料：黄铜；

安装扭矩：15~20 Nm；

电阻值： 2500 Ohms（20°C）。

7）电子油门踏板

驾驶者通过电子油门踏板驱动和控制发动机运行工况，反映驾驶者的实际动力需求。

安装要求：该油门踏板为接触式电子油门踏板，安装时注意将油门踏板布置在防油、防水、防电磁干扰条件较好的地方。为防止整车电磁干扰影响电子油门踏板传递给ECM的信号，要求电子油门踏板至整车接口信号线必须使用屏蔽线，并且屏蔽层要接地牢固可靠。

传感器参数：

类型：单电位计+IVS开关；

工作电压: 5V DC ±10%；

传感器电阻: 2.5kΩ±20%（A、C之间测量）；

工作环境温度：-40~85°C。

8）氧传感器

检测排气中氧分子浓度，从而测量燃烧时的空燃比，ECM根据测量所得的空燃比修正燃气供给量。

要求在离增压器出口或排气弯管下游3～5倍排气管直径（大约250～400mm）的地方，焊接一个氧传感器安装座，供安装废气氧传感器（即UEGO_SENSOR）用。

氧传感器应安装在排气管远离发动机一侧（不能安装在排气管下方），传感器线束走向应尽量远离发动机和排气管，并可靠固定；氧传感器不能安装在排气管转弯处；氧传感器在满足前面的要求的情况下尽可能靠近涡轮增压器；如果有排气制动阀，氧传感器应安放在排气制动阀的下游；氧传感器的安装位置处不能进雨水；氧传感器和发动机之间最好有隔热罩等隔热装置。

A、B间电阻2.8~3.7欧姆。

9）大气环境传感器

通过测量进气压力、温度、湿度，并根据所测得的湿度、压力来修正实际控制空燃比和天然气供给量，使发动机运行在最佳状态。

该传感器安装在空气滤清器和增压器之间的空气管路上，环境传感器安装座焊接在进气管路上，焊接时必须保证焊接部位密封可靠。为保证环境传感器测量值正确，安装时必须保证传感器底面4个湿度测量小孔不被挡住，并且该传感器温度、压力探头必须置于气流中以测量正确值。

内置湿度、温度、压力传感器，工作环境温在-40~105°C间，推荐安装螺栓：2 X M6 X 1，拧紧力矩：最大3.3Nm。

10） 节气门后进气压力温度传感器

通过测量中冷后的压力、温度，结合发动机转速、排量、充气效率，利用速度密度法即可计算出混合气流量。按零件要求安装在电子节气门下游的进气管上，安装时尽可能让传感器温度、压力探头置于混合气气流中，以测量出正确的值。

5

电子控制模块ECM

作用：电控CNG发动机管理核心，通过各种传感器监控发动机运行工况，并根据发动机运行工况和控制MAP控制各执行器，并且通过CAN总线与汽车各子系统通讯。

工作环境：温度（-40-105）℃，最大震动8G@10-1000HZ；

工作电压：6-32 V DC。

安装ECM时，应尽可能将ECM安装在振动小的位置，并且要有可靠的防水、防油、散热措施。

与柴油发动机相比，天然气发动机有如下变化：

1）冷态气门间隙

-进气门：（0.4±0.05）mm；

-排气门：（0.5±0.05）mm。

2）火花塞电极间隙：0.33mm；

3）火花塞拧紧力矩：20N.m～40N.m；

4）凸轮轴位置传感器与信号轮间隙：0.6±0.2mm ；

5）整车提供给发动机增压器压力：1.6bar(相对压力)/2.7bar(绝对压力) 。

三.

天然气发动机常见故障检查

1

发动机不能起动

1）燃料供给故障

可能出现的故障代码：1172：电控调压器输送压力低于预期值；1173：电控调压器命令丢失。

可能故障原因：电控调压器无法将燃料提供给发动机，电控调压器接受不到来自ECU的指令。

排除方法：

-检查是否有天然气；

-检查管路上的阀门是否全开；

-检查高低压电磁阀是否打开；

-检查电控系统是否有电；

-检查发动机和整车线束的电路是否有断路、虚接、继电器或保险丝是否有效；

-更换相关零件。

2）点火系统故障

可能故障原因：点火电路不通、点火线圈损坏、火花塞损坏。

排除方法：

-检查整车电源、整车线束、继电器、保险丝等；

-更换点火线圈和火花塞。

3）正时系统故障

可能出现的故障代码：336：曲轴同步干扰；16：起动无曲轴同步。

可能故障原因：凸轮位置传感器故障、凸轮位置传感器与信号轮间隙不对、信号轮安装错误。

排除方法：

-更换凸轮位置传感器；

-调整凸轮位置传感器与信号轮间隙；

-检查信号轮的安装相位。

4）电路故障

可能出现的故障代码：687，继电器线圈对电源短路。

可能故障原因：在插上继电器起动时系统出现继电器线圈对电源短路故障，发动机无法起动。

排除方法：ECU的73号线必须接在继电器的85号针脚上。

5）起动机转速低

可能故障原因：电池电压低或起动时压降太大，发动机转速小于200转；

排除方法：更换电瓶或充电。

2

发动机动力不足

1）IAT进气温度

可能出现的故障代码：111，进气温度高。

可能故障原因：中冷器冷却效果差，热保护启动。

排除方法：清洗中冷器。

2）ECT进气温度

可能出现的故障代码：116：发动机水温高

可能故障原因：热保护

排除方法：

-检查整车冷却系；

-检查发动机线束与水温传感器的连接；

-更换相应零件。

3）进气压力

可能出现的故障代码：234：TIP在增压设定之上；299：TIP在增压设定之下3psi。

可能故障原因：进气压力不足。

排除方法：

-排查增压器是否故障；

-进气气路是否存在泄漏等；

-进气压力传感器是否存在故障。

4）燃料供给系统

可能出现的故障代码：1172：电控调压器输送压力低于预期值

可能故障原因：燃料供应不足

排除方法：

-检查是否有天然气;

-检查管路上的阀门是否全开;

-检查高低压电磁阀是否打开以及是否卡滞;

-检查供气管路是否漏气;

-电子节气门发卡。

5）点火系统

可能故障原因：某些缸点火不良导致缺缸。

排除方法：

-检查火花塞；

-检查点火线圈；

-点火线圈胶套是否老化、破损。

3

增压压力故障

可能出现的故障代码：234：TIP在增压设定之上3psi；299：TIP在增压设定之下3psi。

可能故障原因：

-废气旁通控制阀损坏；

-废气旁通控制阀线束损坏；

-废气旁通控制阀的稳压气源压力过小；

-废气旁通控制阀的进出气口；

-与增压器、稳压气源连接错误、排气口被堵；

-管路漏气。

排除方法：

-检查和修复线束；

-更换零件；

-调整压力至技术要求的23.5psi；

-更改安装关系；

-检查进气管路的密封性；

-检查防喘振阀膜片是否破；

4

MAP/MAT故障

可能出现的故障代码：MAP/MAT为0或某一常值；108：MAP电压高；107：MAP电压低。

排除方法：

-检查线束；

-检查线束与传感器的连接是否有效；

-更换相应传感器。

5

TIP故障

可能出现的故障代码：TIP为0或某一常值；236：TIP工作不正常；237:TIP电压低；238:TIP电压高。

可能故障现象：发动机放炮、加速至某一工况功率下降后又上升，类似游车 ；

排除方法：

-检查线束；

-检查线束与传感器的连接是否有效；

-更换相应传感器。

6

电脑与ECU无法通讯故障

可能故障原因：电路故障或零件损坏。

排除方法：

-检查各处电路是否接通、ECU是否被拔出；

-检查整车线束的通讯口插接件接线是否正确；

-检查19和20号线之间是否为5V；

-更换通讯线或ECU或发动机线束。

附录：英文缩写注释

CL－闭环；

CNG －压缩天然气；

DBW －线驱（如电子节气门；

ECM －发动机控制模块；

ECT －发动机冷却液温度；

ETB－电子节气门；

EPR －电控调压器；

FPP －电子油门位置；

IAT －进气空气温度；

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