浅谈LNG发动机的车辆驾驶操作(二)
责任编辑:cnlng    浏览:1429次    时间: 2020-01-08 00:18:11      

摘要: (2)供应系统  LNG车辆的供应系统主要是管路,其作用是提供合适压力的LNG燃料给发动机使用,由管路、汽化器、滤清器、燃气电磁阀、稳压罐、调压阀(稳压器)等部件组成(如图8)。   图8:LNG供应系统部分部件  汽化器就是一台热交换器,根据低温液体特性,..

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 (2)供应系统

  LNG车辆的供应系统主要是管路,其作用是提供合适压力的LNG燃料给发动机使用,由管路、汽化器、滤清器、燃气电磁阀、稳压罐、调压阀(稳压器)等部件组成(如图8)。

  图8:LNG供应系统部分部件

  汽化器就是一台热交换器,根据低温液体特性,利用发动机的热冷却液对LNG液体进行加热,将液态天然气汽化成气态天然气供发动机使用(如图9)。

图9:LNG汽化器工作原理

  图9:LNG汽化器工作原理

图10:LNG调压阀(稳压器)

  图10:LNG调压阀(稳压器)

  调压阀(稳压器,图10)是将气化后的LNG压力进行调节的装置,稳定气压后可以保证发动机运行平稳,它的调节需要使用电脑读取发动机进气压力的数值后,再进行调整,不能随意变动。其最大进口压力为28bar,出气压力范围在7~14bar,工作温度在-40℃~75℃之间,安装时注意箭头所指的气流方向,压力调整时要控制发动机在怠速运转平稳后进行,并注意一般调整NGP为7.9~8.2bar,因为根据大量的实验表明,在此压力范围内工作的发动机运行经济性与动力性最佳。因此,在配备LNG发动机的车辆使用时必须注意调整好发动机端的进气压力,保证发动机经济性与动力性的匹配。

  (3)使用系统

  使用系统就是燃气发动机系统,通过燃烧燃气,对外输出动力。其工作原理基本与燃油发动机基本相同,主要在以下系统上有些区别。

  燃料供应系统

  在LNG从气瓶体通过管路进入汽化器加热汽化后,经过稳压罐稳压、由燃气滤清器滤清,之后通过电磁切断阀控制通断进入稳压器稳压,减压器减压至7-8bar后,燃气再次进入发动机端的第二热交换器(见图11),根据燃气的温度再次进行调整,保证进入发动机的燃气温度在0-40度的范围内。

图11:LNG发动机端热交换器及双节温器

  图11:LNG发动机端热交换器及双节温器

  随后,燃气经过热交换器加热后,再通过节温器进入FMV(燃气计量阀),由FMV控制喷射量,随后燃气进入燃气混合器(见图12)中,与增压后的清洁空气进行混合,成为可燃混合气。

图12:LNG发动机燃气混合器

  图12:LNG发动机燃气混合器

  ECU根据发动机的工况进行分析判断,通过电子节气门控制可燃混合气进入发动机进气支管、发动机的气缸内燃烧做功(见图13)。

 图13:LNG发动机系统工作原理图解

  图13:LNG发动机系统工作原理图解

  FMV(燃气计量阀,图14)是燃气车重要的工作部件,相当于汽油车的化油器的作用,它通过ECU的电子信号,控制多个小电磁阀的开启和关闭来控制喷气量,达到控制混合气浓度的目的。

 图14:NG发动机FMV(燃气计量阀)

  图14:NG发动机FMV(燃气计量阀)

  CNG发动机的原理基本相同,与LNG发动机的区别是压缩气瓶内的燃气通过管路进入减压器,减压至7-8bar后,再经过滤清器进入热交换器,最终供发动机燃烧(见图15)。

图15:CNG发动机系统工作原理图解

  图15:CNG发动机系统工作原理图解

  LNG发动机的负荷控制系统由脚踏板的控制变化,通过ECU来间接控制节气门的开度,最终达到控制发动机负荷的目的。ECU接受电子脚踏板位置信号的变化,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。电子脚踏板和节气门间不使用机械部件连接,如图16。

图16:LNG发动机负荷控制示意图  

图16:LNG发动机负荷控制示意图  

  电子节气门(图17)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。

  电子节气门内部包含节气门开度位置传感器,ECU通过比较节气门位置传感器反馈信号和节气门开度指令信号之间的差值来确定电子节气门是否处于正常的工作状态。其有特定设置:一旦电子节气门发生故障,ECU将进入特定的跛行回家模式,发动机转速和输出扭矩都将受限制。当发生其他某些故障时,ECU也进入跛行回家模式。

图17:LNG发动机电子节气门外观

  图17:LNG发动机电子节气门外观

  由于LNG自身的特性,其燃烧浓度为5-15%之间,因此LNG发动机的涡轮增压器结构与普通燃油发动机有较大的区别,最重要的区别在于增加了废气控制阀(见图18-21)。

 图18:LNG发动机专用涡轮增压器外部及废气控制阀

  图18:LNG发动机专用涡轮增压器外部及废气控制阀

图19:LNG发动机专用涡轮增压器增压压力示意图

  图19:LNG发动机专用涡轮增压器增压压力示意图

图20:LNG发动机专用涡轮增压器废气控制阀图

  图20:LNG发动机专用涡轮增压器废气控制阀图

图20:LNG发动机专用涡轮增压器废气控制阀图

21:废气控制阀原理示意图

  LNG发动机专用涡轮增压器废气控制阀的PWM信号控制如下:

  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%增加;

  MAP>设定增压压力,DC%减少。

  另外,在安装使用时必须注意:

  1.如果通至阀门的空气被污染,阀门间的隔网可能堵塞;

  2.注意管路连接的长度不可随意更改,否则增压控制可能不稳定,造成发动机运转不平稳;

  3.如果控制阀与空气的连接受阻或断开,发动机功率过大,就可能会损坏发动机,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);

  4.如果电气连接发生故障或断开,则会造成发动机功率下降的现象。

  一般无电路故障的情况下,发生发动机动力不足,加速无力的故障有可能需要清洗废气旁通上的电磁阀过滤网或更换废气旁通电磁阀,并紧固废气旁通阀取气管和放气管(见图22)。

图22:LNG发动机专用涡轮增压器废气控制阀常见故障部位

  图22:LNG发动机专用涡轮增压器废气控制阀常见故障部位

  点火系统

  LNG发动机的点火系统也有别于传统的汽油发动机,其结构也由于LNG燃烧的特性有较大变化(图23)。

图23:LNG发动机点火系统示意图

  图23:LNG发动机点火系统示意图

  点火系统中较为重要的部件有:点火信号发生器、高压线圈、火花塞等。

  点火信号发生器(图24)的作用是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。它提供信号给发动机控制模块(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。点火信号发生器可以调整准确的点火提前角度,在调整时需用点火正时灯测量后再进行。

图23:LNG发动机点火系统示意图

  图24:LNG发动机点火信号发生器

  LNG车用发动机的高压线圈采用笔式感应点火线圈,在初级线圈使用较少的线圈匝数储存电流,次级线圈部分含有更多的线圈匝数,从而产生变压器功能(电压)升高,并取消了部分高压线,减少故障点,其点火能量损失较小,点火电压高,而且使用寿命较传统点火线圈延长一倍左右。

  LNG发动机的火花塞使用燃气发动机专用铱、铂金焊点火花塞(图25),点火强度高,使用寿命长,可达10万~12万公里。火花塞的安装扭矩在25~40N.m之间。火花塞间隙调整控制在0.35±0.05mm(严格用塞规调整)之间最佳,如果间隙偏大,先把塞尺塞进间隙,用小扳手轻轻敲击侧电极拐角部位;如果间隙偏小,先用小虎钳把间隙慢慢调大,然后塞入塞尺,再用小扳手轻轻敲击侧电极,但要注意保证侧电极和中心电极面平行一致,否则会影响点火效果和发动机功率正常。

 图25:LNG发动机专用铱、铂金焊点火花塞

  图25:LNG发动机专用铱、铂金焊点火花塞

  燃气发动机的整体控制系统包括传感器信号系统、ECU及输出控制系统。车载发动机ECU根据驾驶员的动力需要(油门开度)和发动机瞬时工况、发动机转速、环境温度、发动机水温、发动机进气量、进气压力、曲轴位置、燃气温度及压力、废气排放氧传感器等一系列的信号,综合处理后对燃气计量阀、电子节气门、涡轮增压器的废气控制阀、点火线圈等进行精确控制,达到控制发动机动力输出的目的(图26)。

  

 图25:LNG发动机专用铱、铂金焊点火花塞

图26:LNG发动机电控系统示意图

  总体来说,燃气发动机与传统的燃油发动机区别主要在于以下几点:

  1、取消了柴油机的燃油系统(高压油泵、喷油器、高压油管等件),增加了燃气供给系统(气瓶、高压切断阀、减压器、燃气热交换器和节温器、喷射阀等部件)。

  2、燃气机采用点燃式燃烧方式(气缸盖上的喷油器安装孔改为火花塞安装孔),增加了点火控制系统(点火ICM控制器、点火线圈、高压线、火花塞)。

  3、燃气机的气缸压缩比比柴油机的小,燃烧室形式(活塞)与柴油机不同。

  4、燃气机增加了点火信号发生器,用于判缸的位置和测量发动机转速。

  5、增加了燃气混合器和高敏感的电子节气门,使燃气和空气在混合器中充分混合(因此,燃气车的油门反应速度较慢)。

  6、发动机的排气温度高,增压器工作环境恶劣,采用水冷中间壳。

  7、进、排气门座采用耐磨、耐高温材料。

  8、由于LNG发动机与柴油机相比空燃比小,同等功率下需要的空气量少,增压器带有废气旁通控制阀。

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