CNG运行原理讲解.docx

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CNG运行原理讲解

编号：

运行原理

目录

概况：

压缩天然气

1、术语

2、压缩天然气的物理性能

3、车用天然气的质量要求

4、压缩天然气汽车的特点

5、压缩天然气在车辆上的储存

燃气系统

1、燃气系统的组成

2、CNG供给系统

3、CNG供给控制系统

4、点火提前角控制系统

概况：

压缩天然气

1、术语

1.1、CNG储气瓶

CNG储气瓶是CNG供给系统中储存天然气的容器，分为钢质储气瓶和复合材料储气瓶：

•钢质储气瓶：

采用无缝钢管，利用特殊工艺两端收口而成。

•复合材料储气瓶：

采用钢质或铝合金内胆，外部缠绕玻璃纤维或碳纤维而成。

钢质储气瓶重量大，单位重量的容积小，但制造工艺成熟，成本较低；复合材料储气瓶重量比钢质储气瓶大大降低，单位重量的容积大，但制造工艺复杂，成本较高。

1.2、减压器

减压器用于将采用压缩方式储存在储气瓶内的天然气的压力降至大气压，供应给发动机。

减压过程是一个吸热过程，需要吸收大量的热量，在减压器结构中，将发动机循环水引入减压器内的水套，利用循环水的热量给减压腔加热。

在减压器上设有怠速调整装置，用于调整发动机怠速状态的燃气供给量。

1.3、混合器

混合器是将经过减压，从减压器输送过来的常压天然气与新鲜空气混合的装置。

混合后的CNG/空气混合气被送入发动机燃烧室。

混合器的基本结构为文丘里管。

1.4、转换开关

转换开关用于转换汽车使用汽油燃料或CNG燃料，并显示储气瓶内CNG的储量。

转换开关功能如下：

•在汽车使用CNG燃料时，保持CNG供给回路接通，或者切断汽油的喷射；

•在汽车使用汽油时，保持汽油供给回路的接通或汽油喷射动作的执行，同时切断CNG供给管路；

•在发动机停止运转时，切断CNG供给管路；

•使用CNG燃料时，采用汽油启动发动机，在一定条件下（加速或减速）转换至使用CNG;

•防止两种燃料同时进入发动机，导致油气混烧；

•保证两种燃料的平稳转换；

•显示储气瓶内CNG的储量。

1.5、充装阀

CNG充装阀具有单向阀或手动旋转阀结构。

通过充装阀，可以向储气瓶内充装天然气。

1.6、压力传感器

压力传感器是测量和显示储气瓶内CNG的压力，并将其转换成与转换开关匹配信号的部件，转换后的信号通过电缆线输送到转换开关。

1.7、高压管路

高压管路采用不锈钢无缝钢管，是输送和充装CNG的管路。

输送和充装采用同一条管路。

1.8、低压管路

低压管路是连接减压器和混合器，输送减压后的常压天然气的管路。

1.9、循环水管路

循环水管路是将发动机冷却液引入减压器的管路。

1.10、模拟器

当汽车使用汽油，模拟器用来控制汽油的喷射动作，保持汽油喷射电路的接通；使用CNG时，切断汽油喷射电路，同时能够模拟汽油喷射动作，保证发动机ECU能够正常工作。

1.11、控制器

控制器通过对氧传感器信号（或者包括节气门位置信号）的分析，计算出混合气浓度（浓或稀），控制步进电机的动作，调节天然气的供给量。

1.12、步进电机

用于调节天然气的供给量，布置在低压管路上。

控制器根据接受氧传感器、节气门位置传感器等信号，分析混合气的空燃比，控制步进电机的调节动作。

1.13、点火提前角调节器

点火提前角调节器的功能是在使用CNG工作时将点火时间提前一定的角度，而在使用汽油工作时恢复发动机ECU控制的点火提前角。

2、压缩天然气的物理性能

2.1、天然气

天然气——NaturalGas，简称NG，天然气的主要成分为甲烷（CH4），甲烷的特性决定了天然气的性能。

产地不同，天然气中的甲烷含量不同。

2.2、天然气的特性

2.2.1、比重

常温、常压下的甲烷、天然气比重以及与空气比重的比值

单位

比重

与空气比重的比值

甲烷

kg/m3

0.71

55%

天然气

kg/m3

0.78

60%

天然气比重小于空气，当从储存容器、管道中泄漏出来后，天然气将向上移动，扩散到空气中。

2.2.2、热值

热值是指单位重量或体积的燃料完全燃烧后产生的热量，分为高热值和低热值。

天然气主要成分的热值：

成分

高热值104（kJ/kg）

低热值104（kJ/kg）

甲烷

5.55

5.01

汽油的低热值为4.44×104kJ/kg。

天然气的单位重量热值高于汽油。

按体积计量计算，１立方米天然气的热值高于1升汽油的热值。

2.2.3、沸点

在常温、常压下，天然气为气体状态；

甲烷的沸点-162℃，在此温度以上，天然气呈气态。

由于非常低的沸点，天然气非常难于液化，一般采用气体状态储存和输送天然气。

2.2.4、颜色、味道和毒性

甲烷（天然气）是一种无色、无味的物质，且没有毒性；

天然气在空气中的浓度较高时，对人体有一定的麻醉作用。

为便于识别其在空气中的存在，在生产过程中添加了少量的臭味剂（硫醇、硫醚等物质）。

2.2.5、点火极限

气态的天然气与空气形成混合气，混合气浓度在一定范围内时能够被点燃、燃烧，超过这个范围将不能被点燃，这个范围的上下限即为点火下限和点火上限。

天然气的点火上限和点火下限分别为5%和15%。

2.2.6、理论空燃比

单位重量（或体积）燃料完全燃烧需要的空气重量（或体积）即为该燃料的理论空燃比。

汽油、甲烷的（重量）理论空燃比分别为14.7：

1、16.7：

1。

相同质量的燃料完全燃烧，天然气需要更多的空气。

按照体积计算，天然气的理论空燃比约为10：

1。

2.2.7、辛烷值

辛烷值是燃料抗爆震燃烧的能力，辛烷值越高，表示抗爆性越好，发动机可以采用更高的压缩比。

目前使用的汽油辛烷值一般为90、93。

天然气的辛烷值一般在120～130之间，其抗爆性要好于汽油。

2.2.8、自燃温度

在没有外界火源的条件下，由于天然气内部的氧化、本身温度或介质温度变化而引起天然气自行着火燃烧，天然气自行着火燃烧的最低温度即为自燃温度；

天然气的自燃温度为732℃；汽油的自燃温度为232～482℃；较高的自燃温度表明天然气的安全性好于汽油。

2.2.9、起燃方式：

天然气自燃温度高，难于压燃，适宜外火源点燃，同时高的辛烷值，适合在较高的压缩比下点燃工作。

天然气在汽车上使用一般采取两种方式工作：

在天然气单燃料或两用燃料车上，采用电火花点燃的工作方式；

在柴油／天然气双燃料车上，在天然气工作时，一般喷射少量的柴油，利用被压燃的柴油点燃天然气的工作方式。

3、车用天然气的质量要求

项目

质量指标

高位发热值（MJ/m3）

＞31.4

硫化氢（H2S）含量（mg/m3）

＜15

总硫（以硫计）含量（mg/m3）

＜200

﹡尘埃含量（mg/m3）

＜15

﹡尘埃微粒直径（μm）

＜10

二氧化碳（CO2）含量V/V

＜3.0

﹡氧气（O2）%

＜0.5

﹡含水量（mg/m3）

一般地区＜16，冬季温度在-20℃～-40℃时应＜10。

水露点℃

在汽车驾驶的特定区域内，在最高压力下，水露点不应高于-13℃,当最低温度低于-8℃，水露点应比最低气温低5℃。

“﹡”：

目前未列入国家标准

4、压缩天然气汽车的特点

压缩天然气汽车储存的天然气量相对较少，且储存容器的重量造成整车重量增加很多。

但在汽油车的基础上增加CNG系统而成的既能使用CNG，又能使用汽油的两用燃料车目前广泛使用，这种方式改装方便、成本低，但整车性能下降较多。

4.1、排放性能：

天然气作为一种气体燃料，与空气混合更均匀，燃烧更加充分，排放的CO、HC等有害物质更少；其他一些没有受排放法规控制的有害成分（如对区域环境影响的毒性物质、烟雾、酸性物质等也比汽油、柴油要少；

在所有碳氢燃料中，天然气的碳氢比小，碳与氢的比例为4：

1，CO2排放量比汽油少25%左右，有利于保护全球的环境质量。

发达国家基于天然气的这一特性，将天然气确定为真正的清洁燃料而加以推广使用。

4.2、经济性：

维护费用：

天然气不会稀释润滑油，燃烧后没有积碳，可减少发动机磨损，延长润滑油更换周期，维护保养费用低，延长发动机寿命；

燃料费用：

按1立方米天然气相当1.1升汽油计算，可减少燃料费用50%以上。

使用CNG作为汽车燃料，可大大降低燃料费用。

4.3、动力性：

目前的CNG车基本是在汽油车上增加CNG系统而成的两用燃料车，发动机的压缩比、点火系统、进气系统等均没有变动，因而造成使用CNG时发动机的动力性能没有得到充分发挥；

天然气的理论空燃比为10：

1，在进入发动机时，天然气将占有约10%的体积空间，导致吸入发动机的空气量减少约10%，进气效率下降，从而引起动力性的下降；

天然气性质稳定，燃烧速度慢，点燃需要更多的能量；

与使用汽油相比，使用CNG时的动力性约下降15%左右。

4.4、安全性：

系统的每一个部件的设计、生产、检验充分考虑了安全性：

储气瓶必须是指定的专业厂家生产；

储气瓶的承压能力是CNG工作压力的数倍；

每一个储气瓶出厂之前必须100%进行安全检验；

储气瓶发上设有安全阀、手动截止阀，保证安全使用和便于维护；减压器上设有安全阀，保证在系统出现故障时的安全性；

天然气性质稳定，密度小，自燃温度温度高，安全性好于汽油燃料。

国内外的使用经验表明，因CNG系统发生的安全事故要远低于汽油车、柴油车。

4.5、续驶里程：

压缩方式储存天然气，储存燃料的能量密度低，相同体积的储存容器，续驶里程仅相当于汽油的1/4，且储存容器的重量大，导致整车自重增加。

对于小型车，在设计时考虑到自重增加的限制，以及车上有限的空间，不允许安装过多的天然气储气瓶，所以使用天然气的续驶里程较少。

5、压缩天然气在车辆上的储存

常温、常压下的天然气密度非常低，为有效的储存天然气，一般采用压缩方式储存天然气，以提高天然气的储存量。

汽车上使用的CNG的最高压力为20MPa（相当于将天然气压缩200倍）。

二、天然气汽车燃气系统的组成

1、分为三个部分：

（1）、CNG供给系统：

充装、储存天然气，对CNG压力进行调节，并向发动机输送天然气；

（2）、CNG供给控制系统：

根据输入的发动机工作信号，对天然气的工作过程进行控制；

（3）、点火提前角控制系统：

根据使用的燃料类型，自动控制点火提前的角度。

2、CNG供给系统

（1）、CNG供给系统基本功能

·有效储存CNG·充装CNG·向发动机供给CNG·截止CNG的供给·过滤CNG中杂质

·CNG状态调节·安全保护功能

（2）、CNG供给系统组成

供给系统一般由CNG储气瓶、高压管路、CNG减压器、低压管路、步进电机、混合器、循环水管路、充气阀、压力传感器、转换开关等部件组成。

（3）、CNG供给系统流程

CNG供气系统布置简图

加气枪

节气门开启信号

曲轴位置信号

氧传感器信号

脉冲信号点火钥匙12V电源

2.4、GASPETROCNG减压器

2.4.1、结构特点

·采用恒压供气技术，保证在任何条件下输出恒定压力的天然气；

·三级减压，可将最大压力为20MPa的CNG压力降至常压；

·使用范围广，可适合排量在500～6000CC之间的发动机的供气需要；

·双出气口结构，便于安装；

·设有过压保护装置；

·设有储气瓶内压力过低时，保证怠速稳定的装置；

·设有辅助怠速调节装置，消除在高速转弯时可能的熄火现象。

2.4.2、功能

·从储气瓶输送出的最大压力为20MPa的CNG，使用过程中压力在不断变化中，不能满足发动机工作的需要，需要通过减压器将其状态进行调节；

·减压器的主要功能：

将由储气瓶输出最大压力20MPa的CNG进行减压和调节，调节成能满足发动机工作需要压力；

·减压过程为吸热过程，需要吸收大量的热量；为保证减压器的正常工作，将发动机循环水引入减压器内，为减压过程提供热量；在环境温度过低时使用CNG，一方面对发动机不利，同时不能为减压过程提供充足的热量，将导致工作不稳；

·在CNG的稳压腔上设有电磁截止阀，在停车或使用汽油工作时，电磁截止阀关闭，同时一级减压腔进口关闭。

使用CNG工作时，电磁截止阀打开；

·为保证怠速的稳定性和最佳的混合比，可将发动机进气管处的进气压力引入一级减压腔的平衡室，调节工作过程；

·在安装时需保证正确的循环水流动方向，否则将造成循环水不能流动，造成系统工作不稳；

·为避免因减压器故障造成的腔内压力异常升高，在一级减压腔内设有安全保护阀。

·在CNG进入一级减压腔之前的高压通道设有CNG过滤器。

3、CNG供给控制系统

3.1、燃气工作的基本要求

·在两用燃料车上，增加的燃气系统只是根据发动机的需要定量的向发动机供应燃气，发动机正常工作需要的点火、怠速等控制仍然需要利用燃油喷射系统的ECU进行控制；

·为保证使用CNG时发动机正常的工作，发动机各个传感信号必须处在正常的状态，包括节气门信号、氧传感器信号等；

·在使用CNG时，必须切断汽油的喷射动作。

切断汽油喷射动作的同时，正常的汽油喷射信号也被切断，在这种情况下，汽油ECU将判断出汽油喷射停止，将不会正常的工作。

为了避免在使用CNG时出现这种不正常的现象，使汽油ECU保持在正常工作状态，必须在切断汽油喷射的同时，向汽油ECU输入模拟的汽油喷射信号。

·氧传感器信号的控制：

CNG控制系统与汽油控制系统共用氧传感器。

发动机在使用CNG时的控制过程与使用汽油时是有所差别的。

在使用CNG时，氧传感器信号直接输入CNG控制系统。

汽油ECU如果长时间得不到氧传感器信号，ECU将判断混合气过浓或过稀，将在内部记录故障码，从而影响ECU的正常工作，特别在重新使用汽油时，将严重影响汽油的工作过程。

如果同时将氧传感器信号输入CNG控制系统和汽油ECU，汽油ECU的自学习功能将记忆下使用CNG时的状态。

在转换到使用汽油时，将会影响汽油的控制过程。

为了避免以上情况造成的影响，可以在使用汽油时，向汽油ECU输入一个理想的模拟氧传感器信号。

这样在使用CNG时汽油ECU能够正常工作，同时避免汽油ECU学习和记忆到在使用CNG时的不应该学习和记忆的东西。

3.2、CNG供给控制系统功能

基于燃气工作的基本要求，以及汽车正常行驶的需要，CNG供给控制系统应具备以下功能：

·燃料选择和转换功能；·指示CNG储量；·控制向发动机供应燃料；·控制CNG的截止；

·控制使用CNG时汽油喷嘴的模拟工作状态；·排放控制；·氧传感器模拟信号的控制；

·自适应功能；·大负荷动力提升功能。

3.3、CNG供给控制系统组成

CNG供给控制系统包括：

·控制器及其线束；·模拟器及其线束；·点火提前角调节器及其线束；·转换开关；

·压力传感器；·油泵继电器；

3.4、控制器控制原理图

3.5、控制器工作电源

主工作电源——接汽车上电瓶正极或与其连接的电源线；

接地——与汽油ECU地线同时接地；

工作电源——与受点火钥匙控制的电源线连接。

3.6、控制器输入信号

TPS（节气门位置）信号；

氧传感器信号

CNG工作时：

氧传感器信号进入控制器，控制器向汽油ECU输入模拟信号；

汽油工作：

控制器内部继电器闭合，氧传感器信号进入汽油ECU。

3.7、控制器输出信号

·+12V电压输出：

控制减压器上电磁阀的开启，油泵继电器以及模拟器、点火提前角调节器的工作。

·步进电机工作信号；·转换开关控制组线信号。

3.8、诊断与设置接口

燃气系统具有故障诊断、进行程序设置、修改系统信息的功能。

诊断时通过装有设置程序的计算机与控制器的通讯通过专用的连接接口；

通过诊断程序可以读取系统的工作参数、系统工作过程中的故障信息。

诊断程序可以对工作程序进行调试和修改。

3.9、控制系统接线图

3.10、控制器控制过程

使用汽油工作：

油泵继电器接通油泵火线，使油泵正常工作；

氧传感器信号经过控制器内部继电器输送到汽油ECU；

模拟器恢复汽油喷射电路的正常状态；

点火提前角调节器恢复曲轴位置传感器输出信号，汽油ECU按正常的点火脉普图控制点火。

使用CNG工作：

控制器输出+12V电源，控制以下部件：

减压器电磁阀：

电磁阀打开，CNG供给系统接通，向发动机供给天然气；

模拟器：

在保证汽油喷射电路导通的情况下，切断汽油喷嘴喷射动作；

点火提前角调节器：

向汽油ECU输送修正后的曲轴位置信号，汽油ECU在修正后的信号下控制点火；

油泵继电器：

切断油泵火线，使油泵停止工作；

控制器输出控制信号，控制步进电机动作，进而控制进入发动机的燃料量。

3.11、步进电机开度

步进电机开度由步进电机中心位置和氧传感器信号确定。

步进电机中心位置（DEF）通过诊断仪进行设置，该设置可能不能够一次完成确定，需要和发动机运行工况结合，新车初步设定时设置参数选为80。

当发动机稳定在3000r/min时，用诊断仪读取氧传感器输出电压应在0～1V之间波动。

如果氧传感器信号偏稀，就适当加大步进电机中心位置。

反之，就减小步进电机中心位置。

注意：

步进电机中心位置设置与发动机工况关联，而影响发动机工况的因素是多方面的。

所以对于在用车步进电机中心位置的设置参数可能离参考值会有较大的变化。

尽管控制系统有很宽的适应范围，但是离参考值偏差过大，还是要对发动机工况影响因素进行分析和排除不正常的情况。

否则系统可能因为只兼顾了混合气浓度而掩盖了其它非正常工况的状态。

3.12、步进电机的工作窗口

使用燃气工作时，步进电机的开度始终围绕步进电机中心位置作上下调整。

怠速时被限制在怠速窗口内，即围绕中心位置在±25数值范围进行调整。

非怠速时被限制在非怠速窗口内，即围绕中心位置在±40数值范围进行调整。

3.13、步进电机中心位置的自适应（自学习）功能

燃气控制系统可以使步进电机中心位置具有自适应功能，控制系统可以根据车况的不同自动确定步进电机的中心位置。

自适应（自学习）条件：

·非怠速工况；·氧传感器信号能正常反馈。

该功能的好处是，当发动机工作状态有变化时步进电机中心位置能够自适应变化，以保证正常的混合气浓度的供应。

例如车辆使用一段时间后，空气滤清器脏了，影响新鲜空气供应量，造成混合气偏浓。

自适应功能能够根据氧传感器信号的变化情况让步进电机中心位置减小一些。

由于该功能在怠速状况时不能够自适应，另外由于一些特殊情况下控制系统可能自行学习记忆一些非正常的现象而不可自行恢复，反而影响发动机的运行，所以只要车辆定期进行保养，一般不要开通自适应功能为好。

3.14、模拟器

燃气与燃油的供应是两套相对独立的控制系统，在使用CNG工作时，汽油喷射应该被切断，燃油喷射的切断是通过切断喷油嘴上电磁阀线圈的供电来实现的。

但是将喷油嘴上电磁阀线圈的供电切断，汽油ECU会感知到这是一个故障并且记录下来，而进入故障模式。

为避免对燃油系统的影响，系统采用一个模拟器来解决这种系统干扰问题。

模拟器的作用是：

使用CNG时使喷油的动作停止，但是不切断喷油器动作信号，使ECU感知喷油器在正常工作，从而提供正常的点火管理控制功能。

在模拟器的接口旁边有一处设置调节装置，它们是设置匹配车两种燃料转换过程间的重叠时间。

关于两种燃料转换过程间重叠时间的调节装置是一个定性的调节装置。

与燃气系统在车辆上的布置有关。

低压燃气管路过长，相应重叠时间就要长，低压燃气管路短，相应重叠时间就短。

可以根据发动机运行时进行燃料转换中的平稳性状况来进行调节。

“-”表示重叠时间短，“+”表示重叠时间长。

3.17、模拟信号

力帆520发动机电喷系统是采用闭环控制方式。

使用CNG时，实际氧传感器信号不直接进入汽油ECU，而是发送给CNG控制器，由CNG控制器控制步进电机的开度给发动机供给适量的燃气。

使用CNG时由于汽油ECU长时间不能感知到氧传感器信号，汽油喷射系统的ECU就会判断系统存在故障，而进入故障管理模式。

为了避免这种系统干扰，CNG系统的控制器会在使用CNG时，由控制器向燃油喷射系统ECU输入一个模拟信号，使燃油喷射系统保持正常运行。

CNG控制器产生的模拟信号有四种类型：

·氧传感器信号接地·氧传感器信号被断开·标准方波信号·可修改的方波信号

方波波形示意：

对于力帆520两用燃料车CNG控制器输出的模拟信号类型选择了开环信号，即“氧传感器信号被断开”波形。

在用诊断仪进行设置时在菜单下选择“OPENCIRCUIT”

选择氧传感器断开的开环模拟信号相当于关闭了燃油喷射系统ECU的自学习功能，使ECU不会记录和接受不良的信息，以保证发动机从用气切换到用油时过度平稳。

3.19、转换开关

3.19.1、结构

3.19.2、功能

3.19.2.1、燃料选择和转换：

·转换开关在汽油或燃气位置均使用汽油启动；

·当转换开关在燃气位置启动发动机后，需要按照设定的转换方式转换到使用燃气；

·设定的转换方式为：

汽油启动、减速转换；

·设定的转换转速为：

1800～2500r/min；

·转换过程：

使用汽油启动发动机后，将发动机转速升高到转换转速（2500r/min）以上，然后松开油门踏板，当转速低于转换转速时，自动转换到使用燃气；

·在低温时发动机不能为减压过程提供充足的热量，为提高使用燃气的稳定性，在温度低于20℃时，建议使用汽油工作。

3.19.2.2、发动机的启动和燃料的转换

为保护汽油系统处在正常的状态，转换开关在任何档位时，均使用汽油启动发动机。

3.19.2.3、转换开关在CNG位置

打开点火钥匙；启动发动机（使用汽油）；将发动机转速升至2500r/min以上（使用汽油）；松开油门踏板，系统自动转换使用CNG。

3.19.2.4、转换开关在汽油位置

发动机使用汽油启动、运转

3.19.2.5、使用过程中燃料的选择和转换

·燃料选择

使用汽油：

转换开关置于汽油位置，黄色指示灯点亮，汽车使用汽油。

使用CNG：

转换开关置于CNG位置，绿色指示灯点亮，汽车使用压缩天然气。

转换开关上的容量指示灯，显示储气瓶内天然气的储量。

·燃料转换

汽油转换到CNG：

发动机运行时，将转换开关由汽油位置转到CNG位置，将发动机转速升至2500r/minM以上，再松开油门即可。

CNG转换到汽油：

发动机运转时，将转换开关由CNG位置转到汽油位置，即完成转换。

两用燃料车在怠速状态和行驶过程中，均可进行燃料的转换。

如果在启动或行驶中直接用气启动，把转换转速调整钮反时针调到底即可。

4、点火提前角控制系统

由于CNG燃料物理性能与燃油物理性能的差异，为了在两用燃料车上最大发挥使用CNG燃料时的动力性，在CNG控制系统中设置了点火提前角控制系统。

该系统的核心元件是点火提前角调节器，它能够按发动机不同工况对点火提前角进行修正。

未装点火提前角调节器使用天然气工作时，点火系统由汽油ECU控制，点火提前的时间与汽油工作时基本相同；

天然气性质稳定，燃烧速度慢，比汽油需要更大的点火提前时间；

点火提前角调节器的主要功能是在使用天然气工作时，将点火时间提前一定的角度，而在使用汽油工作时恢复汽油ECU控制的点火时间。

4.1、点火提前角调节器的接线原理

点火提前角调节器接受了CNG系统控制器的信号可以判别当前发动机是用汽油还是使用燃气。

点火提前角调节器根据曲轴位置传感器的信号判断活塞上止点的位置。