城市客车用天然气电喷发动机的开发

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加了电子控制系统、点火系统、cng供给系统等深用了稀薄燃烧技术、高能点火技术和cng喷射技术，所开发的发动机在动力性、经济性和排放等方面均达到了满意的效果。

随着环保意识的日益增强，发作为城市客车用单一燃料cng电喷发动机越来越紧迫这对于控制汽车排放污染、改善城市空气质炻具有重要意义，特别是北京2008奥运会的申办成功更使得cng汽车有了巨大的市场潜力，开发出高性能、低排放的cng发动机成为必须的工作。

单一燃料cng发动机其工作原理与汽油机一样但其各参数的优化和匹配均是在cng作为燃料的情况下确定的其性能好，排放低。国外的cng发动机绝大部分采用此种型式，并且采用电控喷射、增压中冷、废气后处理等发动机领域内的高新技术，代表了天然气发动机的发展方向。在国内这种型式的cng发动机还没有实际应用，尚处于发阶段。2002-01-09课题项目：“九五”国家重点科技攻关计划清洁汽车行动关键技术攻关及产jlk化项目期从事柴油机和气体燃料发动机的研究与开发- 1开发目标和原型机1.1开发目标嬴直列6缸水冷、电控喷射、增压空空中冷缸径x麟类型稀薄点燃式额定转速2800r/min额定功率h32kw最大扭矩s40nm全负荷最低比燃气耗216g/kw. h排放歃n1.2原型机eq6102ni发动机以eq6btaa柴油机为基础进行设计和开发。eq6btaa柴油机是一种性能、排放、可靠性均得到市场认可的柴油机牲能指标见表ix以它为基础改造为点燃式天然气发动机，由于动力性指标有所降低，最大爆发压力和平均有效压力相应有较大降低，因此，缸体、缸盖、连杆、曲轴等均不需要进行改动大量减少了改进设计工作。

表1eq6btaa柴油机性能指标额定转速/r*min1额定功率/kw最大扭矩/n*m全负荷最低比燃油耗/g*（kw*h广1排放欧i 2空燃比控制策略及电控系统2.1稀薄燃烧本发动机选用稀薄燃烧方式，主要有以下原因：d）由于采用了增压中冷技术，发动机的空气供给量非常充足，不会因为稀薄燃烧导致动力性的大幅下降。

d）在理论空燃比状态下工作的发动机％！排放接近峰值，一般采用三元催化器进一步降低排放，为保证催化器的正常工作，需要对空燃比进行严格的控制，因此对燃料供给元件和空燃比控制能力要求很高；采用稀燃方式，一般选择氧化催化器进行排气后处理，不仅成本低，而且对燃料供给元件和空燃比控制能力的要求相对较低。

d）按理论空燃比工作意味着高的缸内温度，从而导致发动机缸内零件热负荷高影响耐久性。

根据国外稀燃cng发动机空燃比的匹配经验，本发动机在高速高负荷时将空燃比控制在26，在低速低负荷将空燃比控制在理论空燃比17.2. 22开环和闭环毫无疑问，闭环控制比开环控制更精确，稀燃发动机的闭环控制需要比例式氧传感器，此种氧传感器目前在国内还鲜有使用。另外稀燃技术对空燃比的控制没有在理论空燃比下的要求高，空燃比的偏差不会对催化器产生致命影响。从目前所掌握的技术手段和元气件的水平出发本稀燃cng发动机的空燃比控制采用开环控制。

2.3空燃比控制及电控系统电子控制的根本目的是精确控制空燃比。当电子燃气喷射系统（egi）确定了发动机各个工况下气缸中的空气质量后，就可以根据目标空燃比计算出该工况下所需的燃气质量，从而达到控制空燃比的目的。

本增压天然气发动机是通过传统的速度一密-density）系统来确定进入气缸的空气质量。速度一密度系统是基于理想气体状态方程考虑到进气歧管绝对温度（（4t）和进气歧管绝对压力（m4p）与气缸内p、t的关系，一般作如下的近似：1，需要试验标定。）后，气缸中空气质量gm雇终计算如下当知道空气质量后，egi控制系统根据目标空燃比a/-，计算出所需的燃气质量m2.所装音的cng喷嘴采用占空比控制形式，喷嘴开启持续时间（basepulsewidth）决定了cng的多少。当计算出所需的cng质量后，efi控制系统根据存储在电控单元（ecm）中的喷嘴流量数据g），计算出相应的5.显然，与一般的汽油机相比，cng燃料的喷射温度和压力变化较大，喷嘴的背压即增压后空气压力变化也较大，因此必须由cng喷射压力和温度、增压压力对进行修正，增压和cng流量的计算是一个新的课题。

电控系统ecm见）接受8个传感器的信息：节气门位置传感器、水温度传感器、进气歧管温度传感器、进气歧管绝对压力传感器、天然气压力传感器、天然气温度传感器、发动机转速传感器、增压压力传感器。ecm向以下执行器发出指令进行控制和操作：点火系统、喷嘴、怠速控制阀、燃气切断阀、保护报警系统发动机超速等x 2.4起动、怠速、加减速ecm根据转速和节气门位置判断起动、怠速和加减速工况，根据预设的空燃比控制系统增加或减少燃料，其中怠速转速由怠速控制阀进行闭环控制。

3点火系统因为安装在曲轴上的转速信号盘不能判定一缸压缩上止点较多的电控喷射汽油机选择分组点火，分组点火使得发动机每缸每循环进行了两次点火。

对天然气发动机，排气上止点附近的点火不仅浪费了点火能量而且可能导致发动机反喷，因此本发动机选择顺序点火，顺序点火要求增加相位传感器进行判缸。本发动机新设计了点火控制模块和相位传感器将原控制软件的分组点火转化为丨i顺序点火见x对于增压稀燃发动机而言，点火系统的性能是非常重要的。与普通汽油机相比，点火是在很稀的混合气下进行的，并且天然气的燃点较汽油机高，因而要求系统具有高电压和高能量。顺序点火、每缸一个点火线圈、ecu控制线圈充电时间等措施保证了系统的高电压和高能量。本发动机点火线圈输出电压高达3.5万伏，高电压和高能量对点火系统提出了很高的技术要求。

点火提前角的控制方法和标定与一般的汽油机相同。

4cng系统本发动机cng供气系统如所示。cng气瓶内压力达20mpa经过高压电磁阀、高压滤清器至高压减压器，天然气压力减低为600~1035kpa，高压减压器需要发动机冷却水对其进行加热，以防高压气体膨胀吸热结冰。从高压减压器出来的cng进入低压调压器压力稳定在610±17ikpa然后经过喷嘴在混合器与空气混合进入发动机。低压调压器的作用是精确调整cng的压力，避免压力波动太大导致发动机空燃比不能控制。低压调压器减压作用较小不需要强制加热。

eq6102n）发动机cng供气系统混合器经过精心的设计，它将燃料经过周向的一排小孔和径向的一排小孔引入气流中，保证了在各种流量下燃气与空气的良好混合。

cng系统的引入，彻底改变了原柴油机进气系统的结构，因此本cng发动机进气系统的改进设计成为最主要最复杂的工作之一。

5发动机设计5.1燃烧室设计经过对国外同类发动机的研究，选择压缩比为10.561，它达到了发动机效率和避免爆震的安全余量之间的协调。考虑到缸内有较强的进气道形成的涡流因而活塞设计成适当浅形的碗形燃烧室见），期望会达到较快的燃烧速率。火花塞安装在原柴油机喷油器的位置，它不可避免是偏置的。缸盖的鼻梁区被挖成一个最深处的球窝倬侗10mm），这样的设计是为了增加鼻梁区的受热面积提高承受热负荷的能力。

5.2可靠性设计公认由汽油机或柴油机改造为气体燃料发动机后，由于燃料的改变，燃烧后的产物不再有可以润滑气阀和阀座的成份，必然导致阀座的快速磨损因此进排气阀座均选择坚硬的材料重新设计。

点燃式发动机的排气温度不可避免比柴油机高，肯定会超过一般柴油机废气涡轮增压器允许的限值，因此必须选用带有水冷式轴承壳体的废气涡轮增压器。

5.3增加和有重大改动的主要零部件在本发动机的开发过程中，对原型机的某些部分进行了重大改动，并新增加了部分零部牛详见表2. 6标定试验本发动机开发的标定匹配试验主要有以下几部分：起动、怠速、加减速工况标定；氧化型催化转化器的匹配。

性能和排放发动机的主要参数见表3.由于对发动机参数进行了大量的优化工作，任何运行工况的点火提前角和空燃比都作了选定，从而达到了良好的动力性、经济性、排放和稳定性。

表2eq6102ni发动机增加和有重大改动的主要零部件零部件名称改动情况缸盖加工火花塞安装孔镶进排气阀座加工燃烧室球窝活塞燃烧室优化，压缩比10.5：1飞轮增加转速信号盘飞轮壳安装转速传感器增压器选用水冷式轴承壳体的废气涡轮增压器进气盖板安装进气歧管温度传感器、进气歧管绝对压力传感器，与节气门位置传感器连接节流阀体新增加怠速阀新增加混合器安装喷嘴、cng温度和压力传感器。

喷嘴新增加进气管安装增压压力传感器喷嘴模块新增加调压器新增加减压器新增加滤清器新增加火花塞新增加篼压线新增加点火线圈新增加点火模块新增加线束新增加相位器安装于原形机喷油泵处表3eq6102ni发动机性能参数试验指标设计指标额定点功率/kw额定点空燃比最大扭矩/n*m全负荷最低燃气消耗率/gh）8结论电控策略设计是成功的。

（2）eq6102ni天然气发动机的性能、排放达到了预期的设计指标。

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