浅谈天然气发动机 汽车发动机多少钱一台

　　油价的不断攀升，促成了节能、环保、低成本运行的天然气车的发展。各种电控天然气发动机控制系统的工作原理比较相似。本文中，笔者根据自己几年来在天然气发动机领域积累的经验，主要以伍德沃德OH1.2控制系统为例，对比介绍E-controls控制系统和康明斯系统，介绍了电控天然气发动机控制系统的基本构成，对各控制部件进行了比较详尽的说明，对控制原理和常用参数进行了介绍。
　　
　　一、核心零部件及特点
　　
　　现代电控天然气发动机控制系统的核心零部件主要有发动机控制单元(ECM、ECU)、点火控制单元(1CM)、燃气切断阀、燃气减压器、换热器和燃气节温器、燃料计量阀(FMV Fuel Metering Valve)、电控节气门、废气旁通控制阀(WGP Control Valve)等。其应用新技术特点主要有以下几点：
　　1.采用高精度闭环(Closed-Loop)控制系统；
　　2.应用宽域氧传感器(UEGO)；
　　3.稀薄燃烧技术(Lean-Burn Control Strategy)；
　　4.先进的全电子线控技术；
　　5.精确燃油控制；
　　6.OBD系统；
　　7.高能感应点火系统；
　　8.先进电控增压技术；
　　9.节能减排技术；
　　10.先进的保护机制。
　　
　　二、各子系统的功能和工作原理
　　
　　伍德沃德电控天然气发动机控制系统的简要构成如图1所示。
　　
　　
　　1.气流控制系统
　　气流控制系统包括以下四个主要部分：Flo Tech电控节气门、废气旁通控制阀、涡轮增压器再循环阀(某些机型)和踏板开关等。
　　电控节气门是发动机最重要的气流控制装置，ECM会不断测量节气门位置传感器的反馈信号，通过PWM信号来控制节气门，占空比通常在10％到90％之间。占空比超过95％时节气门被设定为自动关闭(避免控制电流过小造成节气门失控全开)。
　　气流控制系统的另一个重要部件是废气旁通控制阀，其控制着涡轮增压器废气旁通控制膜片上的压力。
　　涡轮增压器再循环阀，只有部分发动机装配。当增压压力和进气歧管压力有太大的压差时，这个阀会打开，来减小增压器两端的压力差。
　　OH-1控制系统是一个全权限电控系统，各种信号输入ECM后，ECM会控制电控节气门和废气旁通控制阀。主要的控制信号来自油门踏板回路，其次是互锁等限制发动机功率的信号。
　　油门踏板的参数，直接影响发动机动力性和整车驾驶性能。电控油门踏板至少需要包括一个电位器和一个怠速确认开关(JVS)。有时。油门踏板内会包括两个电位器。康明斯和伍德沃德对于IVS的用法不同，前者采用了两个IVS开关，一个常开，一个常闭，后者只用了一个常开开关。
　　
　　2.气流计量系统
　　控制系统根据传感器信号计算空气流量，进而确定需要供给发动机的燃料量。气体速度和密度是ECM估算的主要根据，通过进气歧管压力(MAP)和进气歧管温度(MAT)传感器，及发动机转速，ECM能够估算进入发动机的空气量。ECM同时能够通过节气门前和涡轮增压器前压力传感器，估算天然气抵偿的空气体积，以及冷却液温度带来的影响。
　　
　　3.发动机速度和正时管理
　　OH-1电控系统将发动机转速信号用于许多控制领域，包括空气流量管理、燃料流量管理、点火控制以及速度控制。该信号关系重大，ECM也需要准确的知道发动机凸轮轴转角位置(如控制每缸点火时刻)。OH-1系统因此至少需要装配一个凸轮轴位置传感器。一些系统同时安装曲轴位置传感器作为备份。
　　
　　4.燃料供给系统
　　燃料供给系统从高压燃气切断阀开始，到燃气计量阀结束。系统组件包括高压燃气切断阀、压力调节器、天然气罐压力传感器、燃料换热器、燃料/冷却液节温器和燃料计量阀。除燃料计量阀安装在发动机上，其他部件都在大梁或车架上安装。
　　高压切断阀是一个先导阀，在主阀开启前可以保证阀的下游压力与上游压力接近。燃料压力调节器主要用来降低气瓶压力。为保护低压管路和零部件，减压阀中还安装有过流保护装置(PRD)。燃料换热器用于加热燃气。防止低压切断阀、燃料喷嘴冻坏和燃气中的水分结冰冻住喷嘴。节温器根据气体的温度，调节流过换热器的冷却液的量，来控制气体温度。节温器控制气体温度达到喷嘴的技术要求。同时控制燃气密度最大限度地满足燃料计量阀的控制要求。燃气在换热器内是没有流向要求的，但是冷却液有流向要求，需要在安装和更换节温器时，注意冷却液的流向标识。
　　
　　5.燃气量调节
　　燃气系统一般装配燃料喷嘴和计量阀，燃料进入相连的燃料切断阀，再经过温度和压力传感器，最后通过喷嘴喷出。可以有单点喷射和多点喷射两种结构。
　　
　　6.空燃比测量子系统
　　精确的测量发动机空燃比对准确控制发动机有重要意义。该系统主要由以下部件组成：宽域氧传感器、排气背压传感器或者大气压力传感器，某些应用中还采用了湿度传感器。
　　氧传感器非常重要，OH1.2电控系统对氧传感器故障设置的自检代码也多。这些检查能够覆盖传感器和接线失效的所有状况。湿度在空燃比测量中也有很大作用。低湿度时，燃气更“浓”，而高湿度时，燃气更“稀”；需要发动机达到更高的排放要求时，湿度传感器能提供有效的帮助。
　　
　　7.发动机速度控制
　　基本的电控系统速度控制称为最大/最小速度控制。OH-1系统的ECM控制了最小转速(发动机怠速转速)和最大(额定转速)。当发动机转速低于设定的怠速转速时，ECM会参与怠速转速控制。提高转速；当发动机转速高于额定转速时，ECM会限定最大转速。在最大和最小转速之间，则速度受油门踏板控制。怠速转速控制是一个简单的比例积分控制模式。所需的怠速转速可以通过怠速开关、启动时间以及冷却液温度来确定。
　　
　　8.点火控制系统
　　OH-1控制系统采用了一个全晶体管控制电子感应点火系统。点火控制系统包括ECM、ICU、点火线圈以及火花塞。
　　OH1的ICU通常安装在发动机温度较低的一侧。通过特殊的线束将ICU的电能供给高压线圈。每个火花塞对应一个高压线圈，线圈输出端通过一个小小的“电靴”直接与火花塞相连，避免了高压线引起的各种故障。线圈的初级电流能够达到6.5A，充能过程时给线圈充电，而充能过程结束时产生火花。从开始通电到产生火花的时间称为激励时间，对点火时刻有重要影响。发动机ECM会根据凸轮轴信号确定曲轴转角来决定点火时刻。
　　使用电控天然气发动机，需要对燃气品质、发动机标定、发动机温度、各系统工况等都足够重视，在发动机的 使用过程中，需要注意系统的清洁、保养，根据使用地环境，确定保养维护计划，并充分利用发动机的故障诊断功能，及时修复故障。
　　
　　三、其它电控天然气发动机控制系统的特点
　　
　　美国Econtrol公司和康明斯燃气发动机的控制系统，与伍德沃德天然气发动机控制系统相比，也采用了稀薄燃烧、高能点火、电控涡轮增压器废气旁通控制等技术。但Econtrol与康明斯发动机也有自身的特点。
　　
　　1.Econtrol系统的特点
　　(1)Econtrol系统的废气旁通控制阀采用整车气源，压力为3bar(1bar=102Pa)左右，为防止涡轮增压器喘振损坏，需要安装两个“防喘振阀”。
　　(2)发动机位置传感器，安装在原柴油机的喷油泵正时齿轮位置，未安装凸轮轴或者曲轴位置传感器。因为所有转速和位置信号都通过该传感器获取，所以该传感器非常重要。
　　(3)Econtrol系统的燃料供给系统采用-一级高压减压阀加电控调压器的结构，电控调压器的燃气出口压力为2～3bar，同时该系统未单独设置节温器和燃气换热器，高压减压器上接有冷却液管路，起加热燃气的作用。
　　(4)该系统采用电控调压器与混合器相连，通过混合器完成混合汽生成，因混合器是纯机械部件，因此不会有燃气喷嘴堵塞等故障。
　　(5)Econtrol系统没有独立的ICM。点火驱动模块也包含在了发动机ECU中，ECU直接控制点火线圈的回路，对点火线圈有更高的要求。
　　(6)Econtrol系统的减压阀、混合器等部件中都有膜片零件，有一定的使用寿命，需要定期检查和更换。
　　
　　2.康明斯电控天然气发动机系统的特点
　　康明斯电控天然气发动机在很多系统上采用了伍德沃德系统的部件，如电控节气门等。其独有特点如下：
　　(1)与康明斯诊断系统保持兼容。Insite服务软件在电控天然气发动机上能够有效运行。
　　(2)康明斯燃气发动机的某些机型采用了拉索控制的机械节气门满足低端市场需要。
　　(3)康明斯燃气发动机燃料供应采用高压减压阀和低压减压阀两级减压结构，高压减压阀由客户匹配，低压减压阀可根据燃料的不同，为天然气、液化石油气等选配不同类型的阀芯。燃气量的控制由控制阀决定，位于混合器之前，二级减压阀之后。增压压力同样通过电控废气旁通控制阀控制，同时安装了背压传感器、环境压力、温度传感器等。
　　(4)康明斯燃气发动机点火系统也安装了ICM。ECM主要通过监控第三缸的状态判断点火有效性，如果第三缸点火线圈回路出现问题，则ICM会切断对所有线圈的输出。
　　(5)康明斯燃气发动机的某些机型安装了流量传感器，能够精确测定气体流量，同时提供PTO(动力输出)、电控风扇等高级功能。