CN206111336U - 一种天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机，包括发动机，发动机包括气缸、进气系统、排气系统、燃料供给系统、点火系统以及电子控制单元；进气系统和排气系统可以是自然吸气方式，也可以在进气总管和排气总管上设置废气涡轮增压器，燃料供给系统包括燃气喷射器，燃气喷射器安装在气缸盖上或者进气总管上，在发动机上加装有汽油喷射系统，发动机既可以燃烧天然气也可以燃烧汽油；汽油通过汽油喷射器喷入进气道，或直接喷入气缸内；电子控制单元既控制天然气喷射，也控制汽油喷射。本实用新型除了提高燃用天然气时的动力性能、降低有害排放外，还能延长汽车每次加注燃料后的行驶里程。

Description

一种天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机

技术领域

本实用新型属于发动机技术领域，特别涉及一种天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机。

背景技术

目前汽车燃用天然气的一种方法是汽油-天然气两用燃料技术。该技术可以使汽车发动机具备同时燃用汽油和天然气的能力，即汽车上载有天然气和汽油两个燃料供应系统，汽车用同一个发动机可以选择性地燃用汽油或者天然气，发动机工作时只用一种燃料，即是汽油或者是天然气。在这种情况下，天然气从进气道（管）进入气缸，由于天然气占据气缸容积，使得进入气缸的新鲜空气量减少，在使用天然气时发动机充量系数明显降低，导致发动机输出扭矩和功率比燃用汽油时下降15%~20%。

另外，汽油-天然气两用燃料发动机的各个系统和零部件都按汽油的物理化学特性设计、优化、匹配，发动机的关键设计参数如压缩比、配气定时等对天然气不是最佳，天然气抗爆性好的优势不能充分发挥，导致发动机燃用天然气时更优的热效率（燃料消耗率）潜力不能充分发挥。

现有的两用燃料发动机是在汽油机的基础上，对原机不作大的改动，保留原有燃油供给系统，只是另外添加一套气体燃料供给系统。如果气体燃料短缺时，可以通过转换开关回到用汽油工作。

目前市场上常见的汽油-天然气两用燃料汽车，大多是同排量的汽油车在后市场上改装的，还有一部分是原厂生产的。汽车发动机的所有系统和设计参数都是针对汽油优化的，只是另外加了一套天然气供给系统。在燃烧汽油时具有最佳的性能，而在燃烧天然气时，性能没有达到最佳，只是能够工作运行。所以这种汽车在使用天然气时，动力性能下降，经济行不佳，排放指标没有明显改善。

另一方面，请参照图1所示，汽油机上装有一个汽油电子控制单元（ECU），根据对输入的各种信号的分析，控制每一个工作循环喷入的汽油量和最佳的点火时间，同时需要ECU控制怠速的稳定性。在汽油喷射时，ECU会接受到汽油正常喷射的信号，从而保持正常的工作状态。改为两用燃料发动机后，发动机采用天然气工作时，需要另外加装一个控制天然气喷射和点火的ECU，该ECU在控制天然气喷射时，每一个工作循环的喷气量是由该工况下的喷油量转换而来，而点火控制还是由汽油ECU来完成。因此，为了保证发动机的正常运转，汽油ECU必须保持正常的工作状态，对点火信号按负荷和转速变化的三维MAP图进行控制，以保证天然气与空气的混合气被正常点燃。天然气ECU电控单元同时还利用原车燃油怠速控制系统维持燃用CNG时的怠速稳定性。为了防止两用燃料发动机使用天然气时同时使用汽油，正常的汽油喷射信号需要被切断，在这种情况下，汽油ECU将判断为汽油的喷射停止，系统将处于非正常工作状态，ECU将输出非正常工作模式的控制指令。为了避免在使用天然气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，给汽油ECU输入模拟的汽油喷射信号，该信号由模拟器产生电喷车上一般采用闭环系统控制汽油的工作过程，相应的天然气控制系统也应采用闭环控制。在正常的情况下，天然气控制系统与汽油控制系统共用氧传感器。发动机在使用天然气时的控制过程与使用汽油时是有所差别的。在使用天然气时，氧传感器信号直接输入天然气控制系统。对于汽油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，并将在内部记录故障，从而影响燃油ECU的正常工作，特别在使用汽油时，将严重影响汽油的工作过程。因此，两用燃料车普遍存在OBD（行车）报警（故障灯亮）问题，报警后车辆会发生怠速抖动，滑行熄火，喘震等故障，天然气单一燃料汽车无此故障。

采用天然气单一燃料的发动机（通常用作汽车动力），所有的系统和零部件都针对天然气的物理和化学特性设计、优化、匹配，在燃用天然气或者其它以甲烷为主要成分的气体燃料（例如：煤层气、页岩气和碳氢水合物气体等）时能够大幅度提高天然气发动机的动力性能和热效率，更加有效地利用天然气和其他甲烷气体资源。但这种发动机在汽车上使用时客户通常担心该天然气汽车的行驶里程不够长；按目前的天然气（CNG）储气罐设计（50L~80L），每次加气后汽车行驶里程约为120 km ~200km，低于使用汽油机汽车的正常行驶里程。

综上所述，现有技术存在进一步改进的必要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机，发动机上配备有一套天然气供给系统，在汽车正常运行时燃用天然气，实现天然气的高效低污染燃烧，大幅度提高天然气汽车的动力性能和经济性能、降低有害排放。本实用新型的发动机上也配备有一套汽油供给系统（包括不大于15L的汽油油箱），在发动机低温冷启动、天然气系统出现故障或车载天然气耗尽时，电子控制单元自动切换到使用汽油状态。因此，使用本实用新型发动机的天然气汽车每次加注燃料后的行驶里程可以增加约一倍，基本接近常规汽油机的水平。同时，为保证安全性，本实用新型天然气发动机在使用汽油时，电子控制单元（ECU）根据设置的控制逻辑，控制发动机的转矩和转速，从而限制汽车车速在安全范围内。天然气和汽油两种燃料的喷射由同一个电子控制单元控制，避免出现普通两用燃料汽车普遍存在OBD报警问题。

本实用新型发动机的所有系统和零部件都根据天然气的物理化学特性设计、优化、匹配，在使用天然气燃料是具有最佳的动力性能、经济性能和排放指标，适用于国标《GB18352.5-2013》定义的天然气单燃料汽车。本实用新型发动机使用一个ECU控制天然气或汽油喷射，并实现自动转换；天然气喷射采用8bar的高压喷射，是国内外目前最先进的天然气喷射系统。使用本实用新型发动机的天然气单一燃料汽车可以满足国V排放标准和第四阶段油耗标准，还可以大大延长每次燃料加注后的汽车行驶里程。

本实用新型是这样实现的，提供一种天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机，包括发动机，所述发动机包括气缸、气缸盖、活塞、曲柄连杆机构、进气系统、排气系统、燃料供给系统、点火系统、润滑系统、冷却系统、启动系统和电控系统；

所述进气系统包括进气总管和进气歧管，所述排气系统包括排气总管和排气歧管，所述进气系统和排气系统可以是自然吸气方式，也可以在进气总管和排气总管上设置废气涡轮增压器，所述废气涡轮增压器由涡轮机和压气机组成，所述涡轮机与排气总管相连接，所述压气机与进气总管相连接，所述排气总管上还设有氧传感器，所述进气系统还包括气瓶、空气滤清器以及进气门；

在所述排气总管上还设有三效催化器和消音器，在所述三效催化器的前后排气总管上均设有氧传感器，所述氧传感器通过电路与所述电子控制单元相连；在所述进气系统和排气系统在安装有废气涡轮增压器的条件下，在所述进气总管上装有中冷器；

所述的发动机主要使用天然气燃料，所述燃料供给系统包括天然气储气罐（气瓶）、减压阀、滤清器、气轨、燃气压力传感器、燃气管路、燃气喷射器，所述燃气喷射器安装在气缸盖上或者进气总管上，天然气通过所述燃气喷射器喷入进气道；

在所述发动机上加装有汽油喷射系统，所述发动机既可以燃烧天然气也可以燃烧汽油；

所述汽油喷射系统包括汽油喷射器、汽油油箱、汽油泵、汽油滤清器、汽油油轨、汽油管路以及汽油压力传感器；

所述汽油喷射器安装在气缸盖上或者进气总管上，每个气缸一个；汽油通过所述汽油喷射器喷入进气道，或直接喷入气缸内；

所述发动机的电控系统包括一电子控制单元（ECU），所述电子控制单元既控制天然气喷射，也控制汽油喷射。

进一步地，在所述进气系统和排气系统在安装有废气涡轮增压器的条件下，进排气门重叠角小于30°，所述排气系统的排气总管上还设有与所述涡轮机相连的废气旁通阀。

进一步地，在所述气缸盖上设有火花塞，每个气缸安装一个火花塞。

进一步地，所述天然气是其它以甲烷为主要成分的气体，包括煤层气、页岩气和碳氢水合物气体。

进一步地，所述天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机的最高工作转速在4000转/分钟～8000转/分钟，发动机的每缸排量小于或者等于0.6升。

与现有技术相比，本实用新型的天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机，发动机所有的系统和零部件都针对天然气的物理和化学特性设计、优化、匹配，除了能燃用天然气外，还能在一定条件和工况下燃用汽油。能够充分发挥天然气燃料的优势，明显改善了发动机在使用天然气燃料时的动力性能和经济性能，降低了有害排放。在同一个电子控制单元（ECU）的控制之下，实现天然气和汽油燃料的自动切换，避免出现普通两用燃料汽车普遍存在OBD报警问题；天然气的高压喷射，提高了控制精度和响应速度。本实用新型发动机除了明显提高燃用天然气时的动力性能和经济性能、降低有害排放外，还能大大延长汽车每次加注燃料后的行驶里程。

附图说明

图1为现有技术的两用燃料发动机的控制系统原理框图；

图2为本实用新型的自然吸气天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机的汽油喷射器安装在进气总管上的结构示意图；

图3为本实用新型的废气涡轮增压器增压天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机的汽油喷射器安装在进气总管上的结构示意图；

图4为本实用新型的自然吸气天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机的汽油喷射器安装在气缸盖上的结构示意图；

图5为本实用新型的废气涡轮增压器增压天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机的汽油喷射器安装在气缸盖上的结构示意图；

图6为本实用新型的废气涡轮增压器增压天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机与现有技术的两用燃料发动机的比油耗对比试验结果；

图7为本实用新型的废气涡轮增压器增压天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机与现有技术的两用燃料发动机的有效转矩对比试验结果；

图8为本实用新型的废气涡轮增压器增压天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机与现有技术的两用燃料发动机的有效功率对比试验结果；

图9为本实用新型的废气涡轮增压天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机使用天然气和汽油时的转矩对比试验结果；

图10为本实用新型的废气涡轮增压天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机使用天然气和汽油时的功率对比试验结果；

图11为本实用新型的废气涡轮增压天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机使用天然气和汽油时的比油耗对比试验结果。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请同时参照图2至图5所示，本实用新型天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机的较佳实施例，包括发动机，所述发动机包括气缸、气缸盖9、活塞、曲柄连杆机构、进气系统、排气系统、燃料供给系统、点火系统、润滑系统、冷却系统、启动系统和电控系统。

本实用新型发动机匹配汽车后该汽车主要使用天然气运行，只有在车载天然气耗尽、车载天然气供气系统出现故障、低温启动（-18℃以下）时才使用汽油。根据国标《GB18352.5-2013》，匹配这种发动机的汽车只能配备容量不大于15L的汽油箱，可以按天然气单一燃料汽车上工信部公告。因此，这种发动机尽管能够以天然气和汽油两种燃料运行，但也称为天然气单一燃料发动机。

所述进气系统包括进气总管5和进气歧管，所述排气系统包括排气总管11和排气歧管，所述进气系统和排气系统可以是自然吸气方式，也可以在进气总管5和排气总管11上设置废气涡轮增压器2。所述废气涡轮增压器2由涡轮机2b和压气机2a组成，所述涡轮机2b与排气总管11相连接，所述压气机2a与进气总管5相连接。所述排气总管11上还设有氧传感器14，所述进气系统还包括气瓶、空气滤清器1以及进气门4。进气门4用于调节发动机的进气量从而调节发动机的负荷。

所述燃料供给系统包括天然气储气罐（气瓶）、减压阀、滤清器、气轨、燃气压力传感器、燃气管路、燃气喷射器8等，所述燃气喷射器8安装在气缸盖9上或者进气总管5上，天然气通过所述燃气喷射器8喷入进气道。由于在所述发动机上加装有汽油喷射系统，所述发动机既可以燃烧天然气也可以燃烧汽油。

所述汽油喷射系统包括汽油喷射器17、汽油油箱（对于天然气单一燃料汽车不大于15L）、汽油泵、汽油滤清器、汽油油轨18、汽油调压器19、汽油管路以及汽油压力传感器。所述汽油喷射器17安装在气缸盖9上或者进气总管5上，每个气缸一个。汽油通过所述汽油喷射器17喷入进气道，或直接喷入气缸内。本实用新型的天然气单一燃料发动机使用汽油时，整个工作过程和燃用天然气时类似，除了燃料变化外，其他的系统和零部件都不作变动。

所述发动机的电控系统包括一电子控制单元（ECU）15，所述电子控制单元15既控制天然气喷射，也控制汽油喷射。天然气是本实用新型发动机的主要燃料，汽油只是辅助燃料或补充燃料。

所述电子控制单元在以下情形下实现天然气和汽油的自动切换：

（1）燃气低温启动时自动切换：在环境温度低于-18℃时，在启动阶段该系统会使用汽油启动，启动后根据冷却液温度的标定量A来判断什么时候自动切换为燃气工作状态；当冷却液温度升高到高于标定量A时系统进行自动切换；

（2）故障状态时自动切换：当系统诊断到电磁阀或者燃气喷嘴等出现故障时会启动切换到汽油状态；

（3）气瓶压力低时自动切换：当气瓶压力低于标定量B时，系统会自动切换到汽油状态；

其中，所述冷却液温度的标定量A的范围为：0摄氏度~70摄氏度，所述气瓶压力的标定量B的范围为：10Bar~50Bar。

在所述进气系统和排气系统在安装有废气涡轮增压器2的条件下，进排气门重叠角小于30°。在所述进气总管5上装有中冷器3，所述排气系统的排气总管11上还设有与所述涡轮机2b相连的废气旁通阀12。

所述燃料供给系统还包括调压阀6、气轨7。在所述排气总管11上还设有三效催化器13和消音器16，在所述三效催化器13的前后排气总管11上均设有氧传感器14，所述氧传感器14通过电路与所述电子控制单元15相连。

在所述气缸盖9上设有火花塞10，每个气缸安装一个火花塞10。所述天然气是其它以甲烷为主要成分的气体，包括煤层气、页岩气和碳氢水合物气体。所述天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机的最高工作转速在4000转/分钟～8000转/分钟，发动机的每缸排量小于或者等于0.6升。

请同时参见图6至图10，本实施例与现有技术进行对比试验的试验结果。首先申明如下，本实施例中本实用新型的天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机采用带中冷器3的增压天然气发动机，现有技术的1.2L汽油-天然气两用燃料发动机为现有市场上能够买到的发动机，性能数据为所有能购买到的现有技术发动机所测得的数据的算术平均值。

M1、现有技术1.2L两用燃料天然气发动机（CNG）和本实用新型的增压天然气发动机（CNG-增压）的对比试验。

M1.1、有效比油耗对比试验

现有技术1.2L两用燃料天然气发动机（CNG）和本实用新型增压天然气发动机（CNG-增压）有效比油耗对比试验如图5所示。从图5中可看出，本实用新型的增压天然气发动机有效油耗比更低，可以有效的降低汽车的使用成本。

M1.2、有效扭矩对比试验

现有技术1.2L两用燃料天然气发动机（CNG）和本实用新型增压天然气发动机（CNG-增压）有效扭矩对比试验如图6所示。

同时结合图5和图6可看出，本实用新型增压天然气发动机在有效比油耗比现有技术的两用燃料天然气发动机要低的同时，不同转速下的发动机的有效扭矩，均大大高于现有技术的两用燃料天然气发动机。因而，本实用新型提供的增压天然气发动机具有更佳的动力性能。

M1.3、有效功率对比试验

现有技术1.2L两用燃料天然气发动机（CNG）和本实用新型增压天然气发动机（CNG-增压）有效功率对比试验结果如图7所示。

同时结合图5、图6和图7可看出，本实用新型增压天然气发动机在有效比油耗比现有技术的两用燃料天然气发动机要低的同时，不同转速下的发动机的有效扭矩、有效功率均高于现有技术的两用燃料天然气发动机。

M2、利用本实用新型技术设计生产制造的1.5T（废气涡轮增压中冷）发动机在分别使用天然气和汽油时外特性对比，其中，转矩对比见图8，功率对比见图9，比油耗比较见图10。

废气涡轮增压天然气发动机的压缩比要比同类型的汽油机高，在使用汽油时，由于汽油的抗爆性能不如天然气，在不同转速下控制发动机的最大转矩和最大功率输出，避免发生爆震、损坏发动机。因此，同一台发动机在使用汽油时的动力性能不如使用天然气时的，而且比油耗也比较高。

由图8、图9和图10显示，本实用新型的发动机能以天然气和汽油安全工作，除了能明显提高天然气发动机的动力和经济性能、降低有害排放外，还可以用汽油正常工作，大大延长使用本实用新型发动机的汽车每次加注燃料后的行驶里程。

在某些工况下，部分排气将不通过涡轮机2b，而是通过废气旁通阀12直接进入三元催化器13。在三元催化器13里排气中的有害气体一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物（HC）等经过化学反应转换成了二氧化碳（CO2）和氮气（N2）等无害气体。为了保证三元催化器13在较高的转换效率下工作，混合气要尽可能地在化学当量的混合比下（过量空气系数为1.0）燃烧。安装在排气总管11上的氧传感器14将检测排气中的氧气含量并反馈给电子控制单元15，电子控制单元15将据此调整天然气喷气量以保证要求的混合气空燃比。排气最后经过消音器16排出到环境大气中。

较佳地，发动机燃用天然气，也可以燃用其它以甲烷为主要成分的气体，包括煤层气、页岩气和碳氢水合物气体等。天然气发动机的最高工作转速在4000～8000 转/分钟，发动机的每缸排量（工作容积）小于或者等于0.6升。天然气发动机配备有汽油供给系统，使用本实用新型天然气发动机的汽车可以自带不大于15L的油箱，能以天然气单燃料汽车的名称登录国家汽车新产品目录。

综上所述，在本实用新型中，天然气燃料和汽油燃料都采用同一ECU控制，并分别进行标定，汽油为备用燃料，仅用于起动和燃气耗尽、燃料供给系统出现故障等紧急情况，续航里程增加不少于100公里。汽油燃料化学当量燃烧，采用三元催化后处理，有效控制氮氧化物排放量，满足国五排放法规。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机，包括发动机，所述发动机包括气缸、气缸盖、活塞、曲柄连杆机构、进气系统、排气系统、燃料供给系统、点火系统、润滑系统、冷却系统、启动系统和电控系统；

所述进气系统包括进气总管和进气歧管，所述排气系统包括排气总管和排气歧管，所述进气系统和排气系统可以是自然吸气方式，也可以在进气总管和排气总管上设置废气涡轮增压器，所述废气涡轮增压器由涡轮机和压气机组成，所述涡轮机与排气总管相连接，所述压气机与进气总管相连接，所述排气管上还设有氧传感器，所述进气系统还包括气瓶、空气滤清器和进气门；其特征在于，

在所述排气总管上还设有三效催化器和消音器，在所述三效催化器的前后排气总管上均设有氧传感器，所述氧传感器通过电路与所述电子控制单元相连；在所述进气系统和排气系统在安装有废气涡轮增压器的条件下，在所述进气总管上装有中冷器；

所述的发动机主要使用天然气燃料，所述燃料供给系统包括天然气储气罐（气瓶）、减压阀、滤清器、气轨、燃气压力传感器、燃气管路、燃气喷射器，所述燃气喷射器安装在气缸盖上或者进气总管上，每个气缸一个；天然气通过所述燃气喷射器喷入进气道；

在所述发动机上加装有汽油喷射系统，所述发动机既可以燃烧天然气也可以燃烧汽油；

所述汽油喷射系统包括汽油喷射器、汽油油箱、汽油泵、汽油滤清器、汽油油轨、汽油管路以及汽油压力传感器；

所述汽油喷射器安装在气缸盖上或者进气总管上，每个气缸一个；汽油通过所述汽油喷射器喷入进气道，或直接喷入气缸内；

所述发动机的电控系统包括一个电子控制单元（ECU），所述电子控制单元既控制天然气喷射，也控制汽油喷射。

2.如权利要求1所述的天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机，其特征在于，在所述进气系统和排气系统在安装有废气涡轮增压器的条件下，进排气门重叠角小于30°，所述排气系统的排气总管上还设有与所述涡轮机相连的废气旁通阀。

3.如权利要求1所述的天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机，其特征在于，在所述气缸盖上设有火花塞，每个气缸安装一个火花塞。

4.如权利要求1所述的天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机，其特征在于，所述天然气是其它以甲烷为主要成分的气体，包括煤层气、页岩气和碳氢水合物气体。

5.如权利要求1所述的天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机，其特征在于，所述天然气单一燃料汽车的两用燃料发动机的最高工作转速在4000转/分钟～8000转/分钟，发动机的每缸排量小于或者等于0.6升。