天然气发动机故障分析与诊断--------4.张颂颂-毕业设计正文部分-105304140.doc
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苏州市职业大学机电工程学院毕业设计说明书（论文）
目录
1引言 2
2天然气汽车发动机概述 4
2.1天然气发动机简介及分类 4
2.2天然气发动机特点 4
3天然气发动机的组成及工作原理 6
3.1天然气发动机的组成 6
3.2天然气发动机的工作原理 10
4天然气发动机的常见故障分析与诊断 11
4.1点火传动装置（凸轮轴和曲轴传感器） 11
4.2高压电磁阀 13
4.3低压燃料切断阀 14
4.4电控调压器 14
4.5高压减压器 16
4.6混合器故障 18
4.7电子节气门故障 18
4.8点火线圈故障 19
4.9火花塞故障 20
4.10废气旁通控制阀 20
4.11氧浓度传感器 21
4.12油门位置传感器 22
4.13水温传感器 23
4.14节气门前压力传感器 24
4.15增压压力及温度传感器 24
4.16环境传感器 25
4.17控制器ECM失效判别准则 26
5天然气发动机实车故障案例 29
5.1宇通4GLNG高速游车，动力不足 29
5.24G气体机无力故障 31
5.3富蕴6M气体机无力故障 33
5.4富蕴6M气体机抖动、无力、回火故障 34
总结 36
致谢 37
参考文献：
38
附录A 39
表1故障码汇总表 40
1引言
《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》已于2009年7月1日正式实施，《规则》强调：
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。
新能源汽车包括混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。
其废气排放量比较低。
据不完全统计，全世界现有超过400万辆液化石油气汽车，100多万辆天然气汽车。
中国市场上在售的新能源汽车都是混合动力汽车。
中国新能源汽车产业始于21世纪初。
2001年，新能源汽车研究项目被列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以汽油车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。
“十一五”以来，我国提出“节能和新能源汽车”战略，政府高度关注新能源汽车的研发和产业化。
形成了完整的新能源汽车研发、示范布局。
2008年，新能源汽车在国内已呈全面出击之势，成为我国“新能源汽车元年”。
2008年1-12月新能源汽车的销量增长主要是乘用车的增长，1~12月新能源乘用车销售899台，同比增长117%，而商用车的新能源车共销售1536台，1~12月同比下滑17%。
2009年，在密集的扶持政策出台背景下，我国新能源汽车驶入快速发展轨道。
2009年1~11月，新能源乘用车销量同比下降61.96%，至310辆。
2009年1~11月，新能源商用车——主要是液化石油气客车、液化天然气客车、混合动力客车等——销量同比增长178.98%，至4034辆。
相比在乘用车市场的冷遇，“新能源汽车”在中国商用车市场已开始迅猛增长。
2010年，我国正加大对新能源汽车的扶持力度，2010年6月1日起，国家在上海、长春、深圳、杭州、合肥等5个城市启动私人购买新能源汽车补贴试点工作。
2010年7月，国家将十城千辆节能与新能源汽车示范推广试点城市由20个增至25个。
选择5个城市进行对私人购买节能与新能源汽车给予补贴试点。
新能源汽车正进入全面政策扶持阶段。
在能源和环保的压力下，新能源汽车无疑将成为未来汽车的发展方向。
“十二五”期间，我国新能源汽车将正式迈入产业化发展阶段：
2011~2015年开始进入产业化阶段，在全社会推广新能源城市客车、混合动力轿车、小型电动车。
“十三五”期间即2016~2020年，我国将进一步普及新能源汽车、多能源混合动力车，插电式电动轿车，氢燃料电池轿车将逐步进入普通家庭。
2012年5月，为加快培育发展新能源汽车，新能源汽车项目每年将获10-20亿元资金支持。
2012年4月18日国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议,研究部署政府信息公开重点工作，讨论通过《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》，会议指出，加快培育和发展节能与新能源汽车产业，对于缓解能源和环境压力，推动汽车产业转型升级，培育新的经济增长点，具有重要意义。
要以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向争取到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量达到50万辆，到2020年超过500万辆；2015年当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至每百公里6.9升，到2020年降至5.0升；新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平。
我国天然气汽车的研究始于1961年，随着技术的发展与进步，我国有部分城市开始建立天然气汽车接收站并建立充气站。
广东成为国内首个LNG汽车接收站。
现在我国天然气汽车已遍布过过各地，广东、福建、江苏、河南、新疆、上海、宁波等等，尤其贵阳市已成为世界上LNG公交车最多的城市。
据了解我国天然气汽车保有量已超过50万辆，今后，按规划将在苏州、无锡、常州、南通等市建设多个加气站，形成加气网络。
预计，三年内苏锡常通四市LNG客车有望达到1500辆。
新型汽车的发展使得天然气汽车开始走进我们的生活，并日新月异。
可以说天然气汽车已经跃进市场并大步前进。
由于天然气汽车进入使用阶段历史不久，它很容易出现故障。
而这些故障与原来汽车的故障有所不同，相关方面的资料也不健全，这导致了我们平常使用和维修的不方便。
为了方便人们的使用与维修，本文特针对这一问题展开了初步研究。
希望能够为大家提供一些方便。
2天然气汽车发动机概述
2.1天然气发动机简介及分类
（1）天然气发动机简介
天然气汽车是以天然气为燃料的一种气体燃料汽车。
天然气的甲烷含量一般在90%以上，是一种很好的汽车发动机燃料。
目前，天然气被世界公认为是最为现实和技术上比较成熟的车用汽油、柴油的代用燃料，天然气汽车已得到了推广应用。
（2）天然气发动机分类
天然气发动机最关键技术时气体燃料供给，在发展和应用气体燃料发动机的过程中燃料主要分为三类：
①CNG（CompressedNaturalGas）—压缩天然气，主要成分为甲烷；
②LNG（LiquefiedNaturalGas）—液化天然气，主要成分为甲烷，本质上和CNG没有差别，只是在液化过程中去除了石油和杂质，纯度更高，各组成含量有点差别而已；
③LPG（LiquefiedPetroleumGas）—液化石油气，主要成分为丙烷和丁烷。
目前推广应用的是压缩天然气或液化天然气，这种压缩天然气或液化天然气燃料汽车，又称CNG或LNG汽车。
车用压缩天然气的压力一般在20MPa左右。
可将天然气，经过脱水、脱硫净化处理后，经多级加压制得。
其使用时的状态为气体。
2.2天然气发动机特点
（1）天然气汽车是清洁燃料汽车。
天然气汽车的排放污染大大低于以汽车为燃料的汽车，尾气中不含硫化物和铅，一氧化碳降低80%，碳氢化合物降低60%，氮氧化合物降低70%。
因此，许多国家已将发展天然气汽车作为一种减轻大气污染的重要手段。
（2）天然气汽车有显著的经济效益。
①可降低汽车营运成本。
目前天然气的价格比汽油和柴油低得多，燃料费用一般节省50%左右，使营运成本大幅降低。
由于油气差价的存在，改车费用可在一年之内收回。
②可节省维修费用。
发动机使用天然气做燃料，运行平稳、噪音低、不积炭，能延长发动机使用寿命，不需经常更换机油和火花塞，可节约50%以上的维修费用。
（3）比汽油汽车更安全
首先与汽油相比，压缩天然气本身就是比较安全的燃料。
这表现在：
①燃点高。
天然气燃点在650℃以上，比汽油燃点（427℃）高出223℃，所以与汽油相比不易点燃。
②密度低。
与空气的相对密度为0.48，泄漏气体很快在空气中散发，很难形成遇火燃烧的浓度。
③辛烷值高。
可达130，比目前最好的96号汽油辛烷值高得多，抗爆性能好。
④爆炸极限窄。
仅5~15%，在自然环境下，形成这一条件十分困难。
⑤释放过程是一个吸热过程。
当压缩天然气从容器或管路中泄出时，泄孔周围会迅速形成一个低温区，使天然气燃烧困难。
其次，压缩天然气汽车所用的配件比汽油车要求更高。
表现在：
①国家颁布有严格的天然气汽车技术标准。
从加气站设计、储气瓶生产、整车部件制造到安装调试等，每个环节都形成了严格的技术标准。
②设计上考虑了严密的安全保障措施。
对高压系统使用的零部件，安全系数均选用1.5~4以上，在减压调节器、储气瓶上安装有安全阀，控制系统中，安装有紧急断气装置。
3天然气发动机的组成及工作原理
3.1天然气发动机的组成
（1）燃料供给系统：
本系统取消了原柴油机燃油喷射系统相关的零部件，增加了高压电磁阀、高压减压器、低压电磁阀、电控调压器、混合器、高压滤清器和低压滤清器等控制天然气喷射量和喷射时间的相关零部件（如图3.1-1）。
图3.1-1CNG气路实物连接图
（2）点火系统：
柴油机是压燃式发动机，而CNG发动机由于受燃料特性限制（抗爆振性能），采用的是与汽油机一样的点火式燃烧方式。
在取消了喷油器后，将原缸盖上的喷油器孔改为了火花塞孔；在取消了油泵后，在原油泵安装位置装上了一个点火传动装置，通过凸轮轴位置传感器获得发动机的点火正时信号；增加了电控模块、点火线圈及火花塞等零件组成的点火系统。
（3）控制系统：
YC6G、6J、4GCNG发动机是一种电控发动机，与原机械式柴油机相比，各工况点的空燃比、点火提前角、增压压力都实现了更精确的控制，为满足这些控制要求，增加了相应的天然气温度、天然气压力、发动机冷却水温度、进气空气压力及温度、环境压力、湿度及温度、点火正时以及氧浓度等传感器。
（4）压缩比：
压缩比的选取与燃料的抗爆震性能密切相关，抗爆震性能是用燃料的辛烷值来衡量，辛烷值越高抗爆震性能越好，常用的几种燃料按抗爆震性能高低排序依次为：
柴油、CNG（甲烷）、丙烷、丁烷（LPG是丙烷和丁烷的混合物）和汽油。
根据这种燃料特性，一般CNG发动机压缩比比LPG发动机高但比柴油机低，而LPG发动机的压缩比又可以比汽油机略高。
YC6G、6J、4GCNG发动机的压缩比为11。
（5）空燃比控制：
CNG燃烧方式与柴油不同，CNG发动机可通过氧传感器测量尾气中氧浓度，从而推算出混合气空燃比。
发动机控制系统通过氧传感器的反馈信号，不断修正天然气的喷射量，实现全工况闭环控制，精确控制空燃比，使天然气在缸内燃烧最优化。
（6）增压控制：
增压中冷能大大提高发动机的动力性能。
玉柴YC6G、6J、4G系列CNG发动机使用先进的高速电磁阀（300Hz）技术控制增压压力，保证发动机具有良好的扭矩曲线及良好的瞬态性能（如图3.1-2）。
图3.1-2天然气发动机增压压力控制系统原理图
（7）其他部件特点
凸轮轴：
优化了凸轮型线，进、排气门的重叠角减小；
气门及气门座圈：
①耐高温；②耐腐蚀；③自润滑性能好；
气体机活塞：
①冷却效果好②泄油速度快；
气体机专用活塞环：
①刮油量大②耐磨性能好③传热性能好；
增压器：
采用水冷增压器，旁通阀弹簧预紧力比柴油机增压器的小，更加偏于控制。
（8）天然气发动机电子控制系统
图3.1-3天然气4缸发动机电路原理图
由电路图3.1-3可知:
天然气4缸发动机的电子电路包含的器件有：
继电器1、2，起动机，点火开关，24V电源，维修开关，凸轮轴位置传感器，曲轴位置传感器，电子油门踏板，高压减压器（天然气温度传感器），电控调压器，节气门前压力传感器，进气压力/温度传感器，低压燃料切断阀，天然气温度EPR阀，旁通控制阀，旁通控制压力传感器，废气氧传感器，水温传感器，大气环境传感器，高压燃料切断阀，自动变速箱接口，自动变速箱接口整车接口部分，故障诊断线束接口，电子节气门，空调离合器控制信号，故障指示灯，ECU（ECM）等及其他部分。
（见表3.1相关传感器功用）。
从发动机启动开始，各传感器部件获取的信号将输送给ECU，ECU根据获取的信号对相应的部件进行控制以实现发动机的正常运转。
各部件根据ECU的控制信号进行运作（开\关或者进行适当的开启）。
任何一个部件出现问题都可能造成发动机故障，只有各个部分正常工作，发动机才能获得最好的工作环境，正常运行。
表3.1相关传感器功用
3.2天然气发动机的工作原理
如图3.2-1增压CNG在增压状态下发动机工作原理图。
图3.2-1增压CNG发动机工作原理
从CNG发动机工作原理图可以看出，该发动机基本原理是：
①高压的压缩天然气从储气钢瓶出来，经高压滤清器过滤后，到达高压电磁阀；
②天然气经高压电磁阀进入高压减压器；
高压减压器的作用是将高压的压缩天然气（工作压力200bar-300bar）经过减压加热将压力调至7bar-9bar；高压天然气在加压过程中由于减压膨胀，需要吸收大量的热量，为防止减压器结冰，将发动机冷却液引出到减压器对天然气进行加热。
③经减压后的天然气进入电控调压器，电控调压器的作用是根据发动机运行工况精确控制天然气喷射；
④天然气与空气在混合器内充分混合，进入发动机缸内，经火花塞点燃进行燃烧做功；
⑤火花塞的点火时刻由ECM控制，氧传感器即时监控燃烧后的尾气的氧浓度，推算出空燃比，ECM根据氧传感器的反馈信号和控制MAP及时修正天然气的喷射量。
4天然气发动机的常见故障分析与诊断
气体发动机常出现故障的部位是一些与电气系统相联系的零部件上面，或者电气系统本身的线路连接或电器元件的损坏都会造成发动机故障。
本章将以玉柴天然气发动机ECI系统为参照，重点介绍常见的故障并给出判断方法和诊断步骤。
4.1点火传动装置（凸轮轴和曲轴传感器）
（1）故障现象
①故障灯点亮；
②发动机不能启动；
在诊断仪上可能产生的故障码：
336、341、16、337、342（查阅故障码表）。
（2）故障原因
①点火传动装置引起的不能启动，系统一般不能检测到发动机转速信号，不产生故障码；
②转速传感器损坏或特性发生改变；
③转速传感器与信号盘的间隙不对。
（3）检查步骤
1）用诊断仪读取故障码，看是否有相关故障码；
2）检查电瓶电压是否为24V，启动时压降不能在16V以下，否则发动机启动困难；
3）采用诊断软件检测转速信号，启动时发动机转速≥100rpm，且转速不能有过大的波动现象，如果没有转速信号，或者转速信号波动幅度过大，表明点火传动装置出现故障：
A.检查单转速传感器的空气间隙是否符合要求0.6±0.2mm；双转速传感器的空气间隙是否符合技术要求1±0.5mm；
B.测量转速传感器的物理电阻值，西门子传感器电阻子：
540±80Ohms@25℃；BOSCH传感器电阻值：
860±86Ohms@25℃；
C.测量ECM到转速传感器之间线路是否通断、或有短路搭铁现象，ECM和转速传感器的插接件pin应接触良好。
4）检查相位：
A.单传感器的相位检查：
图4.1-1为发动机处于第一缸上止点时，信号轮与传感器的相对位置。
安装时请注意：
信号轮正时标记齿朝外，并且先将发动机转动到第一缸上止点位置，然后调节油泵齿轮，使信号轮与传感器相对位置如图4.1-1所示。
安装时保证传感器与信号轮之间的间隙在（0.4-0.8）mm。
图4.1-1单传感器相位检查图
B.双传感器相位检查：
◆四缸机：
将凸轮轴传感器拆开，盘动发动机，当凸轮信号盘的多齿刚好对准凸轮轴传感器安装孔时曲轴信号传感器应对准曲轴信号盘缺齿后的第10齿（反过来则不一定有这种关系，因为凸轮轴转1圈，曲轴转2圈）为正常（如图4.1-2），若非，则相位错误；
图4.1-2四缸机双传感器相位检查图
◆六缸机：
将凸轮轴传感器拆开，盘动发动机，当凸轮信号盘的多齿刚好对准凸轮轴传感器安装孔时曲轴信号传感器应对准曲轴信号盘缺齿后的第9齿（反过来则不一定有这种关系，因为凸轮轴转1圈，曲轴转2圈）为正常（如图4.1-3），若非，则相位错误。
4.1-3六缸机双传感器相位检查图
4.2高压电磁阀
（1）故障现象
①发动机无法启动；
②发动机无力；
在诊断仪上可能产生的故障码：
1153、1172（查阅故障码表）。
（2）故障原因
电磁阀无法打开或无法全部打开。
（3）检查步骤
1）在启动过程中确保高压电磁阀插接件上有24V电源（图4.2-1）；
图4.2-1高压电磁阀
2）测量高压电磁阀电阻：
G3900电阻值：
38±；J5700电阻值：
44±。
无穷大或电阻为零，都说明电磁阀有故障。
3）若高压电磁阀及线路完好，需拆检并清洗高压电磁阀入口处滤网、阀芯，清洗干净油污杂质等。
4.3低压燃料切断阀
（1）故障现象
①发动机无法启动；
②发动机无力；
在诊断仪上可能产生的故障码：
1153、1172（查阅故障码表）。
（2）故障原因
电磁阀无法打开或无法全部打开。
（3）检查步骤
1）根据电路图在打启动过程中确保低压燃料切断阀插接件上A、B之间有24V电源（图4.3-1）；
图4.3-1低压燃料切断阀
2）测量低压燃料切断阀电阻：
电阻无穷大或电阻为零，都说明切断阀有故障；
3）若低压燃料切断阀及线路完好，需拆检并清洗高压电磁阀入口处滤网、阀芯，清洗干净油污杂质等。
4.4电控调压器
（1）故障现象
①发动机无法启动；
②发动机无力；
③发动机游车；
在诊断仪上可能产生的故障码：
1153、1173、1172、1171、1154、1176、1177、134、136、1626、1627、1628（查阅故障码表）。
（2）故障原因
①出现1173故障（电控调压器命令丢失），即ECM与电控调压器之间不能正常通讯；
②电控调压器与ECM之间能正常通讯，但是电控调压器出口实际压力与理论压力不符；
（3）检查步骤
1）通过诊断仪读取故障码，如果出现1173故障码，则按步骤B检查；如果出现1173以外的故障码，则按步骤C检查；
2）出现1173故障码，则重点根据电路图4.4-1检查线路：
图4.4-1电控调压器
A.检查主继电器1到电控调压器的导线是否断路，包括保险熔断、插接件pin脚接触不良等；
B.检查ECM、电控调压器和环境传感器，以及整车的自动变速箱、CAN仪表等之间的CAN网络通讯线是否通断、接地等异常情况；
C.检查CAN网络的方法：
可依次拔掉环境传感器，以及整车的自动变速箱、CAN仪表等之间的CAN网络通讯线，当拔掉某一部件时，CAN通讯能恢复正常，则说明该部件有故障；例如：
拔掉环境传感器后，1173故障码或与CAN相关的故障码消失，则环境传感器损坏。
D.利用诊断软件检测电控调压器出口的压力值（即将开通此功能），Megajectorfeedbackpress与Megajectorfeedbackcommand和的跟随性，如果Megajectorfeedbackpress的值与Megajectorfeedbackcommand的值相差超过2inH20时，说明燃气管路存在气阻现象，或气瓶严重缺气；则应进行以下步骤的检查：
a）寒冷地区要检查燃气管路有没有结冰现象；
b）检查电控调压器平衡管是否有结冰现象
c）检查燃气滤清器滤芯、高压减压器入口滤网是否堵塞；
d）检查每一个气瓶的手动开关及电磁阀是否处在常开位置，并通过管路上的气压表确认气瓶燃气量必须大于3Mpa；
e）高压电磁阀、低压电磁阀是否不能开启或处于半开起位置，测量电磁阀电阻（用算出理论电阻）以及该通道电压是否正常；
f）拆检电控调压器，清洗内部油污；检查膜片或弹簧是否完好，如有膜片破损或弹簧异常磨损，则更换相应损坏件；
4.5高压减压器
（1）故障现象
①发动机无法启动或自动熄火；
②发动机无力；
③发动机游车；
在诊断仪上可能产生的故障码：
1513、1514、1171、1154、1172、1153（查阅故障码表）。
（2）故障原因
①天然气温度传感器内部损坏或线路故障；
②高压减压器压力腔泄露燃气；
③高压减压器发出异响噪声；
④安全阀被冲开：
（3）检查步骤
1）通过诊断仪连接ECM读取故障码，如果有1513、1514故障码，则先按步骤2）处理，如果有其他故障码则按步骤3）处理；
2）如果出现故障码，一般是天然气温度传感器故障或或传感器线路故障：
A.目测该传感器插接件是否插接完好；
B.根据传感器特性图4.5-1测量天然气温度传感器阻值是否正常；
图4.5-1天然气温度传感器特性图
C.根据电路图4.5-2测量天然气温度传感器到ECM之间的线路是否开路或短路。
图4.5-2天然气温度传感器
3）如果有其他故障码，则故障一般为高压减压器漏气：
A.从高压减压器外观查看一级腔膜片处如果有渗油的痕迹（燃气含油）该处可能存在漏气现象，利用专用测漏仪或肥皂水检测是否有漏气故障。
轻微漏气的通常拧紧一级腔弹簧盖的四颗固定螺钉即可解决漏气故障，否则需要检查高压减压器，查看一级压力腔阀芯是否磨损、膜片是否存在穿孔等破损现象、杠杆机构及导向槽是否损坏等，如有损坏请更换相应件装复使用，导向槽损坏的直接更换高压减压器总成件；
B.如果有很大的漏气响声，则要重点检查高压减压器上的安全阀，若安全阀被冲开，就需要更换高压减压器。
4）对于高压减压器发出异响，一般是减压器内部机构有杂质、油污所引起，异响并不是高压减压器损坏。
拆开减压器，清洗干净内部机构零件，重新装复即可消除异响。
同时必须清洗燃气滤清器。
4.6混合器故障
（1）故障现象
①发动机无法启动或自动熄火；
②发动机游车；
在诊断仪上可能产生的故障码：
1153、1154（查阅故障码表）。
（2）故障原因
①膜片破损。
引起膜片破损的原因有回火或异物造成；
②燃料空气阀卡滞。
混合器内部未及时进行清洁保养，油污会附着在燃料空气阀或阀座上，可能导致燃料空气阀运动受阻或卡死；
③燃料空气阀被异物卡滞。
（3）检查步骤
1）通过诊断仪读取故障码，如有故障码则重点检查步骤2）；
2）检查发动机是否有发动机回火现象，如存在回火，请检查：
A.用诊断仪进行断缸检查每一缸工作情况，如果有某缸工作不良，重点检查点火线圈是否异常放电（点火线圈是否有发白）、火花塞故障、气门间隙或气门弯曲等造成气门关闭不严等；
B.检查正时，点火提前角是否过于提前。
方法是使用诊断仪和点火枪对提前角进行测试，观察实际提前角与诊断仪显示的目标提前角是否一致。
3）检查燃料空气阀和阀座上是否有油污或脏物；用手推燃料空气阀，空气阀应沿阀座移动灵活无卡滞。
4.7电子节气门故障
（1）故障现象
①发动机无法启动或自动熄火；
②发动机无力；
③发动机加不起速；
在诊断仪上可能产生的故障码：
123、122（查阅故障码表）。
（2）故障原因
①电子节气门卡滞；
②电子节气门插接件到ECM插接件端线束存在开路或短路情况；
（3）检
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