混合高壓直接噴射器進展及分析

牛海杰　王亞妹　陳晉兵　王尚學(xué)　董江峰（-中國北方發(fā)動機研究所天津300400-北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

混合高壓直接噴射器進展及分析

牛海杰1王亞妹2陳晉兵1王尚學(xué)1董江峰1
（1-中國北方發(fā)動機研究所天津3004002-北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

基于HPDI噴射技術(shù)，介紹了一種新的混合高壓直接噴射器（簡稱Co-injector）的結(jié)構(gòu)、工作過程及特點，之后介紹了國外相關(guān)人員在混合高壓直接噴射器排放特性方面的研究，最后通過分析提出了混合高壓直接噴射器仍需要完善的一些技術(shù)問題。

混合高壓直接噴射器HPDI引燃噴射天然氣

引言

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，全球范圍內(nèi)汽車保有量在逐年提高。汽車保有量的增長，使得環(huán)境污染和能源危機日益嚴(yán)重。為了解決這些問題，迫切需要對傳統(tǒng)的車用內(nèi)燃機進行改造。天然氣作為一種主要的替代燃料，正在發(fā)揮著越來越重要的作用，研究天然氣內(nèi)燃機已經(jīng)成為了熱點。

當(dāng)前開發(fā)的天然氣發(fā)動機主要有3種：化學(xué)計量比點燃式、稀燃點燃式以及柴油引燃式發(fā)動機，其中柴油引燃式缸內(nèi)高壓直接噴射技術(shù)［1］（HPDI）是當(dāng)前發(fā)展的最新技術(shù)，該技術(shù)是由加拿大西港創(chuàng)新公司開發(fā)的，HPDI技術(shù)使用極少量的高壓柴油直接噴入燃燒室，待柴油被壓燃后引燃噴入的天然氣。使用該技術(shù)可以使發(fā)動機在保持原柴油機相同的功率和扭矩下，極大地降低PM及NOx等尾氣的排放。

HPDI技術(shù)中最核心的就是可以同時噴射柴油和天然氣的HPDI噴射器，本文在HPDI噴射器的基礎(chǔ)上，介紹了一種新的柴油天然氣噴射器：混合高壓直接噴射器（Co-injector）

1　Co-injector噴射器

1.1Co-injector噴射器的原理

Co-injector是在HPDI噴射器的基礎(chǔ)上改進得到的，與HPDI的不同是柴油噴射系統(tǒng)，主要的改動是在HPDI噴射器柴油針閥的頂端加入堵塞塊，并在天然氣氣體針閥上打孔形成新的柴油噴射孔，使得柴油通過新的噴射孔進行噴射［2］，圖1為Co-injector的結(jié)構(gòu)圖。

在Co-injector中，柴油不是直接噴入到氣缸中的，而是首先噴入到可以儲存天然氣氣體和柴油的混合腔中，之后再通過開啟氣體針閥將天然氣和柴油的混合氣噴入到燃燒室中進行燃燒。

1.2Co-injector的工作過程

對于混合噴射器，噴射器正常工作時噴射過程分為3部分：柴油預(yù)噴射、引燃?xì)怏w噴射以及主氣體噴射。圖2為3種噴射過程。

圖1　Co-injector的結(jié)構(gòu)圖

圖2　Co-injector的工作過程

在預(yù)噴射中，柴油噴射針閥打開，柴油噴入到儲存氣體和柴油的混合腔中。對于HPDI噴射器，引燃噴射過程是將柴油直接噴入到燃燒室。預(yù)噴射結(jié)束后柴油針閥關(guān)閉，氣體針閥打開，柴油和天然氣組成的混合氣通過氣體針閥噴入燃燒室，該噴射過程稱為引燃噴射，它的目的是通過柴油引燃天然氣。在引燃噴射之后不久，氣體針閥又一次打開，此時開始噴射主天然氣。圖3為Co-injector柴油和氣體噴射影響時刻圖。

圖3　Co-injector柴油和氣體噴射影響時刻圖

2　Co-injector排放特性研究

由于目前國內(nèi)尚沒有研究人員對Co-injector進行過具體的研究，本文主要介紹了國外相關(guān)人員在Co-injector排放特性方面的研究。

Chin和Lefebvre［3］研究了HPDI Co-injector內(nèi)部流體的4種流動狀態(tài)，分別為：泡狀流、塞狀流、環(huán)狀流和分散流。圖4為噴射器內(nèi)部的4種可能的流動狀態(tài)。

圖4　HPDI Co-injector 4種流動狀態(tài)：

當(dāng)噴射壓力增加時，形成泡狀流時要求更高的氣體/柴油質(zhì)量比。在噴射壓力為0.8 MPa時，氣體/柴油質(zhì)量比大于0.4時，液體將會被氣體完全打碎，以液滴的形態(tài)分散在霧化氣體中，此時產(chǎn)生更少的未燃燃料和CO的排放。

Mikawoz［4］等人對Co-injector內(nèi)部液體和氣體的分布進行了可視化的研究，研究了開始噴射后不同時刻柴油的分布，從影像記錄中可以得到在噴射開始時大部分的燃油已經(jīng)很好地進行了霧化，說明Co-injector與HPDI噴射器相比，在剛開始噴射后產(chǎn)生的PM量更低。

Heather Jones［5-7］比較了Co-injector和HPDI噴射器在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下發(fā)動機NOx、CO、PM和THC的排放量，試驗表明：在低負(fù)荷低轉(zhuǎn)速下，Co-injector產(chǎn)生的tHC和CO較多，但是NOx和PM的量很低；在高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速下，Co-injector產(chǎn)生的THC量與HPDI噴射器相比略微較高，NOx和CO的排放兩者接近，但是PM的量很低；在高負(fù)荷高轉(zhuǎn)速下，Co-injector產(chǎn)生的PM更低，燃油消耗率更低，NOx、THC和CO的排放量類似。試驗說明在沒有增加NOx、CO和THC的基礎(chǔ)上，Co-injector與HPDI噴射器相比極大地改進了PM的排放。

繼續(xù)Heather Jones的工作，McTaggart-Cowan［8-9］研究了如何在低負(fù)荷下減少THC的排放，研究發(fā)現(xiàn)較高的THC和燃燒循環(huán)變動是由于較低的柴油/氣體體積比，增加體積比導(dǎo)致更小的循環(huán)變動，更少的未燃燃料和CO的排放。

加拿大British Columbia大學(xué)的Benjamin Scott Brown［10］和Dr.Steve Rogak等人將Co-injector安裝在康明斯的單缸發(fā)動機上，該單缸發(fā)動機是由康明斯ISX型四缸發(fā)動機改進得到的，并進行了試驗，比較了Co-injector和HPDI噴射器排放的差異，研究進一步表明相同條件下，在沒有增加NOx、CO和THC的基礎(chǔ)上，Co-injector產(chǎn)生的PM排放更低。

之后他們在Co-injector原型的基礎(chǔ)上進行了改進，在天然氣和柴油的混合腔中加入了圓形的套筒，套筒減少了存儲腔33%的體積，存儲腔內(nèi)部最小的環(huán)面從30 mm2減小到10 mm2，混合氣流速增加到了原來的3倍。試驗結(jié)果表明：改進后的模型比原模型表現(xiàn)出更短的點火延遲，CO和NOx的排放更低，原因主要是由于較高的流速可以更有效卷吸柴油使其遠(yuǎn)離壁面，同時能更快將柴油帶出噴射器，噴入燃燒室。

通過以上的研究分析可以得出，在Co-injector內(nèi)部，柴油和天然氣混合得更加充分，具有更好的排放特性，相同條件下，在沒有增加NOx、CO和THC的基礎(chǔ)上，Co-injector產(chǎn)生的PM排放更低。

3　Co-injector的特點及發(fā)展

3.1Co-injector自身的優(yōu)勢

由于Co-injector是在HPDI噴射器的基礎(chǔ)上改進得到的，它除了具有HPDI噴射器的優(yōu)勢外，由于自身的特點還具有一些獨特的優(yōu)勢：

1）Co-injector可以大幅地簡化HPDI噴射器的結(jié)構(gòu)和成本，由于柴油是噴入到混合存儲腔中，由天然氣卷吸進入燃燒室的，從而可以極大地簡化柴油噴射系統(tǒng)，進而降低了材料和制造成本。

2）采用Co-injector混合噴射器后，在不增加CO、NOx等排放的基礎(chǔ)上可以極大地減少PM的排放。

3）Co-injector由于自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，一個氣體噴嘴對應(yīng)著多個柴油噴孔，柴油通過多個噴孔進入混合氣的存儲腔中，可以保證柴油和天然氣混合的更均勻，燃燒更加穩(wěn)定。

3.2Co-injector需要完善的技術(shù)問題

天然氣混合高壓缸內(nèi)直接噴射技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α５怯捎谘芯縿倓偲鸩剑c實際要求還有很大的差距，其中一些關(guān)鍵的技術(shù)仍需要不斷地發(fā)展和完善。

首先未來的工作應(yīng)該集中在Co-injector結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，進一步減少HC的排放，以及減少在較高轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的耗油率。其次，由于混合噴射器與柴油的噴射量有密切的關(guān)系，因此如何精確控制引燃噴射期間柴油的噴射量就變得很重要。這就要求對噴射器的結(jié)構(gòu)進行改進，使得柴油噴射量可以通過發(fā)動機轉(zhuǎn)速和柴油腔和混合氣存儲腔的壓力差來精確控制。

4　結(jié)束語

混合高壓缸內(nèi)直接噴射器由于自身結(jié)構(gòu)的特點，與HPDI相比具有更低的排放特性，尤其是在PM排放方面。但是由于研究剛剛起步，還有一些技術(shù)問題需要不斷完善發(fā)展，展望不久將來，裝有混合高壓直接噴射器的發(fā)動機將會與我們見面。

1林在梨，張笑波，谷達(dá)紅，等.天然氣-柴油雙燃料發(fā)動機高壓直噴技術(shù)初探［J］.內(nèi)燃機，2003（04）：14-16

2Dumitrescu S.，Hill P.，Li G.，et al.Effects of injection changes on efficiency and emissions of a diesel engine fueled by direct injection of natural gas［C］.SAE Paper 2000-01-1805

3Chin J.S.，Lefebvre A.H.Flow regimes in effervescent atomization［J］.Atomization and Sprays，1993，3：463-475

4Sazhin S.，Abdelghaffar，W.A.，Sazhina E.M.，et al.Models for droplet transient heating：Effects on droplet evaporation，ignition，and break-up［J］.International Journal of Thermal Sciences，2005，44（7）：610-622

5Kenzo Nagasaka，Takaaki Takagi，Kazuaki Koyanagi，et al.The development of fine atomization injector［J］.JSAE，2000，21（3）：309-313

6Ghaffarpour，M.，Azarfam，M.，Noorpoor，A.Emissions reduction in diesel engine using new fuel injection system［J］.JSME International Journal，Series B，2006，49（4）：1298-1306

7Lorcher M.，Mewes D.Atomization of liquids by two-phase gas-liquid flow through a plain-orifice nozzle：Flow regimes inside the nozzle［J］.Chemical Engineering Technology，2001，24（2）：167-172

8McTaggart-Cowan，G.P.，W.K.Bushe，S.N.Rogak，et al.Injection parameter effects on a direct injected，pilot ignited，heavy duty natural gas engine with EGR［J］.Journal of Fuels and Lubricants，2003，112（4）：2103-2109

9McTaggart-Cowan，G.P.，W.K.Bushe，P.G.Hill，et al.A supercharged single-cylinder heavy-duty engine for high pressure direct injection of natural gas［J］.International Journal of Engine Research，2004，4（4）：315-330

10 Benjamin Scott Brown.High-pressure direct-injection of natural gas with entrained diesel into a compression-ignition engine［D］.Columbia：University of British Columbia，2006：16-18

The Development and Analysis of HPDI Co-injector

Niu Haijie1，Wang Yamei2，Chen Jinbing1，Wang Shangxue1，Dong Jiangfeng1
1-China North Engine Research Institute（Tianjin，300400，China）2-School of Jet Propulsion，Beijing University of Aeronautics and Astronautics

Based on the HPDI，this paper introduces the structure，working process，characteristic of a new high pressure direct injector（Co-injector）.After introducing the foreign relevant research about emissions characteristic，some technical problems which still need to be perfected are proposed.

Co-injector，HPDI，Pilot injection，Natural gas

TK421+.4

A

2095-8234（2016）04-0084-03

2016-05-04）

牛海杰（1986-），男，碩士，助理研究員，主要從事發(fā)動機性能開發(fā)及電控標(biāo)定工作。