高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機的發(fā)展與特點分析

劉曉鑫，邵毅明，汪旭

（重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶　400074）

高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機的發(fā)展與特點分析

劉曉鑫，邵毅明，汪旭

（重慶交通大學(xué)交通運輸學(xué)院，重慶400074）

天然氣發(fā)動機技術(shù)的開發(fā)可有效降低當(dāng)前汽車工業(yè)對石油的依賴，降低汽車污染物排放。高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機具有較好的動力性、經(jīng)濟性，相比于現(xiàn)有的天然氣發(fā)動機，采用高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)能明顯提高發(fā)動機性能，同時具有良好的排放性。目前高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機已實現(xiàn)產(chǎn)品化，但真正實現(xiàn)商用還需進一步研究。文中通過對天然氣發(fā)動機技術(shù)發(fā)展歷程的總結(jié)，歸納了現(xiàn)有天然氣發(fā)動機存在的問題和高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)的優(yōu)點，分析了高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機的技術(shù)特點和應(yīng)用前景。

汽車；高壓直噴；天然氣發(fā)動機；發(fā)展現(xiàn)狀；技術(shù)應(yīng)用

天然氣被公認(rèn)為是繼煤炭和石油之后的第三大能源，因具有良好的排放性、豐富的儲量及較大的價格優(yōu)勢，被越來越廣泛地用作發(fā)動機代用燃料，將天然氣作為發(fā)動機燃料可有效降低汽車污染物排放。隨著研究的不斷深入，天然氣發(fā)動機技術(shù)不斷進步。高壓缸內(nèi)直噴是當(dāng)前天然氣發(fā)動機的最新技術(shù)，其主要技術(shù)特點是在發(fā)動機壓縮行程上止點前噴入適量的柴油，再以較高的壓力噴入適量的天然氣，通過壓燃噴入的微量柴油或電熱塞助燃來引燃天然氣做功，實現(xiàn)天然氣的非均質(zhì)燃燒。相比于傳統(tǒng)的天然氣發(fā)動機技術(shù)，缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)能更好地解決天然氣發(fā)動機動力下降等問題，因而成為目前天然氣發(fā)動機研究的熱點。

1　天然氣發(fā)動機的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1傳統(tǒng)天然氣發(fā)動機的發(fā)展

天然氣發(fā)動機按照供氣方式的不同主要分為缸外供氣和缸內(nèi)供氣兩種形式，缸外供氣包括單點噴射和多點噴射，缸內(nèi)供氣包括缸內(nèi)低壓噴射和缸內(nèi)高壓噴射。供氣系統(tǒng)發(fā)展主要經(jīng)歷混合器供氣、電控單點噴射、進氣道多點噴射3種形式。

天然氣發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)最早采用機械控制混合器供氣方式，通過機械式混合器形成混合氣。這種裝置在早期得到廣泛應(yīng)用。但該供氣方式難以對空燃比實現(xiàn)精確控制，天然氣占空氣充量體積的10％～15％，對發(fā)動機的功率有一定影響。還存在排氣溫度高、對節(jié)氣門重疊角要求較高等問題。

電控預(yù)混合技術(shù)在第一代機械式混合器的基礎(chǔ)上，通過電控系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制，采用電子節(jié)氣門控制。該供氣方式使發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性等得到明顯提高。但由于缺乏噴射閥，對燃料的控制不夠精確，導(dǎo)致燃料的消耗較大。

進氣道多點噴射是通過ECU實施控制，由安裝在發(fā)動機各氣缸進氣道上的噴射器實現(xiàn)對每一缸的供氣。但該供氣方式不易控制各缸的濃度均勻性，易出現(xiàn)爆震和失火現(xiàn)象。

缸內(nèi)低壓噴射是在發(fā)動機進氣行程中，進氣門關(guān)閉后，將天然氣以0.2～1 MPa的壓力噴入氣缸中，并通過點燃或噴入燃油的方式使燃料燃燒。主要應(yīng)用在壓縮比低的點燃式氣體燃料發(fā)動機上。低壓缸內(nèi)直噴供氣方式可避免在進氣過程中因天然氣占有一定體積而影響進氣效率的問題。但發(fā)動機充量需采用節(jié)氣門的節(jié)流作用進行調(diào)節(jié)，中小負(fù)荷時節(jié)流損失大。

現(xiàn)階段，主要采用火花塞點燃式天然氣發(fā)動機，大多由汽油機或柴油機改裝而成。通過對原發(fā)動機相關(guān)參數(shù)和結(jié)構(gòu)進行改裝，使其能適用于天然氣作為燃料進行燃燒做功。相對于原有的柴油機或汽油機，通過改裝的天然氣發(fā)動機一般會出現(xiàn)功率下降等問題。

1.2國外高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機的發(fā)展

在加拿大西港創(chuàng)新公司進行天然氣高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)研究之前，卡特彼勒發(fā)動機研究所已進行了相關(guān)研究，通過對其所研制的3501天然氣直噴發(fā)動機在標(biāo)定工況下的研究，發(fā)現(xiàn)該機的動力性和排放性均優(yōu)于同型柴油機。

20世紀(jì)80年代，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)的Philip Hill教授對該技術(shù)進行了相關(guān)研究，并首次提出了基于天然氣缸內(nèi)擴散燃燒理論的天然氣發(fā)動機高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)（HPDI）。同時美國西南研究院也認(rèn)為，作為六大燃料技術(shù)之一的高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)能有效提高效率并能降低發(fā)動機有害物質(zhì)排放?；诖搜芯?，加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)和西港創(chuàng)新公司聯(lián)合開發(fā)出天然氣缸內(nèi)直噴系統(tǒng)。

1997年4月，西港創(chuàng)新公司推出第一臺天然氣高壓直噴發(fā)動機，其高壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)中采用油氣共用高壓噴射器（如圖1所示）。該噴射器可同時用來噴射柴油和天然氣，分別通過液壓系統(tǒng)、電磁閥系統(tǒng)控制引燃柴油和天然氣在不同時期的噴射，氣體噴射壓力為19 MPa。在壓縮上止點前，隨著柱塞的不斷下行，儲油腔內(nèi)油壓升高，克服彈簧阻力，使引燃油針閥開啟，引燃油噴入缸內(nèi)。隨后柱塞繼續(xù)下行，天然氣噴射針閥開啟，電磁閥控制天然氣噴射量。通過針閥彈簧的預(yù)緊力調(diào)節(jié)柴油和天然氣的兩個同軸針閥之間的開啟間隔。西港天然氣高壓直噴發(fā)動機的成功研制，實現(xiàn)了該技術(shù)的產(chǎn)品化開發(fā)并在市場中得到示范應(yīng)用。此外，挪威Trondheim大學(xué)及芬蘭Wasilla柴油機公司等進行了相關(guān)研究并投入商業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用，得出采用高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動機和原機的動力性相差不大。

圖1　油氣共用噴射器的結(jié)構(gòu)

1.3國內(nèi)高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機的發(fā)展

中國在缸內(nèi)直噴發(fā)動機技術(shù)上的研究起步較晚，與國外還存在一些差距。20世紀(jì)90年代，吉林大學(xué)和天津大學(xué)分別進行了CNG缸內(nèi)直噴發(fā)動機匹配試驗，得出天然氣發(fā)動機動力性與原汽油機基本相同。上海理工大學(xué)也進行了相關(guān)天然氣發(fā)動機缸內(nèi)直噴試驗，通過提高壓縮比，對比天然氣發(fā)動機與原機的功率（如圖2所示）。

圖2　不同類型發(fā)動機輸出功率比較

2008年，濰柴動力股份有限公司聯(lián)合加拿大西港創(chuàng)新公司成立中國第一家具有高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機生產(chǎn)能力的廠家——濰柴動力西港新能源發(fā)動機有限公司。通過引進西港創(chuàng)新公司的高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)，結(jié)合自有的發(fā)動機平臺，推出了中國第一臺大功率高壓缸內(nèi)直噴壓燃式天然氣發(fā)動機。該發(fā)動機采用的技術(shù)為在壓縮上止點前將5％的柴油噴入氣缸引燃，再將作為主燃料的95％天然氣以30 MPa的壓力噴入火焰中做功。該項技術(shù)可使高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機達到同型號柴油機的動力性，且能達到國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，排放性能好。

天然氣發(fā)動機供氣方式對整機性能有很大影響，現(xiàn)有的發(fā)動機技術(shù)已很大程度上提高了天然氣發(fā)動機的性能，但依然存在一些問題。而高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)能明顯提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性，解決當(dāng)前天然氣發(fā)動機存在的動力性下降等問題。

2　高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機的優(yōu)點

相對于傳統(tǒng)的天然氣發(fā)動機技術(shù)，高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)作為當(dāng)前天然氣發(fā)動機領(lǐng)域的最新技術(shù)，具有許多優(yōu)點，能彌補當(dāng)前天然氣發(fā)動機存在的功率下降等問題。此外，天然氣作為清潔的替代能源，具有良好的排放性和經(jīng)濟性。

（1）動力性好。高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機以較高的噴射壓力（約20 MPa）將天然氣噴入氣缸內(nèi)，能有效解決缸外噴射和缸內(nèi)低壓噴射帶來的充氣效率不足、動力性下降問題，具有較高的熱效率，因而具有良好的動力性。

（2）排放性能好。天然氣是一種清潔燃料，采用高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)，將95％的天然氣代替柴油作為燃料，以非均質(zhì)燃燒的方式進行燃燒做功，可降低最高燃燒壓力和溫度，能有效降低燃燒噪聲和有害物質(zhì)排放。相比于采用成本較高的SCR（選擇性催化還原）達到國Ⅴ排放的柴油機，高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機采用氧化催化器可降低70％顆粒物排放，CO2排放降低20％，更容易達到國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)。

（3）可靠性高。高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機在原機的基礎(chǔ)上無需改動活塞和發(fā)動機本體，可靠性可達到同功率柴油機的水平。此外，在高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機中，天然氣不參與壓縮行程，不存對其抗爆性的要求，可靠性較高。

（4）經(jīng)濟性高。高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機只需5％的引燃柴油，天然氣替代率高達95％，可有效降低使用成本。一方面，相比于柴油價格，天然氣的價格更低，具有明顯的價格優(yōu)勢。另一方面，高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機與柴油機相比具有相同的有效熱效率，但其綜合燃?xì)庀谋赛c燃式發(fā)動機低20％～25％。

3　高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機技術(shù)的特點

采用高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)只需在原有發(fā)動機構(gòu)造的基礎(chǔ)上安裝高壓直噴噴嘴，無需增加其他裝置且不用對原機作較大改動。高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機采用高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)，無需節(jié)氣門控制，避免了節(jié)氣門的節(jié)流損失及天然氣容積效率損失。燃料供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是天然氣發(fā)動機重要的組成系統(tǒng)，對整機性能具有較大影響。

3.1燃料供給系統(tǒng)

圖3為高壓直噴燃料供給系統(tǒng)示意圖。高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)是在發(fā)動機壓縮行程上止點前通過高壓的形式將引燃柴油和天然氣噴入氣缸內(nèi)，要求噴射壓力遠(yuǎn)高于缸內(nèi)壓力。此外，相鄰氣缸噴射時間間隔較短，由于氣體的壓縮特性，在上次噴射之后供氣系統(tǒng)壓力會下降，短時間內(nèi)難以恢復(fù)，會形成噴射壓力循環(huán)波動現(xiàn)象，噴氣量的精確性會受到影響。因此，為了保證氣體的壓力供給和體積供給正常，對燃料供給系統(tǒng)提出了較高的要求。對此，西港創(chuàng)新公司研制出一種小型往復(fù)式低溫高壓柱塞泵，可將液態(tài)天然氣加壓到30 MPa以上，保證了燃料供給系統(tǒng)的壓力供給。

3.2控制系統(tǒng)

高壓直噴發(fā)動機控制系統(tǒng)主要由電子控制單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行器等組成（見圖4）。系統(tǒng)中各傳感器收集發(fā)動機、燃料供給系統(tǒng)的各種運行和狀態(tài)參數(shù)，并將參數(shù)傳達給ECU，根據(jù)傳感器收集的信息和預(yù)定的控制策略控制氣體噴射器的噴氣量。

圖3　高壓直噴燃料供給系統(tǒng)示意圖

4　高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題

高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機明顯提高了天然氣發(fā)動機的性能，成為當(dāng)前研究熱點。但由于其自身存在對燃油供給系統(tǒng)要求高、成本高等缺點，目前還未得到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。國外少數(shù)機型已應(yīng)用于貨車和公交車等車輛，典型的是美國康明斯公司的ISX-G、ISM-G、LSX-G等系列發(fā)動機。

相比于國外，國內(nèi)在高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機應(yīng)用方面還處于試驗階段。2012年濰柴動力西港新能源發(fā)動機有限公司推出中國第一臺高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機，并率先在陜西汽車集團有限責(zé)任公司生產(chǎn)的重型卡車上進行了裝車匹配試驗，車輛各項性能指標(biāo)完全達到預(yù)期要求，將陸續(xù)小批量投向市場。

高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機存在以下問題：1）該類發(fā)動機是在壓縮上止點前以較高的壓力將天然氣噴入氣缸內(nèi)，對燃油供給系統(tǒng)的要求較高。高壓條件下氣體泄漏風(fēng)險大，對系統(tǒng)的防爆性能也有較高要求。2）天然氣發(fā)動機的主要技術(shù)核心掌握在西港創(chuàng)新公司，中國對該項技術(shù)的研究還較少。3）高壓缸內(nèi)直噴燃油供給系統(tǒng)成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對制造工藝要求較高，短時間內(nèi)難以在市場上得到廣泛應(yīng)用。4）噴油器內(nèi)精密偶件受高壓燃料的沖刷和機械雜質(zhì)的磨損，易導(dǎo)致配合表面出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，會引起噴油器密封不嚴(yán)、泄漏等問題。

圖4　發(fā)動機控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示意圖

5　結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，天然氣發(fā)動機技術(shù)不斷完善，有效提高了天然氣發(fā)動機的性能。天然氣發(fā)動機高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)作為一種新型發(fā)動機技術(shù)，實現(xiàn)了燃?xì)鈬娚淇刂频木_性、功能的多樣性和控制系統(tǒng)的高可靠性，它將帶來更強勁的動力、更高的燃料經(jīng)濟性和適應(yīng)性，具有廣闊的市場和發(fā)展?jié)摿?，也是?dāng)前的研究重點。當(dāng)然，要想將該技術(shù)實現(xiàn)真正意義上的商業(yè)化并應(yīng)用于市場，還需通過不斷研究加以完善。

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