高壓直噴天然氣發動機技術簡介

王震華 閆立冰

摘要：缸內高壓直噴（HPDI）天然氣發動機是一款缸內噴入少量柴油、引燃直噴入缸內的天然氣的1A型雙燃料發動機。HPDI發動機可以保持同排量柴油機原有的性能;與傳統點燃式天然氣發動機相比，主要優勢表現為動力強勁，燃氣消耗低，可靠性高，排溫低，響應快;與進氣道噴射雙燃料發動機相比，替代率高，經濟優勢明顯，市場前景光明。

Abstract： Nature Gas High Pressure Direct Injection （HPDI） dual-fuel type 1A engine injects a little diesel as pilot fuel， which will combust by compression， then nature gas will be injected into cylinder and be ignited by the flame. HPDI dual-fuel engine has the same power as diesel engine with same displacement， compare to spark ignition engine ，HPDI engine has higher power， lower fuel consumption， longer durability， lower exhaust temperature， quicker response;compare to dual-fuel engine which injects gas at manifold， HPDI engine has higher replace ratio， more economical. HPDI engine has bright future.

關鍵詞：高壓直噴;1A型雙燃料發動機;技術

Key words： HPDI;dual-fuel type 1A engine;technology

中圖分類號：U464.174? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0037-02

0? 引言

隨著能源危機和排放法規的日益嚴格，天然氣作為替代能源，因安全無毒、熱值高、易提煉、儲量豐富等優點，在汽車領域的應用越來越廣泛。

在沒有火源的情況下，天然氣很難被壓燃。①基于柴油機改制天然氣發動機，需要去掉燃油系統，安裝火花塞，增加燃氣供給裝置、節氣門等。為防止發動機爆震，需要降低壓縮比，和柴油機相比，火花點火式天然氣發動機功率下降約20%左右。而且由于天然氣發動機排溫高，需要重新設計進排氣門、增壓器、缸蓋等。②對于保留柴油燃油系統、增加燃氣進氣道噴射裝置的雙燃料發動機，替代率大概在50%到70%，經濟性優勢不明顯。

為更加充分的發揮天然氣的優勢，加拿大西港公司提出了天然氣高壓缸內直噴技術，并推出了解決方案。

1? 缸內高壓直噴技術介紹

HPDI發動機是缸內噴入少量柴油、引燃天然氣的發動機，其保留了原柴油發動機的燃油供給系統，增加了燃氣供給系統以及相應的液壓裝置，后處理系統與原柴油機相同。其著火方式、燃料供給方式、后處理等與普通火花點火式發動機、進氣道噴射燃料式發動機不同，如表1所示。

為了實現天然氣的缸內直噴，需要設計專用的液壓裝置將燃氣加壓，并設計了專用噴嘴。其系統示意圖1所示。

1.1 著火方式

因天然氣很難被壓燃，設計了專用噴射閥取代原柴油機噴油器。如圖2所示：噴射閥采用嵌套結構，燃油、燃氣分別接入噴射閥，使用兩個相互獨立的電磁閥控制燃油、燃氣，實現燃油、燃氣獨立噴射。在每個循環，首先噴入極少量的柴油，在柴油壓燃后，在合適的時刻噴入燃氣，利用燃油燃燒的火焰引燃天然氣，實現天然氣的燃燒做功。在每個工作循環，燃油起到引燃作用，對扭矩的貢獻很小，做功主要靠燃氣完成。燃油噴射量很少，一般占到燃料總量的5%，屬于1A型雙燃料發動機。

1.2 燃氣供給

1.2.1 高壓燃氣部分

LNG氣罐中有燃氣壓縮泵，高壓油驅動罐內燃氣壓縮泵做往復運動，通過燃氣壓縮泵將液態天然氣壓縮到30MPa，被壓縮的液態天然氣經過換熱變為高壓氣態天然氣，進入緩沖罐，經過調壓器（GCM）后，進入天然氣氣軌，最后進入噴射閥，如圖3所示。其中GCM連接柴油高壓油軌，通過柴油軌壓對燃氣壓力進行調節（見圖1）。

1.2.2 液壓油部分

LNG氣罐中的燃氣壓縮泵由液壓油驅動。由發動機的后取力提供動力，驅動液壓油泵，液壓油泵壓縮液壓油經過旁通閥、換向閥等去驅動天然氣壓縮泵。因液壓油壓縮后溫度上升，需要添加風扇對液壓油進行散熱。

1.2.3 燃氣換熱部分

被燃氣壓縮泵從氣罐壓出來的液態天然氣溫度很低，需要在換熱器中經換熱后變為氣態。其熱量由發動機冷卻液提供。

2? 缸內高壓直噴技術優勢

①經濟性：試驗以及實際應用結果表明，天然氣的替代率在95%以上，替代率高，燃料經濟性較柴油機有很大提高。②可靠性：發動機排溫較原柴油機下降約100℃左右，零部件的熱負荷降低，耐久性提高。③動力性：動力性和原柴油機相同，并且響應性也不受影響;和進氣道噴射的火花點火天然氣發動機相比響應性有很大的提高。④環保性：因柴油量很少，其排放污染物中PM降低最明顯，和柴油機相比，可以降低70%。CO降低60%，NOX降低約45%。

3? 缸內高壓直噴技術推廣應用

目前加拿大西港公司分別同康明斯、沃爾沃、濰柴動力股份有限公司合作推出了各自的發動機產品，并投放市場，市場反應良好。

北美市場：西港公司同康明斯合作，在美國和加拿大銷售。

歐洲市場：西港公司和沃爾沃聯合開發的G13C LNG發動機在歐洲市場已經開始配套發售。

中國市場：西港公司同濰柴動力股份有限公司合作，推出了WP12車用發動機，6M26船用發動機。

參考文獻：

[1]陳家瑞.汽車構造：上冊[M].機械工業出版社，2001.

[2]GB 17691-2018，重型柴油機污染物排放限制及測量方法（中國第六階段）[S].2018-6-22.

[3]方祖華.氣體燃料發動機缸內噴氣技術及燃燒特性的研究[D].長春：吉林工業大學，1997.