高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展與特點(diǎn)分析

劉曉鑫，邵毅明，汪旭

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶　400074）

高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展與特點(diǎn)分析

劉曉鑫，邵毅明，汪旭

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074）

天然氣發(fā)動機(jī)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(jī)具有較好的動力性、經(jīng)濟(jì)性，相比于現(xiàn)有的天然氣發(fā)動機(jī)，采用高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)能明顯提高發(fā)動機(jī)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(jī)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，但真正實(shí)現(xiàn)商用還需進(jìn)一步研究。文中通過對天然氣發(fā)動機(jī)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(jī)存在的問題和高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，分析了高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用前景。

汽車；高壓直噴；天然氣發(fā)動機(jī)；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(jī)代用燃料，將天然氣作為發(fā)動機(jī)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(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步。高壓缸內(nèi)直噴是當(dāng)前天然氣發(fā)動機(jī)的最新技術(shù)，其主要技術(shù)特點(diǎn)是在發(fā)動機(jī)壓縮行程上止點(diǎn)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(shí)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(jī)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(jī)動力下降等問題，因而成為目前天然氣發(fā)動機(jī)研究的熱點(diǎn)。

1　天然氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1傳統(tǒng)天然氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展

天然氣發(fā)動機(jī)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(diǎn)噴射和多點(diǎn)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(diǎn)噴射、進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射3種形式。

天然氣發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)最早采用機(jī)械控制混合器供氣方式，通過機(jī)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(shí)現(xiàn)精確控制，天然氣占空氣充量體積的10％～15％，對發(fā)動機(jī)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(jī)械式混合器的基礎(chǔ)上，通過電控系統(tǒng)實(shí)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(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)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(jìn)氣道多點(diǎn)噴射是通過ECU實(shí)施控制，由安裝在發(fā)動機(jī)各氣缸進(jìn)氣道上的噴射器實(shí)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(jī)進(jìn)氣行程中，進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)燃式氣體燃料發(fā)動機(jī)上。低壓缸內(nèi)直噴供氣方式可避免在進(jìn)氣過程中因天然氣占有一定體積而影響進(jìn)氣效率的問題。但發(fā)動機(jī)充量需采用節(jié)氣門的節(jié)流作用進(jìn)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(diǎn)燃式天然氣發(fā)動機(jī)，大多由汽油機(jī)或柴油機(jī)改裝而成。通過對原發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改裝，使其能適用于天然氣作為燃料進(jìn)行燃燒做功。相對于原有的柴油機(jī)或汽油機(jī)，通過改裝的天然氣發(fā)動機(jī)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(jī)的發(fā)展

在加拿大西港創(chuàng)新公司進(jìn)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(jī)研究所已進(jìn)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(jī)在標(biāo)定工況下的研究，發(fā)現(xiàn)該機(jī)的動力性和排放性均優(yōu)于同型柴油機(jī)。

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(jìn)行了相關(guān)研究，并首次提出了基于天然氣缸內(nèi)擴(kuò)散燃燒理論的天然氣發(fā)動機(jī)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(jī)有害物質(zhì)排放。基于此研究，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(jī)，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(diǎn)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(jī)的成功研制，實(shí)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(jī)公司等進(jìn)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(jī)和原機(jī)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(jī)的發(fā)展

中國在缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)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(jìn)行了CNG缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)匹配試驗，得出天然氣發(fā)動機(jī)動力性與原汽油機(jī)基本相同。上海理工大學(xué)也進(jìn)行了相關(guān)天然氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)直噴試驗，通過提高壓縮比，對比天然氣發(fā)動機(jī)與原機(jī)的功率（如圖2所示）。

圖2　不同類型發(fā)動機(jī)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(jī)生產(chǎn)能力的廠家——濰柴動力西港新能源發(fā)動機(jī)有限公司。通過引進(jìn)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(jī)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(jī)。該發(fā)動機(jī)采用的技術(shù)為在壓縮上止點(diǎn)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(jī)達(dá)到同型號柴油機(jī)的動力性，且能達(dá)到國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，排放性能好。

天然氣發(fā)動機(jī)供氣方式對整機(jī)性能有很大影響，現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)技術(shù)已很大程度上提高了天然氣發(fā)動機(jī)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(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，解決當(dāng)前天然氣發(fā)動機(jī)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)

相對于傳統(tǒng)的天然氣發(fā)動機(jī)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(jī)領(lǐng)域的最新技術(shù)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，能彌補(bǔ)當(dāng)前天然氣發(fā)動機(jī)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(jì)性。

（1）動力性好。高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機(jī)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(jìn)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(dá)到國Ⅴ排放的柴油機(jī)，高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)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(dá)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(jī)在原機(jī)的基礎(chǔ)上無需改動活塞和發(fā)動機(jī)本體，可靠性可達(dá)到同功率柴油機(jī)的水平。此外，在高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)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(jì)性高。高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機(jī)只需5％的引燃柴油，天然氣替代率高達(dá)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(jī)與柴油機(jī)相比具有相同的有效熱效率，但其綜合燃?xì)庀谋赛c(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)低20％～25％。

3　高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

采用高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)只需在原有發(fā)動機(jī)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(jī)作較大改動。高壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)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(jī)重要的組成系統(tǒng)，對整機(jī)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(jī)壓縮行程上止點(diǎn)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(jī)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(jī)、燃料供給系統(tǒng)的各種運(yùn)行和狀態(tài)參數(shù)，并將參數(shù)傳達(dá)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(jī)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(jī)明顯提高了天然氣發(fā)動機(jī)的性能，成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。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(diǎn)，目前還未得到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。國外少數(shù)機(jī)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(jī)。

相比于國外，國內(nèi)在高壓缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)，并率先在陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的重型卡車上進(jìn)行了裝車匹配試驗，車輛各項性能指標(biāo)完全達(dá)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(jī)存在以下問題：1）該類發(fā)動機(jī)是在壓縮上止點(diǎn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)技術(shù)不斷完善，有效提高了天然氣發(fā)動機(jī)的性能。天然氣發(fā)動機(jī)高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)作為一種新型發(fā)動機(jī)技術(shù)，實(shí)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(qiáng)勁的動力、更高的燃料經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，具有廣闊的市場和發(fā)展?jié)摿Γ彩钱?dāng)前的研究重點(diǎn)。當(dāng)然，要想將該技術(shù)實(shí)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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