HPDI技術在天然氣商用車中的應用

王江鵬，馮凡，薛強，金茜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

?

HPDI技術在天然氣商用車中的應用

王江鵬，馮凡，薛強，金茜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘 要：論文對HPDI（高壓缸內直噴）技術在天然氣商用車中的應用進行了分析研究，對其市場前景進行簡要分析，并從HPDI系統的技術優勢、發動機控制技術方案、供氣系統技術方案、動力性及經濟性研究五個方面進行了具體的闡述。研究表明HPDI技術在天然氣商用車上應用具有無與倫比的優勢，發展前景廣闊。

關鍵詞：HPDI(高壓缸內直噴)；天然氣；商用車；動力性；經濟性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.047

CLC NO.: U469.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-136-02

引言

受宏觀經濟影響，在柴油價格上漲，運輸行業運價低迷，客戶用車成本增加、盈利空間下降的大環境下。天然氣商用車以降低運營成本、創造更大的利潤為主要突破口，很好的滿足了客戶需求，得到了廣泛的應用。

1、現狀

目前的天然氣發動機控制以燃氣預混合技術為平臺，壓縮比為11.6:1，無論是美國woodword控制系統，還是日本E-control控制系統，以及澳大利亞的AEC控制系統基本均為此平臺技術，差別僅是可靠性、控制精確性、功能多樣性不同。而隨著天然氣配套設施的日趨完善，國際燃油價格的日益高漲，天然氣重型商用車產品市場進一步急劇擴大，市場對天然氣產品的個性化要求也進一步具體和細化。以燃氣預混合技術為平臺的天然氣商用車因受制于壓縮比、點火系統可靠性等固有特性影響，在較高海拔地區無法正常運行。并且如果功率進一步提升，會面臨燃料經濟性下降、冷卻系統可靠性下降、點火系統可靠性下降等問題。而建立在新平臺之上的HPDI(高壓缸內直噴）技術很好的突破了現有技術及平臺束縛，能夠滿足市場對更廣泛地區適用性、更大功率天然氣發動機的需求。

2、HPDI技術優勢

當前，市場上占主流的天然氣發動機，無論是單點電噴還是多點電噴，采用的都是與汽油機相似的火花塞點燃式燃燒技術，這類天然氣發動機使用成本比柴油機節約不少，但其節約的成本主要來源于天然氣與柴油的價格差。但熱效率低于柴油發動機，如此一來，搭載氣體機的大功率商用車輛在起步和重載行駛時，勢必無法達到像柴油車一樣的高效率運行。而HPDI發動機的運行方式跟柴油機十分相似，高壓直噴噴嘴也是根據柴油高壓共軌噴射發動機的形式來設計，因此，它的功率和扭矩達到了同排量柴油機的水平，比點燃式氣體發動機高出20%；其熱效率與柴油機相同，比點燃式氣體發動機的氣耗低5%-9%。

3、HPDI發動機

HPDI（高壓缸內直噴）技術是在壓縮沖程上止點前噴入約為5%柴油，作為引燃劑，形成火焰，約95%天然氣以30MPa的壓力噴射到火焰中成為燃燒的主要燃料。[1]

(1)首先以少量柴油壓燃點火，不僅提高了發動機的壓縮比、又不需要點火系統，避免使用當前市場主流的單點或多點火花塞點燃式燃燒技術，提高燃燒效率；

(2)其次作為主燃料的天然氣以高壓噴入缸內，利用高壓氣流運動將柴油、天然氣、空氣進行充分混合，使燃料燃燒更加充分，提高燃燒效率；

(3)HPDI發動機壓縮比可達到17:1[2]，基本達到柴油機水平，與普通LNG發動機（火花塞單點點火，點火能量小，燃燒速度慢，其壓縮比最高為12:1）相比，具有明顯優勢。

4、供給系統

為了實現發動機的高效率，必須要有一套非常成熟的天然氣儲存和供給系統。HPDI供給系統采用液化天然氣（LNG）作為車用天然氣的存儲形式，其主要部件為插入瓶體的往復式低溫高壓柱塞泵[1]。安裝在發動機端的取力油泵驅動該柱塞泵工作，燃料供給系統的ECU與發動機ECU聯動控制泵出液體的數量，使燃氣在泵體內氣化且加壓至30MPa、溫度滿足發動機的需求，保證供給發動機的燃氣溫度、壓力、流量穩定可靠。

(1)區別于現有平臺的車用LNG氣瓶外置汽化器與外置自增壓器，極大地提高了氣瓶及供氣系統的安全性；

(2)區別于現有平臺的車用LNG氣瓶自增壓系統，燃氣供給系統的穩定性和自動化程度得到大幅提高，這一點對不了解LNG特性的車輛駕駛員非常重要。

5、動力性

通過對搭載HPDI發動機的天然氣商用車進行動力性試驗， HPDI發動機繼承了柴油機在高原區域所表現的優良性能，能夠很好的適應高原地區環境。搭載普通天然氣發動機的商用車在2800m以下區域運行不存在問題，但在2800m～3500m區間就較為吃力，在海拔3500m以上區域發動機功率損失大約在50%以上，車輛根本無法正常運行。由于HPDI的工作原理與柴油機較為類似，經實車試驗表明，樣車可在4767m高海拔地區正常工作，具有與柴油車相同的動力性能。

6、經濟性

與相同配置柴油機相比，動力性相當，百公里燃料成本下降了約25%；與普通氣體機相比，經濟性提高5%～9%，最小燃料消耗率降低約10%。首先往復式低溫高壓柱塞泵消除了環境溫度對燃氣壓力的影響，直接從氣瓶中泵取發動機所需的燃料，使系統對燃料的消耗能夠精確控制，同時，高壓直噴噴嘴具備分配、計量、定時、噴射天然氣和柴油兩種燃料的功能[1]，能夠進一步提升系統精確控制性能，進而降低燃料消耗。

7、推廣應用

HPDI發動機零部件與柴油機通用性高，無需改動發動機本體，同時可靠性達到同功率柴油機水平。由于其熱效率高，排氣溫度會因此降低，故有更高的潛在可靠性。

達到國五排放增加成本相對較小，易于推廣應用，對降低機動車尾氣排放，保護大氣環境具有重要意義。HPDI重型商用車與柴油車相比：一氧化碳排量降低60%，二氧化碳降低20%，碳氫化合物降低70%，氮氧化合物降低45%，顆粒物排放降低70%，有利于實現汽車工業對能源環境的可持續發展。

HPDI技術的性能符合市場和整車企業對LNG車輛技術的期望。3～5年后，HPDI技術會因為技術的成熟和國產化后成本大幅度降低而得到廣泛應用。其整車成本仍會較普通天然氣商用車產品高出一定的差距，但已在市場可以接受的范圍內。

8、總結

通過對HPDI系統的優勢、HPDI發動機及供給系統技術方案、動力性以及經濟性等方面的論述，顯而易見HPDI技術在商用天然氣車領域具有絕對優勢，隨著HPDI各項技術的發展和完善，HPDI汽車憑借自身無與倫比的優勢將會給我們帶來不可估計的經濟效益。該技術將成為天然氣發動機燃燒理論上的又一革命，成為商用車發展史上的重要里程碑，標志著中國的天然氣商用車將迎來一個全新的時代。

參考文獻

[1] 林在犁,張笑波,谷達紅,劉愛軍.天然氣-柴油雙燃料發動機高壓直噴技術初探[J].內燃機.2013.8.

[2] 耿志勇,李麗君.柴油-天然氣雙燃料重卡簡介及市場前景分析[J].汽車實用技術.2012.8.

Application of HPDI on NG commercial vehicles

Wang Jiangpeng, Feng Fan, Xue Qiang, Jin Qian
( Shaanxi Heavy-duty truck Co., Ltd., Shaanxi Xi 'an 710200 )

Abstract:This paper focuses on the analysis and study of HPDI (High Pressure Direct Injection) applications on NG(Natural Gas) commercial vehicles and analysis of its market outlook. This paper also expounds HPDI technology in 5 aspects, which are HPDI's advantages, engine control architecture, gas supply system, performances and fuel economy, etc. This study shows that HPDI application on NG commercial vehicles has great advantages and bright futures.

Keywords:HPDI(High Pressure Direct Injection); Natural Gas; Commercial Vehicles; Performances; Fuel Economy

作者簡介：王江鵬，就職于陜西重型汽車有限公司。

中圖分類號：U469.6

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)02-136-02