淺析天然氣缸內高壓直噴發動機技術

高培俠

摘要：工業革命迅速推動科技的發展，從蒸汽機到內燃機，生產力很快被解放，機器代人使得社會迅速進步，蒸汽機如今已經不再投入使用，但是內燃機仍然廣泛被使用中，只是內燃機的功能越來越完備，效率越來越高，一代又一代的產品不斷符合社會以及人類的需要，本文從內燃機的高壓直噴技術出發，先介紹了缸內高壓直噴技術的原理，然后針對一種特定的柴油發動機進行缸內高壓直噴技術的說明，強調其優越性，最后提出了一種天然氣缸內高壓直噴發動機技術，介紹現狀以及現存的問題。

關鍵詞：內燃機；天然氣；缸內高壓直噴

1.缸內直噴技術研究背景

1.1缸內直噴技術簡介

發動機工作時候有四大工作沖程，吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程，在這四個沖程中只有做功沖程是做功的，所以能盡量縮短其他三個沖程的時間就是在提高效率。縱所周知，汽油機和柴油機的不同點中有一條是汽油機吸入的是空氣和汽油的混合氣，點火方式為火花塞點火，而柴油機吸入的是空氣，不用點火，利用柴油直噴靠高溫高壓實現自燃。

天然氣缸內直噴技術與柴油機類似，其工作原理為當發動機氣缸的活塞到達上止點時噴入天然氣使天然氣與空氣迅速混合，然后緊接著利用極少量柴油將其引燃，由于吸氣與壓縮沖程階段天然氣均沒有參與，所以理論上效率大大提高。

1.2缸內直噴發動機的優點

缸內直噴發動機相對于其他發動機有如下優點：

（1）發動機的適應性好，動力強勁。抗爆性是指汽油在發動機中燃燒時抵抗爆震的能力，它是汽油燃燒性能的主要指標，爆震是汽油在發動機中燃燒不正常引起的，很多氣體的抗爆性能差，由于天然氣缸內直噴技術不用考慮氣體的抗爆性，所以天然氣很適合，在壓縮過程中產生的動力也足夠強勁。

（2）發動機環保。缸內直噴技術可以使天然氣和空氣均勻混合，燃燒充分，產生的有毒有害氣體少，特別是氮氧化物，如果此類發動機普及那可以有效改善噪音，因為此類發動機在使用過程中產生的溫度和壓強很低，振動和噪聲也就相對較低，還可以保護環境，緩解能源危機。

（3）發動機調速性能好，因為缸內直噴發動機采用的是噴油嘴，噴油嘴的大小可以通過電磁閥控制，電磁閥控制噴油嘴的進氣量就可以控制發動機的速度，而且由于電磁閥采用的是電氣控制，非常方便，所以調速性能好，但是外缸發動機相比就遜色很多了，其進氣過程復雜，調節起來不方便。

（4）發動機比較節省燃料。由于噴油嘴方便調節，所以天然氣等燃料也不會大量浪費，可以根據實際情況靈活調節噴油嘴大小，提高效率也提高經濟性。

2. LNG缸內直噴天然氣發動機主要系統

2.1燃料供給

LNG缸內直噴柴油機采用的燃料供給方式即為缸內直噴供油，噴油嘴在活塞達到上止點之前就必須進行噴射，此時缸內需要達到的要求是空氣與天然氣均勻混合，所以噴油嘴噴射柴油的壓力必須大于當時缸內的壓力，只有這樣才能讓柴油具有一定的能量與空氣均勻混合，所以噴油嘴噴射壓力的提供非常重要，當噴油嘴壓力泵壓力低于缸內壓力時必須仍然能夠快速精確的提供壓力進行噴射。此外還有一個問題，內燃機工作的時候四個沖程完成的時間非常短，一次噴氣的時間也就可想而知了，如果氣軌腔容積非常小，那在第一次噴射完成之后，氣軌腔壓力會迅速降低，其壓力恢復時間如果特別短，如果壓力還未恢復就進行第二次噴射，那勢必會造成內燃機的輸出功率的波動，使得內燃機的運行不穩定，。所以內燃機的氣體體積供給必須保證非常精確，能夠適應內燃機的這種變化，一般采用數學建模的方法，選取各參數建立數學模型，消除波動問題。

2.2控制系統

天然氣缸內直噴發動機控制系統采用電子控制噴射系統和多傳感器控制系統結合的方式。首先，發動機在工作的時候需要不斷進行天然氣的噴射，由于發動機工作情況復雜，比如存在高負載和低負載，天然氣不同于油霧，當高負載時需要的進氣量大，低負載的時候進氣量需求少，二者相差太大，所以需要采用電子控制噴射系統來精確滿足不同工作情況時的燃油噴射控制。其次采用各種傳感器來進行檢測，比如采用曲軸傳感器來檢測發動機的轉速，負載等情況；噴油嘴需要蓄電池進行供電，由于工作情況的不同，蓄電池的電壓也會波動，間接影響噴油嘴的噴射，因此，檢測蓄電池的電壓也是非常有必要；氧化傳感器是測量發動機吸進的空氣的含氧量來調節混合氣體的混合程度的。最后還有一點也很重要，有防泄漏檢測，這點可以保證安全性，避免危險事故發生。

3.缸內直噴天然氣發動機仍存在的一些問題

盡管缸內直噴天然氣發動機的優勢重重，但是其不足的地方我們也不得不考慮，這同時是我們需要進行進一步研究與解決的問題。

首先，由于在活塞到達上止點的時候是氣缸內壓力最大的時候，所以噴油嘴需要的噴射壓力也大，那就需要可靠的管道，保證其正常噴射，此外，天然氣需要被壓縮成液體才能方便貯存，所以天然氣的壓縮容器也需要空間，這樣無疑增加了整個發動機的天然氣貯存與傳輸問題，需要設計合理的結構，而且對于結構的密封性的要求很大。

其次，噴油嘴需要裝在發動機的上缸蓋上面，當今還未設計出非常合理的結構，也是亟待解決的問題之一。

最后，由于全程都是高壓，若是設備稍微出現小問題或者說質量不過關，那面臨的就是泄露，這樣很容易引發危險事故，影響可靠性。

4.結束語

天然氣缸內直噴技術相比于傳統的發動機具有低排放高動力的特點，但是其技術問題也有很大的缺陷，并不是簡單的將燃油換成天然氣，其還有很多技術問題需要一個個去攻克，比如高壓噴射技術，燃油貯存技術等。但是我們不得不相信，隨著科學技術的發展，總有一天，缸內直噴天然氣發動機將會被普遍接受。

參考文獻：

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