SC6HT天然气发动机的研发与应用

王黎明

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

SC6HT天然气发动机的研发与应用

王黎明

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

介绍了SC6HT单燃料天然气发动机燃烧系统、进气系统、燃气供给系统、点火系统的设计及技术特点，简述了性能优化结果及开发中解决的问题。市场应用表明，SC6HT天然气发动机性能优异，完全能够满足城市公交客车的使用要求。

天然气发动机稀燃排放

1 前言

能源危机和环境污染已经成为我国面临需要迫切解决的问题之一。在城市大气环境污染方面，车用柴油和汽油内燃机是大气环境污染的主要来源。我国北京、上海等大城市车用内燃机排出的CO、NOx、HC、微粒等污染物对大气环境污染的分担率都在50%以上，其中CO和NOx的分担率在70%～90%。天然气发动机的开发与应用是减少有害气体排放的有效途径之一[1]。

自1998年以来，上柴公司通过国内外合作方式一直进行天然气发动机的研究与开发，逐步建立起自己的天然气发动机研究开发平台。先后完成了D系列、E系列、G系列和H系列天然气发动机的开发，在天然气发动机技术、研发、应用方面始终走在国内同行的前列。H系列发动机是上柴公司吸收欧美先进设计理念而打造的新一代节能环保型发动机，其排放指标达到国Ⅴ标准要求。2010年11月，上柴SC6HT天然气发动机通过国Ⅳ排放认证，2012年9月，升级到国Ⅴ排放水平，在公交客车上批量使用。其动力性、经济性及可靠性获得了整车厂和用户的良好评价。

2 燃气发动机设计方案

SC6HT天然气发动机是在柴油机基础上通过对发动机的燃烧系统、进气系统、燃料供给系统、点火系统的重新设计，采用均质稀燃、增压中冷、电控预喷、高能电子点火等先进技术研制而成。其动力性、经济性及可靠性都能够满足设计要求。

SC6HT天然气发动机的设计目标为在标定工况功率达到155 kW，燃气消耗率小于210 g/(kW·h)，排放指标达到国Ⅴ标准要求，需要满足7～11 m中型城市公交客车的配套需求。主要技术参数见表1。

2.1 燃烧系统

由于天然气燃料的化学特性，发动机采用火花点火及较低的压缩比（压缩比由原柴油机17.5降到10左右）。采用稀薄燃烧技术提高发动机热效率，远离爆燃，且可以降低HC、CO和NOx排放和排气温度等；采用氧化催化后处理措施，废气排放指标可达到国Ⅴ标准。

表1 天然气发动机主要技术参数与规格

根据经验及模拟计算，压缩比分别取9.5、10.5和11.5设计燃烧室。燃烧室设计主要考虑活塞的结构强度和热负荷。与原柴油机相比，由于压缩比大幅度降低，燃烧室容积则会增大很多。设计燃烧室时，燃烧室口径不能太大，燃烧室口径与活塞直径比值一般不大于0.7。如果该比值过大，将造成活塞外圆与燃烧室之间温度过高。燃烧室深度也不宜过大，因为受到燃烧室容积的影响会使活塞内腔顶过薄，活塞内腔顶厚度一般不小于0.12倍活塞直径[2]。

活塞部分燃烧室设计成浅盆型，可降低缸内涡流的强度，且有利于火核形成和火焰传播，如图1所示。由于天然气发动机热负荷相对较高，活塞设计时增加了振动冷却油腔，加强了活塞冷却能力。缸盖部分燃烧室设计成球面型（图1），具有导流作用，同时缸盖部分燃烧室分担了燃烧室总容积，使活塞部分燃烧室容积减小，活塞内腔顶不会过薄。

经台架试验验证，考虑热效率及爆震因素，SC6HT天然气发动机压缩比为10.5。

2.2 进气系统

通过控制增压器的废气阀、电子节气门可以达到精确控制进气流量的目的。采用增压中冷技术可使天然气发动机性能达到接近于原柴油机的水平。

图1 燃烧室结构

SC6HT天然气发动机进气系统如图2所示。空气经过空滤器、增压器、中冷器、节气门、混合器，经进气管进入气缸。

图2 发动机进气系统

天然气发动机增压系统具有增压比低、流量范围广、热负荷高等特点。这要求增压器体积小、耐高温性能好、效率高。根据经验，柴油机改成天然气发动机，其动力性降低10%～15%，且天然气发动机排温比柴油机排温高100～200℃[3]。SC6HT天然气发动机采用均质稀燃燃烧方案，有利于降低排气温度及NOx排放。其过量空气系数最大达到1.5，怠速时空气流量约50 kg/h，全负荷时空气流量约850 kg/h。空气流量的变化范围大于同等排量的柴油机。

SC6HT天然气发动机的增压器匹配时，在满足基本性能要求的情况下，采取对多个增压器进行比较（不同压气机、涡轮），得到匹配不同增压器时的发动机性能，从而优选出最合适的增压器。SC6HT天然气发动机选用上海菱重增压器公司的TE06H4型涡轮增压器。此增压器采用水冷中间壳体，带有防喘振阀和废气旁通阀；涡轮最高允许承受温度为760℃。

经台架试验验证，在此增压器可控范围内，SC6HT天然气发动机动力性达到预期目标，且发动机运转线处于压气机高效率区，离压气机喘振线有一定裕度，排气温度最高695℃，不超过涡轮允许承受范围，发动机运行范围内增压器转速不超过极限值，如图3所示。

图3 压气机流量特性曲线

SC6HT天然气发动机的负荷调节通过电子节气门开度来控制。通过电子节气门开度直接控制空气流量的变化，同时通过燃气喷射阀控制天然气喷射量来达到标定时所确定的空燃比（怠速时空燃比约19，全负荷时空燃比约25）[4]。SC6HT天然气发动机采用伟世通Φ45 mm喉径的电子节气门。试验结果表明该电子节气门满足发动机性能控制要求。

混合器设计利用文丘里原理，通过观测各缸一致性，认为此混合器可达到较好的混合效果。

2.3 燃气供给系统

SC6HT天然气发动机采用进气总管预混合供气方式，以燃气供给系统取代柴油机的燃油喷射系统。燃气供给系统包括气瓶、高压截止阀、高压滤清器、减压器、低压截止阀、低压滤清器、燃气喷射阀器等部件，如图4所示。进气总管预混供气可以确保天然气与空气的良好混合，使得每个气缸获得相同浓度的可燃混合气[5]。

减压调节器采用METATRON的M型号两级减压器，可满足最大流量45 kg/h的要求；减压器出口压力稳定在约850 kPa。

燃气喷射阀由6个博世NGⅠ2型喷嘴和燃气轨集成为整体。根据喷嘴的流量特性及试验证明，6个喷嘴喷射燃气流量满足SC6HT天然气发动机的需求，燃气轨道也有足够的容积保证压力平稳。

图4 燃气供给系统

2.4 点火系统

SC6HT天然气发动机采用高电压、高能量的直接火花点火方式。每缸设有独立的马歇尔点火线圈、NGK铱金火花塞，点火能量达到45 mJ。火花塞安装在缸盖上原安装柴油喷射器的孔位。

3 SC6HT天然气发动机性能优化

通过大量的优化匹配试验工作，对各种典型运行工况的空燃比、点火正时等MAP进行详细标定，使SC6HT天然气发动机的动力性、经济性和排放特性都达到满意的折中。

图5 SC6HT天然气发动机外特性曲线

标定工况功率155 kW，最大扭矩650 N·m，如图5所示。按CJ/T 162－2002《城市客车分等级技术要求与配置》规定的大中型城市公交客车的分级及其对发动机功率的要求，满足7～11 m中型城市公交客车对动力的需求。考虑使用空调，尽量提高了低速扭矩。发动机最高热效率可达到37%，最低燃料消耗率为195 g/(kW·h)。缸内最高燃烧压力均小于12 MPa，工作十分柔和，噪声比同等功率柴油机低3～5 dB。采用氧化型催化器，其废气排放可满足欧Ⅴ标准。

4 开发过程解决的主要问题

4.1 可靠性问题

通过台架试验验证，天然气发动机和其原型机柴油机相比，缸内最高温度要高200℃之多，而且燃烧持续的时间较长；由于采用了增压强化和稀薄燃烧，燃烧持续时间会进一步加长，这就需要发动机的部分受热零件能够承受更高的热负荷。

为了解决这一问题，主要从改进结构设计和选用更高耐热材料两方面考虑。对活塞、缸盖、增压器等的结构做了优化改进，以利于散热和冷却；对火花塞、排气管、增压器涡轮、传感器线束护套、气门、气门座圈等零部件的材料提高了要求，使其更耐高温、耐磨损。

4.2 使用性问题

因城市公交车行驶路况的特殊性，车辆大部分时间在低速运行且频繁停车，发动机大部分时间处于怠速状态。怠速状态下的发动机进气管及缸内负压大，容易使机油被过量吸进燃烧室燃烧，造成燃烧困难、动力不足、排放污染加剧及机油耗过高；且机油燃烧结焦会对气门、活塞等寿命有很大影响。

在石家庄公交公司的协作下，采集了5辆搭载SC6HT天然气发动机的不同路线公交车运行路谱，如图6所示。路谱MAP为发动机进气管压力，其值小于曲轴箱压力时，对曲轴箱机油有倒吸的作用。MAP值在0～30 kPa时，发动机处于怠速状态，怠速时间约占整个运行时间的43%以上；MAP值在30～100 kPa时，车辆处于低速低负荷运行状态，约占20%～45%的运行时间；MAP值大于100 kPa时，仅约占整个运行时间的20%。

图6 公交车运行路谱

在解决烧机油问题中，从多个方面进行了研究改进。一方面提高加工工艺，进一步提高对气门导管同轴度、气门座圈跳度、气门杆与气门导管间隙等的要求；另一方面，对活塞环、气门油封进行了优化设计，在保证各工况活塞和气门杆润滑足够的条件下，减少机油进入燃烧室。经台架耐久试验及公交实际运行证明，SC6HT天然气发动机机油耗达到柴油机的同等水平。

5 结论

自2010年11月上柴成功开发出SC6HT天然气发动机产品以来，先后在石家庄公交、大连公交和漳州公交获得了批量使用。经整车性能测试及3年多的用户使用表明，上柴SC6HT天然气发动机的可靠性良好，故障率和维修成本很低，燃料经济性居中，总体的性价比好。

1王奉双.在用汽油车排气污染物检测方法和标准研究[D].长安大学硕士学位论文，2008.

2吴义民.压缩天然气发动机活塞开发[J].内燃机与动力装置，2009.

3苏展望，庞志伟等.涡轮增压器与燃气发动机的匹配及主要增压参数的计算[J].内燃机与动力装置，2008（6）.

4李朝阳，陆静安等.天然气发动机的涡轮增压器喘振研究[J].柴油机设计与制造，2013（1）.

5刘凯.单一燃料液化石油气发动机的开发[J].汽车技术，2002（10）.

6孙济美主编.天然气和液化石油气汽车[M].北京：北京理工大学出版社，1999.

Development and Application of SC6HT Natural Gas Engine

Wang Liming
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

This paper expounds the technical features of the combustion system,intake system,fuel delivery system and ignition system of the SC6HT natural gas engine,and outlines engine performance optimization results and problems to be solved during the development process.Market applications show that the SC6HT engine has excellent performance and perfectly meets the requirements of city bus.

natural gas engine,lean combustion,emission

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.002

来稿日期：2013-12-19

王黎明（1984-），男，工程师，主要研究方向为天然气发动机设计开发。