高压缸内直喷天然气发动机的发展与特点分析

刘晓鑫，邵毅明，汪旭

（重庆交通大学交通运输学院，重庆　400074）

高压缸内直喷天然气发动机的发展与特点分析

刘晓鑫，邵毅明，汪旭

（重庆交通大学交通运输学院，重庆400074）

天然气发动机技术的开发可有效降低当前汽车工业对石油的依赖，降低汽车污染物排放。高压缸内直喷天然气发动机具有较好的动力性、经济性，相比于现有的天然气发动机，采用高压缸内直喷技术能明显提高发动机性能，同时具有良好的排放性。目前高压缸内直喷发动机已实现产品化，但真正实现商用还需进一步研究。文中通过对天然气发动机技术发展历程的总结，归纳了现有天然气发动机存在的问题和高压缸内直喷技术的优点，分析了高压缸内直喷发动机的技术特点和应用前景。

汽车；高压直喷；天然气发动机；发展现状；技术应用

天然气被公认为是继煤炭和石油之后的第三大能源，因具有良好的排放性、丰富的储量及较大的价格优势，被越来越广泛地用作发动机代用燃料，将天然气作为发动机燃料可有效降低汽车污染物排放。随着研究的不断深入，天然气发动机技术不断进步。高压缸内直喷是当前天然气发动机的最新技术，其主要技术特点是在发动机压缩行程上止点前喷入适量的柴油，再以较高的压力喷入适量的天然气，通过压燃喷入的微量柴油或电热塞助燃来引燃天然气做功，实现天然气的非均质燃烧。相比于传统的天然气发动机技术，缸内高压直喷技术能更好地解决天然气发动机动力下降等问题，因而成为目前天然气发动机研究的热点。

1　天然气发动机的发展现状

1.1传统天然气发动机的发展

天然气发动机按照供气方式的不同主要分为缸外供气和缸内供气两种形式，缸外供气包括单点喷射和多点喷射，缸内供气包括缸内低压喷射和缸内高压喷射。供气系统发展主要经历混合器供气、电控单点喷射、进气道多点喷射3种形式。

天然气发动机燃料供给系统最早采用机械控制混合器供气方式，通过机械式混合器形成混合气。这种装置在早期得到广泛应用。但该供气方式难以对空燃比实现精确控制，天然气占空气充量体积的10％～15％，对发动机的功率有一定影响。还存在排气温度高、对节气门重叠角要求较高等问题。

电控预混合技术在第一代机械式混合器的基础上，通过电控系统实现闭环控制，采用电子节气门控制。该供气方式使发动机的动力性、经济性等得到明显提高。但由于缺乏喷射阀，对燃料的控制不够精确，导致燃料的消耗较大。

进气道多点喷射是通过ECU实施控制，由安装在发动机各气缸进气道上的喷射器实现对每一缸的供气。但该供气方式不易控制各缸的浓度均匀性，易出现爆震和失火现象。

缸内低压喷射是在发动机进气行程中，进气门关闭后，将天然气以0.2～1 MPa的压力喷入气缸中，并通过点燃或喷入燃油的方式使燃料燃烧。主要应用在压缩比低的点燃式气体燃料发动机上。低压缸内直喷供气方式可避免在进气过程中因天然气占有一定体积而影响进气效率的问题。但发动机充量需采用节气门的节流作用进行调节，中小负荷时节流损失大。

现阶段，主要采用火花塞点燃式天然气发动机，大多由汽油机或柴油机改装而成。通过对原发动机相关参数和结构进行改装，使其能适用于天然气作为燃料进行燃烧做功。相对于原有的柴油机或汽油机，通过改装的天然气发动机一般会出现功率下降等问题。

1.2国外高压缸内直喷发动机的发展

在加拿大西港创新公司进行天然气高压缸内直喷技术研究之前，卡特彼勒发动机研究所已进行了相关研究，通过对其所研制的3501天然气直喷发动机在标定工况下的研究，发现该机的动力性和排放性均优于同型柴油机。

20世纪80年代，加拿大英属哥伦比亚大学的Philip Hill教授对该技术进行了相关研究，并首次提出了基于天然气缸内扩散燃烧理论的天然气发动机高压缸内直喷技术（HPDI）。同时美国西南研究院也认为，作为六大燃料技术之一的高压缸内直喷技术能有效提高效率并能降低发动机有害物质排放。基于此研究，加拿大英属哥伦比亚大学和西港创新公司联合开发出天然气缸内直喷系统。

1997年4月，西港创新公司推出第一台天然气高压直喷发动机，其高压缸内直喷系统中采用油气共用高压喷射器（如图1所示）。该喷射器可同时用来喷射柴油和天然气，分别通过液压系统、电磁阀系统控制引燃柴油和天然气在不同时期的喷射，气体喷射压力为19 MPa。在压缩上止点前，随着柱塞的不断下行，储油腔内油压升高，克服弹簧阻力，使引燃油针阀开启，引燃油喷入缸内。随后柱塞继续下行，天然气喷射针阀开启，电磁阀控制天然气喷射量。通过针阀弹簧的预紧力调节柴油和天然气的两个同轴针阀之间的开启间隔。西港天然气高压直喷发动机的成功研制，实现了该技术的产品化开发并在市场中得到示范应用。此外，挪威Trondheim大学及芬兰Wasilla柴油机公司等进行了相关研究并投入商业生产和应用，得出采用高压缸内直喷技术的发动机和原机的动力性相差不大。

图1　油气共用喷射器的结构

1.3国内高压缸内直喷发动机的发展

中国在缸内直喷发动机技术上的研究起步较晚，与国外还存在一些差距。20世纪90年代，吉林大学和天津大学分别进行了CNG缸内直喷发动机匹配试验，得出天然气发动机动力性与原汽油机基本相同。上海理工大学也进行了相关天然气发动机缸内直喷试验，通过提高压缩比，对比天然气发动机与原机的功率（如图2所示）。

图2　不同类型发动机输出功率比较

2008年，潍柴动力股份有限公司联合加拿大西港创新公司成立中国第一家具有高压缸内直喷天然气发动机生产能力的厂家——潍柴动力西港新能源发动机有限公司。通过引进西港创新公司的高压缸内直喷技术，结合自有的发动机平台，推出了中国第一台大功率高压缸内直喷压燃式天然气发动机。该发动机采用的技术为在压缩上止点前将5％的柴油喷入气缸引燃，再将作为主燃料的95％天然气以30 MPa的压力喷入火焰中做功。该项技术可使高压缸内直喷发动机达到同型号柴油机的动力性，且能达到国Ⅴ排放标准，排放性能好。

天然气发动机供气方式对整机性能有很大影响，现有的发动机技术已很大程度上提高了天然气发动机的性能，但依然存在一些问题。而高压缸内直喷技术能明显提高发动机的动力性和经济性，解决当前天然气发动机存在的动力性下降等问题。

2　高压缸内直喷天然气发动机的优点

相对于传统的天然气发动机技术，高压缸内直喷技术作为当前天然气发动机领域的最新技术，具有许多优点，能弥补当前天然气发动机存在的功率下降等问题。此外，天然气作为清洁的替代能源，具有良好的排放性和经济性。

（1）动力性好。高压缸内直喷天然气发动机以较高的喷射压力（约20 MPa）将天然气喷入气缸内，能有效解决缸外喷射和缸内低压喷射带来的充气效率不足、动力性下降问题，具有较高的热效率，因而具有良好的动力性。

（2）排放性能好。天然气是一种清洁燃料，采用高压缸内直喷技术，将95％的天然气代替柴油作为燃料，以非均质燃烧的方式进行燃烧做功，可降低最高燃烧压力和温度，能有效降低燃烧噪声和有害物质排放。相比于采用成本较高的SCR（选择性催化还原）达到国Ⅴ排放的柴油机，高压缸内直喷发动机采用氧化催化器可降低70％颗粒物排放，CO2排放降低20％，更容易达到国Ⅴ排放标准。

（3）可靠性高。高压缸内直喷发动机在原机的基础上无需改动活塞和发动机本体，可靠性可达到同功率柴油机的水平。此外，在高压缸内直喷发动机中，天然气不参与压缩行程，不存对其抗爆性的要求，可靠性较高。

（4）经济性高。高压缸内直喷天然气发动机只需5％的引燃柴油，天然气替代率高达95％，可有效降低使用成本。一方面，相比于柴油价格，天然气的价格更低，具有明显的价格优势。另一方面，高压缸内直喷天然气发动机与柴油机相比具有相同的有效热效率，但其综合燃气消耗比点燃式发动机低20％～25％。

3　高压缸内直喷发动机技术的特点

采用高压缸内直喷技术只需在原有发动机构造的基础上安装高压直喷喷嘴，无需增加其他装置且不用对原机作较大改动。高压缸内直喷发动机采用高压缸内直喷技术，无需节气门控制，避免了节气门的节流损失及天然气容积效率损失。燃料供给系统和控制系统是天然气发动机重要的组成系统，对整机性能具有较大影响。

3.1燃料供给系统

图3为高压直喷燃料供给系统示意图。高压缸内直喷技术是在发动机压缩行程上止点前通过高压的形式将引燃柴油和天然气喷入气缸内，要求喷射压力远高于缸内压力。此外，相邻气缸喷射时间间隔较短，由于气体的压缩特性，在上次喷射之后供气系统压力会下降，短时间内难以恢复，会形成喷射压力循环波动现象，喷气量的精确性会受到影响。因此，为了保证气体的压力供给和体积供给正常，对燃料供给系统提出了较高的要求。对此，西港创新公司研制出一种小型往复式低温高压柱塞泵，可将液态天然气加压到30 MPa以上，保证了燃料供给系统的压力供给。

3.2控制系统

高压直喷发动机控制系统主要由电子控制单元（ECU）、传感器和执行器等组成（见图4）。系统中各传感器收集发动机、燃料供给系统的各种运行和状态参数，并将参数传达给ECU，根据传感器收集的信息和预定的控制策略控制气体喷射器的喷气量。

图3　高压直喷燃料供给系统示意图

4　高压缸内直喷天然气发动机的应用现状及存在的问题

高压缸内直喷天然气发动机明显提高了天然气发动机的性能，成为当前研究热点。但由于其自身存在对燃油供给系统要求高、成本高等缺点，目前还未得到大规模商业应用。国外少数机型已应用于货车和公交车等车辆，典型的是美国康明斯公司的ISX-G、ISM-G、LSX-G等系列发动机。

相比于国外，国内在高压缸内直喷天然气发动机应用方面还处于试验阶段。2012年潍柴动力西港新能源发动机有限公司推出中国第一台高压缸内直喷天然气发动机，并率先在陕西汽车集团有限责任公司生产的重型卡车上进行了装车匹配试验，车辆各项性能指标完全达到预期要求，将陆续小批量投向市场。

高压缸内直喷天然气发动机存在以下问题：1）该类发动机是在压缩上止点前以较高的压力将天然气喷入气缸内，对燃油供给系统的要求较高。高压条件下气体泄漏风险大，对系统的防爆性能也有较高要求。2）天然气发动机的主要技术核心掌握在西港创新公司，中国对该项技术的研究还较少。3）高压缸内直喷燃油供给系统成本较高，结构复杂，对制造工艺要求较高，短时间内难以在市场上得到广泛应用。4）喷油器内精密偶件受高压燃料的冲刷和机械杂质的磨损，易导致配合表面出现磨损现象，会引起喷油器密封不严、泄漏等问题。

图4　发动机控制系统的组成结构示意图

5　结语

随着科学技术的发展，天然气发动机技术不断完善，有效提高了天然气发动机的性能。天然气发动机高压缸内直喷技术作为一种新型发动机技术，实现了燃气喷射控制的精确性、功能的多样性和控制系统的高可靠性，它将带来更强劲的动力、更高的燃料经济性和适应性，具有广阔的市场和发展潜力，也是当前的研究重点。当然，要想将该技术实现真正意义上的商业化并应用于市场，还需通过不断研究加以完善。

［1］尤秋菊，张来斌，王朝晖，等.天然气发动机供气方式及特点分析［J].内燃机，2007，29（1）.

［2］曹初.基于增压中冷、EGR的重型LNG发动机燃烧排放特性模拟研究［D].重庆：重庆交通大学，2014.

［3］孙济美，张纪鹏，方祖华，等.压缩天然气和液化石油气发动机电控喷气技术研究［J].天然气工业，1998，18 （2）.

［4］李书泽，张武高，黄震.天然气发动机燃料供给系统研究现状［J].农业机械学报，2005，36（2）.

［5］J Jinn.High pressure direct（HPD）injection［A].IANGV′98［C].1998.

［6］Joel Hiltner，Mohammad Samimy.The impact of injection timing on in-cylinder fuel distribution in a natural gas powered engine［R].SAE Paper，1997.

［7］Du uvdle B，Ouellette P，Touehette A，et al.Performance and emissons a two-stroke engines fueled using high-pressure direct injection of natural gas［R].SAE Paper，1998.

［8］李西秦，刘冰.燃气汽车发动机研究现状与发展趋势［J].天然气工业，2009，29（4）.

［9］徐国强，高献坤，侯瑞娟.CNG柴油双燃料发动机供气技术研究［J].内燃机，2004，26（5）.

［10］方祖华.气体燃料发动机缸内喷气技术及燃烧特性的研究［D].长春：吉林工业大学，1997.

［11］王作函.潍柴HPDI天然气发动机上市［J].商用汽车，2012（7）.

［12］黄家义，龚建政，胡伟，等.天然气缸内高压直喷发动机技术［J].机电工程技术，2015，44（2）.

［13］宋钧，黄震，张武高，等.车用天然气发动机技术及其应用［J].天然气工业，2002，22（1）.

［14］James Harrington，Sandeep Munshi，Costi Nedelcu.Direct injection of natural gas in a heavy-duty diesel engine［R].SAE Paper，2002.

［15］林在犁，张笑波，谷达红，等.天然气-柴油双燃料发动机高压直喷技术初探［J].内燃机，2003，25（4）.

［16］崔勇，陈靖芯，王燕，等.柴油汽车SCR技术的应用研究［J].客车技术与研究，2013（3）.

［17］子璐.潍柴WP12HPDI高压直喷燃气发动机［J].建筑机械，2012（6）.

［18］彭忆强，吴琼，黄海波，等.天然气高压直喷发动机应用技术分析［A].中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集［C].2007.

U464.174

A

1671-2668（2016）01-0017-04

2015-11-04