HPDI技術(shù)在天然氣商用車中的應(yīng)用

王江鵬，馮凡，薛強(qiáng)，金茜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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HPDI技術(shù)在天然氣商用車中的應(yīng)用

王江鵬，馮凡，薛強(qiáng)，金茜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘 要：論文對(duì)HPDI（高壓缸內(nèi)直噴）技術(shù)在天然氣商用車中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，對(duì)其市場(chǎng)前景進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，并從HPDI系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)方案、供氣系統(tǒng)技術(shù)方案、動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性研究五個(gè)方面進(jìn)行了具體的闡述。研究表明HPDI技術(shù)在天然氣商用車上應(yīng)用具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。

關(guān)鍵詞：HPDI(高壓缸內(nèi)直噴)；天然氣；商用車；動(dòng)力性；經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)影響，在柴油價(jià)格上漲，運(yùn)輸行業(yè)運(yùn)價(jià)低迷，客戶用車成本增加、盈利空間下降的大環(huán)境下。天然氣商用車以降低運(yùn)營(yíng)成本、創(chuàng)造更大的利潤(rùn)為主要突破口，很好的滿足了客戶需求，得到了廣泛的應(yīng)用。

1、現(xiàn)狀

目前的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)控制以燃?xì)忸A(yù)混合技術(shù)為平臺(tái)，壓縮比為11.6:1，無(wú)論是美國(guó)woodword控制系統(tǒng)，還是日本E-control控制系統(tǒng)，以及澳大利亞的AEC控制系統(tǒng)基本均為此平臺(tái)技術(shù)，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(shè)施的日趨完善，國(guó)際燃油價(jià)格的日益高漲，天然氣重型商用車產(chǎn)品市場(chǎng)進(jìn)一步急劇擴(kuò)大，市場(chǎng)對(duì)天然氣產(chǎn)品的個(gè)性化要求也進(jìn)一步具體和細(xì)化。以燃?xì)忸A(yù)混合技術(shù)為平臺(tái)的天然氣商用車因受制于壓縮比、點(diǎn)火系統(tǒng)可靠性等固有特性影響，在較高海拔地區(qū)無(wú)法正常運(yùn)行。并且如果功率進(jìn)一步提升，會(huì)面臨燃料經(jīng)濟(jì)性下降、冷卻系統(tǒng)可靠性下降、點(diǎn)火系統(tǒng)可靠性下降等問(wèn)題。而建立在新平臺(tái)之上的HPDI(高壓缸內(nèi)直噴）技術(shù)很好的突破了現(xiàn)有技術(shù)及平臺(tái)束縛，能夠滿足市場(chǎng)對(duì)更廣泛地區(qū)適用性、更大功率天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。

2、HPDI技術(shù)優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前，市場(chǎng)上占主流的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)論是單點(diǎn)電噴還是多點(diǎn)電噴，采用的都是與汽油機(jī)相似的火花塞點(diǎn)燃式燃燒技術(shù)，這類天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本比柴油機(jī)節(jié)約不少，但其節(jié)約的成本主要來(lái)源于天然氣與柴油的價(jià)格差。但熱效率低于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，如此一來(lái)，搭載氣體機(jī)的大功率商用車輛在起步和重載行駛時(shí)，勢(shì)必?zé)o法達(dá)到像柴油車一樣的高效率運(yùn)行。而HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式跟柴油機(jī)十分相似，高壓直噴噴嘴也是根據(jù)柴油高壓共軌噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的形式來(lái)設(shè)計(jì)，因此，它的功率和扭矩達(dá)到了同排量柴油機(jī)的水平，比點(diǎn)燃式氣體發(fā)動(dòng)機(jī)高出20%；其熱效率與柴油機(jī)相同，比點(diǎn)燃式氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的氣耗低5%-9%。

3、HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)

HPDI（高壓缸內(nèi)直噴）技術(shù)是在壓縮沖程上止點(diǎn)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(diǎn)火，不僅提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比、又不需要點(diǎn)火系統(tǒng)，避免使用當(dāng)前市場(chǎng)主流的單點(diǎn)或多點(diǎn)火花塞點(diǎn)燃式燃燒技術(shù)，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(nèi)，利用高壓氣流運(yùn)動(dòng)將柴油、天然氣、空氣進(jìn)行充分混合，使燃料燃燒更加充分，提高燃燒效率；

(3)HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比可達(dá)到17:1[2]，基本達(dá)到柴油機(jī)水平，與普通LNG發(fā)動(dòng)機(jī)（火花塞單點(diǎn)點(diǎn)火，點(diǎn)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(yōu)勢(shì)。

4、供給系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的高效率，必須要有一套非常成熟的天然氣儲(chǔ)存和供給系統(tǒng)。HPDI供給系統(tǒng)采用液化天然氣（LNG）作為車用天然氣的存儲(chǔ)形式，其主要部件為插入瓶體的往復(fù)式低溫高壓柱塞泵[1]。安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)端的取力油泵驅(qū)動(dòng)該柱塞泵工作，燃料供給系統(tǒng)的ECU與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU聯(lián)動(dòng)控制泵出液體的數(shù)量，使燃?xì)庠诒皿w內(nèi)氣化且加壓至30MPa、溫度滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的需求，保證供給發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)鉁囟取毫?、流量穩(wěn)定可靠。

(1)區(qū)別于現(xiàn)有平臺(tái)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(tǒng)的安全性；

(2)區(qū)別于現(xiàn)有平臺(tái)的車用LNG氣瓶自增壓系統(tǒng)，燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度得到大幅提高，這一點(diǎn)對(duì)不了解LNG特性的車輛駕駛員非常重要。

5、動(dòng)力性

通過(guò)對(duì)搭載HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣商用車進(jìn)行動(dòng)力性試驗(yàn)， HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)繼承了柴油機(jī)在高原區(qū)域所表現(xiàn)的優(yōu)良性能，能夠很好的適應(yīng)高原地區(qū)環(huán)境。搭載普通天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的商用車在2800m以下區(qū)域運(yùn)行不存在問(wèn)題，但在2800m～3500m區(qū)間就較為吃力，在海拔3500m以上區(qū)域發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失大約在50%以上，車輛根本無(wú)法正常運(yùn)行。由于HPDI的工作原理與柴油機(jī)較為類似，經(jīng)實(shí)車試驗(yàn)表明，樣車可在4767m高海拔地區(qū)正常工作，具有與柴油車相同的動(dòng)力性能。

6、經(jīng)濟(jì)性

與相同配置柴油機(jī)相比，動(dòng)力性相當(dāng)，百公里燃料成本下降了約25%；與普通氣體機(jī)相比，經(jīng)濟(jì)性提高5%～9%，最小燃料消耗率降低約10%。首先往復(fù)式低溫高壓柱塞泵消除了環(huán)境溫度對(duì)燃?xì)鈮毫Φ挠绊?，直接從氣瓶中泵取發(fā)動(dòng)機(jī)所需的燃料，使系統(tǒng)對(duì)燃料的消耗能夠精確控制，同時(shí)，高壓直噴噴嘴具備分配、計(jì)量、定時(shí)、噴射天然氣和柴油兩種燃料的功能[1]，能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)精確控制性能，進(jìn)而降低燃料消耗。

7、推廣應(yīng)用

HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)零部件與柴油機(jī)通用性高，無(wú)需改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)本體，同時(shí)可靠性達(dá)到同功率柴油機(jī)水平。由于其熱效率高，排氣溫度會(huì)因此降低，故有更高的潛在可靠性。

達(dá)到國(guó)五排放增加成本相對(duì)較小，易于推廣應(yīng)用，對(duì)降低機(jī)動(dòng)車尾氣排放，保護(hù)大氣環(huán)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?xì)浠衔锝档?0%，氮氧化合物降低45%，顆粒物排放降低70%，有利于實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)對(duì)能源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

HPDI技術(shù)的性能符合市場(chǎng)和整車企業(yè)對(duì)LNG車輛技術(shù)的期望。3～5年后，HPDI技術(shù)會(huì)因?yàn)榧夹g(shù)的成熟和國(guó)產(chǎn)化后成本大幅度降低而得到廣泛應(yīng)用。其整車成本仍會(huì)較普通天然氣商用車產(chǎn)品高出一定的差距，但已在市場(chǎng)可以接受的范圍內(nèi)。

8、總結(jié)

通過(guò)對(duì)HPDI系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)及供給系統(tǒng)技術(shù)方案、動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性等方面的論述，顯而易見(jiàn)HPDI技術(shù)在商用天然氣車領(lǐng)域具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，隨著HPDI各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和完善，HPDI汽車憑借自身無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)將會(huì)給我們帶來(lái)不可估計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)將成為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒理論上的又一革命，成為商用車發(fā)展史上的重要里程碑，標(biāo)志著中國(guó)的天然氣商用車將迎來(lái)一個(gè)全新的時(shí)代。

參考文獻(xiàn)

[1] 林在犁,張笑波,谷達(dá)紅,劉愛(ài)軍.天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高壓直噴技術(shù)初探[J].內(nèi)燃機(jī).2013.8.

[2] 耿志勇,李麗君.柴油-天然氣雙燃料重卡簡(jiǎn)介及市場(chǎng)前景分析[J].汽車實(shí)用技術(shù).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(jiǎn)介：王江鵬，就職于陜西重型汽車有限公司。

中圖分類號(hào)：U469.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)02-136-02