高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

王震華 閆立冰

摘要：缸內(nèi)高壓直噴（HPDI）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是一款缸內(nèi)噴入少量柴油、引燃直噴入缸內(nèi)的天然氣的1A型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)可以保持同排量柴油機(jī)原有的性能;與傳統(tǒng)點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，主要優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為動(dòng)力強(qiáng)勁，燃?xì)庀牡?，可靠性高，排溫低，響?yīng)快;與進(jìn)氣道噴射雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)相比，替代率高，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯，市場(chǎng)前景光明。

Abstract： Nature Gas High Pressure Direct Injection （HPDI） dual-fuel type 1A engine injects a little diesel as pilot fuel， which will combust by compression， then nature gas will be injected into cylinder and be ignited by the flame. HPDI dual-fuel engine has the same power as diesel engine with same displacement， compare to spark ignition engine ，HPDI engine has higher power， lower fuel consumption， longer durability， lower exhaust temperature， quicker response;compare to dual-fuel engine which injects gas at manifold， HPDI engine has higher replace ratio， more economical. HPDI engine has bright future.

關(guān)鍵詞：高壓直噴;1A型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī);技術(shù)

Key words： HPDI;dual-fuel type 1A engine;technology

中圖分類號(hào)：U464.174? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0037-02

0? 引言

隨著能源危機(jī)和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，天然氣作為替代能源，因安全無(wú)毒、熱值高、易提煉、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

在沒(méi)有火源的情況下，天然氣很難被壓燃。①基于柴油機(jī)改制天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，需要去掉燃油系統(tǒng)，安裝火花塞，增加燃?xì)夤┙o裝置、節(jié)氣門(mén)等。為防止發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，需要降低壓縮比，和柴油機(jī)相比，火花點(diǎn)火式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降約20%左右。而且由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排溫高，需要重新設(shè)計(jì)進(jìn)排氣門(mén)、增壓器、缸蓋等。②對(duì)于保留柴油燃油系統(tǒng)、增加燃?xì)膺M(jìn)氣道噴射裝置的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，替代率大概在50%到70%，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)不明顯。

為更加充分的發(fā)揮天然氣的優(yōu)勢(shì)，加拿大西港公司提出了天然氣高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)，并推出了解決方案。

1? 缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)介紹

HPDI發(fā)動(dòng)機(jī)是缸內(nèi)噴入少量柴油、引燃天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)，其保留了原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給系統(tǒng)，增加了燃?xì)夤┙o系統(tǒng)以及相應(yīng)的液壓裝置，后處理系統(tǒng)與原柴油機(jī)相同。其著火方式、燃料供給方式、后處理等與普通火花點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣道噴射燃料式發(fā)動(dòng)機(jī)不同，如表1所示。

為了實(shí)現(xiàn)天然氣的缸內(nèi)直噴，需要設(shè)計(jì)專用的液壓裝置將燃?xì)饧訅海⒃O(shè)計(jì)了專用噴嘴。其系統(tǒng)示意圖1所示。

1.1 著火方式

因天然氣很難被壓燃，設(shè)計(jì)了專用噴射閥取代原柴油機(jī)噴油器。如圖2所示：噴射閥采用嵌套結(jié)構(gòu)，燃油、燃?xì)夥謩e接入噴射閥，使用兩個(gè)相互獨(dú)立的電磁閥控制燃油、燃?xì)?，?shí)現(xiàn)燃油、燃?xì)猹?dú)立噴射。在每個(gè)循環(huán)，首先噴入極少量的柴油，在柴油壓燃后，在合適的時(shí)刻噴入燃?xì)?，利用燃油燃燒的火焰引燃天然氣，?shí)現(xiàn)天然氣的燃燒做功。在每個(gè)工作循環(huán)，燃油起到引燃作用，對(duì)扭矩的貢獻(xiàn)很小，做功主要靠燃?xì)馔瓿?。燃油噴射量很少，一般占到燃料總量?%，屬于1A型雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.2 燃?xì)夤┙o

1.2.1 高壓燃?xì)獠糠?/p>

LNG氣罐中有燃?xì)鈮嚎s泵，高壓油驅(qū)動(dòng)罐內(nèi)燃?xì)鈮嚎s泵做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)燃?xì)鈮嚎s泵將液態(tài)天然氣壓縮到30MPa，被壓縮的液態(tài)天然氣經(jīng)過(guò)換熱變?yōu)楦邏簹鈶B(tài)天然氣，進(jìn)入緩沖罐，經(jīng)過(guò)調(diào)壓器（GCM）后，進(jìn)入天然氣氣軌，最后進(jìn)入噴射閥，如圖3所示。其中GCM連接柴油高壓油軌，通過(guò)柴油軌壓對(duì)燃?xì)鈮毫M(jìn)行調(diào)節(jié)（見(jiàn)圖1）。

1.2.2 液壓油部分

LNG氣罐中的燃?xì)鈮嚎s泵由液壓油驅(qū)動(dòng)。由發(fā)動(dòng)機(jī)的后取力提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)液壓油泵，液壓油泵壓縮液壓油經(jīng)過(guò)旁通閥、換向閥等去驅(qū)動(dòng)天然氣壓縮泵。因液壓油壓縮后溫度上升，需要添加風(fēng)扇對(duì)液壓油進(jìn)行散熱。

1.2.3 燃?xì)鈸Q熱部分

被燃?xì)鈮嚎s泵從氣罐壓出來(lái)的液態(tài)天然氣溫度很低，需要在換熱器中經(jīng)換熱后變?yōu)闅鈶B(tài)。其熱量由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液提供。

2? 缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)優(yōu)勢(shì)

①經(jīng)濟(jì)性：試驗(yàn)以及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，天然氣的替代率在95%以上，替代率高，燃料經(jīng)濟(jì)性較柴油機(jī)有很大提高。②可靠性：發(fā)動(dòng)機(jī)排溫較原柴油機(jī)下降約100℃左右，零部件的熱負(fù)荷降低，耐久性提高。③動(dòng)力性：動(dòng)力性和原柴油機(jī)相同，并且響應(yīng)性也不受影響;和進(jìn)氣道噴射的火花點(diǎn)火天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比響應(yīng)性有很大的提高。④環(huán)保性：因柴油量很少，其排放污染物中PM降低最明顯，和柴油機(jī)相比，可以降低70%。CO降低60%，NOX降低約45%。

3? 缸內(nèi)高壓直噴技術(shù)推廣應(yīng)用

目前加拿大西港公司分別同康明斯、沃爾沃、濰柴動(dòng)力股份有限公司合作推出了各自的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品，并投放市場(chǎng)，市場(chǎng)反應(yīng)良好。

北美市場(chǎng)：西港公司同康明斯合作，在美國(guó)和加拿大銷售。

歐洲市場(chǎng)：西港公司和沃爾沃聯(lián)合開(kāi)發(fā)的G13C LNG發(fā)動(dòng)機(jī)在歐洲市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始配套發(fā)售。

中國(guó)市場(chǎng)：西港公司同濰柴動(dòng)力股份有限公司合作，推出了WP12車用發(fā)動(dòng)機(jī)，6M26船用發(fā)動(dòng)機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造：上冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]GB 17691-2018，重型柴油機(jī)污染物排放限制及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）[S].2018-6-22.

[3]方祖華.氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴氣技術(shù)及燃燒特性的研究[D].長(zhǎng)春：吉林工業(yè)大學(xué)，1997.