混合高压直接喷射器进展及分析

牛海杰　王亚妹　陈晋兵　王尚学　董江峰（-中国北方发动机研究所天津300400-北京航空航天大学能源与动力工程学院）

混合高压直接喷射器进展及分析

牛海杰1王亚妹2陈晋兵1王尚学1董江峰1
（1-中国北方发动机研究所天津3004002-北京航空航天大学能源与动力工程学院）

基于HPDI喷射技术，介绍了一种新的混合高压直接喷射器（简称Co-injector）的结构、工作过程及特点，之后介绍了国外相关人员在混合高压直接喷射器排放特性方面的研究，最后通过分析提出了混合高压直接喷射器仍需要完善的一些技术问题。

混合高压直接喷射器HPDI引燃喷射天然气

引言

随着社会的发展和人们生活水平的提高，全球范围内汽车保有量在逐年提高。汽车保有量的增长，使得环境污染和能源危机日益严重。为了解决这些问题，迫切需要对传统的车用内燃机进行改造。天然气作为一种主要的替代燃料，正在发挥着越来越重要的作用，研究天然气内燃机已经成为了热点。

当前开发的天然气发动机主要有3种：化学计量比点燃式、稀燃点燃式以及柴油引燃式发动机，其中柴油引燃式缸内高压直接喷射技术［1］（HPDI）是当前发展的最新技术，该技术是由加拿大西港创新公司开发的，HPDI技术使用极少量的高压柴油直接喷入燃烧室，待柴油被压燃后引燃喷入的天然气。使用该技术可以使发动机在保持原柴油机相同的功率和扭矩下，极大地降低PM及NOx等尾气的排放。

HPDI技术中最核心的就是可以同时喷射柴油和天然气的HPDI喷射器，本文在HPDI喷射器的基础上，介绍了一种新的柴油天然气喷射器：混合高压直接喷射器（Co-injector）

1　Co-injector喷射器

1.1Co-injector喷射器的原理

Co-injector是在HPDI喷射器的基础上改进得到的，与HPDI的不同是柴油喷射系统，主要的改动是在HPDI喷射器柴油针阀的顶端加入堵塞块，并在天然气气体针阀上打孔形成新的柴油喷射孔，使得柴油通过新的喷射孔进行喷射［2］，图1为Co-injector的结构图。

在Co-injector中，柴油不是直接喷入到气缸中的，而是首先喷入到可以储存天然气气体和柴油的混合腔中，之后再通过开启气体针阀将天然气和柴油的混合气喷入到燃烧室中进行燃烧。

1.2Co-injector的工作过程

对于混合喷射器，喷射器正常工作时喷射过程分为3部分：柴油预喷射、引燃气体喷射以及主气体喷射。图2为3种喷射过程。

图1　Co-injector的结构图

图2　Co-injector的工作过程

在预喷射中，柴油喷射针阀打开，柴油喷入到储存气体和柴油的混合腔中。对于HPDI喷射器，引燃喷射过程是将柴油直接喷入到燃烧室。预喷射结束后柴油针阀关闭，气体针阀打开，柴油和天然气组成的混合气通过气体针阀喷入燃烧室，该喷射过程称为引燃喷射，它的目的是通过柴油引燃天然气。在引燃喷射之后不久，气体针阀又一次打开，此时开始喷射主天然气。图3为Co-injector柴油和气体喷射影响时刻图。

图3　Co-injector柴油和气体喷射影响时刻图

2　Co-injector排放特性研究

由于目前国内尚没有研究人员对Co-injector进行过具体的研究，本文主要介绍了国外相关人员在Co-injector排放特性方面的研究。

Chin和Lefebvre［3］研究了HPDI Co-injector内部流体的4种流动状态，分别为：泡状流、塞状流、环状流和分散流。图4为喷射器内部的4种可能的流动状态。

图4　HPDI Co-injector 4种流动状态：

当喷射压力增加时，形成泡状流时要求更高的气体/柴油质量比。在喷射压力为0.8 MPa时，气体/柴油质量比大于0.4时，液体将会被气体完全打碎，以液滴的形态分散在雾化气体中，此时产生更少的未燃燃料和CO的排放。

Mikawoz［4］等人对Co-injector内部液体和气体的分布进行了可视化的研究，研究了开始喷射后不同时刻柴油的分布，从影像记录中可以得到在喷射开始时大部分的燃油已经很好地进行了雾化，说明Co-injector与HPDI喷射器相比，在刚开始喷射后产生的PM量更低。

Heather Jones［5-7］比较了Co-injector和HPDI喷射器在不同转速和负荷下发动机NOx、CO、PM和THC的排放量，试验表明：在低负荷低转速下，Co-injector产生的tHC和CO较多，但是NOx和PM的量很低；在高负荷低转速下，Co-injector产生的THC量与HPDI喷射器相比略微较高，NOx和CO的排放两者接近，但是PM的量很低；在高负荷高转速下，Co-injector产生的PM更低，燃油消耗率更低，NOx、THC和CO的排放量类似。试验说明在没有增加NOx、CO和THC的基础上，Co-injector与HPDI喷射器相比极大地改进了PM的排放。

继续Heather Jones的工作，McTaggart-Cowan［8-9］研究了如何在低负荷下减少THC的排放，研究发现较高的THC和燃烧循环变动是由于较低的柴油/气体体积比，增加体积比导致更小的循环变动，更少的未燃燃料和CO的排放。

加拿大British Columbia大学的Benjamin Scott Brown［10］和Dr.Steve Rogak等人将Co-injector安装在康明斯的单缸发动机上，该单缸发动机是由康明斯ISX型四缸发动机改进得到的，并进行了试验，比较了Co-injector和HPDI喷射器排放的差异，研究进一步表明相同条件下，在没有增加NOx、CO和THC的基础上，Co-injector产生的PM排放更低。

之后他们在Co-injector原型的基础上进行了改进，在天然气和柴油的混合腔中加入了圆形的套筒，套筒减少了存储腔33%的体积，存储腔内部最小的环面从30 mm2减小到10 mm2，混合气流速增加到了原来的3倍。试验结果表明：改进后的模型比原模型表现出更短的点火延迟，CO和NOx的排放更低，原因主要是由于较高的流速可以更有效卷吸柴油使其远离壁面，同时能更快将柴油带出喷射器，喷入燃烧室。

通过以上的研究分析可以得出，在Co-injector内部，柴油和天然气混合得更加充分，具有更好的排放特性，相同条件下，在没有增加NOx、CO和THC的基础上，Co-injector产生的PM排放更低。

3　Co-injector的特点及发展

3.1Co-injector自身的优势

由于Co-injector是在HPDI喷射器的基础上改进得到的，它除了具有HPDI喷射器的优势外，由于自身的特点还具有一些独特的优势：

1）Co-injector可以大幅地简化HPDI喷射器的结构和成本，由于柴油是喷入到混合存储腔中，由天然气卷吸进入燃烧室的，从而可以极大地简化柴油喷射系统，进而降低了材料和制造成本。

2）采用Co-injector混合喷射器后，在不增加CO、NOx等排放的基础上可以极大地减少PM的排放。

3）Co-injector由于自身结构的优势，一个气体喷嘴对应着多个柴油喷孔，柴油通过多个喷孔进入混合气的存储腔中，可以保证柴油和天然气混合的更均匀，燃烧更加稳定。

3.2Co-injector需要完善的技术问题

天然气混合高压缸内直接喷射技术具有良好的应用前景和发展潜力。但是由于研究刚刚起步，与实际要求还有很大的差距，其中一些关键的技术仍需要不断地发展和完善。

首先未来的工作应该集中在Co-injector结构优化上，进一步减少HC的排放，以及减少在较高转速下发动机的耗油率。其次，由于混合喷射器与柴油的喷射量有密切的关系，因此如何精确控制引燃喷射期间柴油的喷射量就变得很重要。这就要求对喷射器的结构进行改进，使得柴油喷射量可以通过发动机转速和柴油腔和混合气存储腔的压力差来精确控制。

4　结束语

混合高压缸内直接喷射器由于自身结构的特点，与HPDI相比具有更低的排放特性，尤其是在PM排放方面。但是由于研究刚刚起步，还有一些技术问题需要不断完善发展，展望不久将来，装有混合高压直接喷射器的发动机将会与我们见面。

1林在梨，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（04）：14-16

2Dumitrescu S.，Hill P.，Li G.，et al.Effects of injection changes on efficiency and emissions of a diesel engine fueled by direct injection of natural gas［C］.SAE Paper 2000-01-1805

3Chin J.S.，Lefebvre A.H.Flow regimes in effervescent atomization［J］.Atomization and Sprays，1993，3：463-475

4Sazhin S.，Abdelghaffar，W.A.，Sazhina E.M.，et al.Models for droplet transient heating：Effects on droplet evaporation，ignition，and break-up［J］.International Journal of Thermal Sciences，2005，44（7）：610-622

5Kenzo Nagasaka，Takaaki Takagi，Kazuaki Koyanagi，et al.The development of fine atomization injector［J］.JSAE，2000，21（3）：309-313

6Ghaffarpour，M.，Azarfam，M.，Noorpoor，A.Emissions reduction in diesel engine using new fuel injection system［J］.JSME International Journal，Series B，2006，49（4）：1298-1306

7Lorcher M.，Mewes D.Atomization of liquids by two-phase gas-liquid flow through a plain-orifice nozzle：Flow regimes inside the nozzle［J］.Chemical Engineering Technology，2001，24（2）：167-172

8McTaggart-Cowan，G.P.，W.K.Bushe，S.N.Rogak，et al.Injection parameter effects on a direct injected，pilot ignited，heavy duty natural gas engine with EGR［J］.Journal of Fuels and Lubricants，2003，112（4）：2103-2109

9McTaggart-Cowan，G.P.，W.K.Bushe，P.G.Hill，et al.A supercharged single-cylinder heavy-duty engine for high pressure direct injection of natural gas［J］.International Journal of Engine Research，2004，4（4）：315-330

10 Benjamin Scott Brown.High-pressure direct-injection of natural gas with entrained diesel into a compression-ignition engine［D］.Columbia：University of British Columbia，2006：16-18

The Development and Analysis of HPDI Co-injector

Niu Haijie1，Wang Yamei2，Chen Jinbing1，Wang Shangxue1，Dong Jiangfeng1
1-China North Engine Research Institute（Tianjin，300400，China）2-School of Jet Propulsion，Beijing University of Aeronautics and Astronautics

Based on the HPDI，this paper introduces the structure，working process，characteristic of a new high pressure direct injector（Co-injector）.After introducing the foreign relevant research about emissions characteristic，some technical problems which still need to be perfected are proposed.

Co-injector，HPDI，Pilot injection，Natural gas

TK421+.4

A

2095-8234（2016）04-0084-03

2016-05-04）

牛海杰（1986-），男，硕士，助理研究员，主要从事发动机性能开发及电控标定工作。