高压直喷天然气发动机技术简介

王震华 闫立冰

摘要：缸内高压直喷（HPDI）天然气发动机是一款缸内喷入少量柴油、引燃直喷入缸内的天然气的1A型双燃料发动机。HPDI发动机可以保持同排量柴油机原有的性能;与传统点燃式天然气发动机相比，主要优势表现为动力强劲，燃气消耗低，可靠性高，排温低，响应快;与进气道喷射双燃料发动机相比，替代率高，经济优势明显，市场前景光明。

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.

關键词：高压直喷;1A型双燃料发动机;技术

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

中图分类号：U464.174                               文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0037-02

0  引言

随着能源危机和排放法规的日益严格，天然气作为替代能源，因安全无毒、热值高、易提炼、储量丰富等优点，在汽车领域的应用越来越广泛。

在没有火源的情况下，天然气很难被压燃。①基于柴油机改制天然气发动机，需要去掉燃油系统，安装火花塞，增加燃气供给装置、节气门等。为防止发动机爆震，需要降低压缩比，和柴油机相比，火花点火式天然气发动机功率下降约20%左右。而且由于天然气发动机排温高，需要重新设计进排气门、增压器、缸盖等。②对于保留柴油燃油系统、增加燃气进气道喷射装置的双燃料发动机，替代率大概在50%到70%，经济性优势不明显。

为更加充分的发挥天然气的优势，加拿大西港公司提出了天然气高压缸内直喷技术，并推出了解决方案。

1  缸内高压直喷技术介绍

HPDI发动机是缸内喷入少量柴油、引燃天然气的发动机，其保留了原柴油发动机的燃油供给系统，增加了燃气供给系统以及相应的液压装置，后处理系统与原柴油机相同。其着火方式、燃料供给方式、后处理等与普通火花点火式发动机、进气道喷射燃料式发动机不同，如表1所示。

为了实现天然气的缸内直喷，需要设计专用的液压装置将燃气加压，并设计了专用喷嘴。其系统示意图1所示。

1.1 着火方式

因天然气很难被压燃，设计了专用喷射阀取代原柴油机喷油器。如图2所示：喷射阀采用嵌套结构，燃油、燃气分别接入喷射阀，使用两个相互独立的电磁阀控制燃油、燃气，实现燃油、燃气独立喷射。在每个循环，首先喷入极少量的柴油，在柴油压燃后，在合适的时刻喷入燃气，利用燃油燃烧的火焰引燃天然气，实现天然气的燃烧做功。在每个工作循环，燃油起到引燃作用，对扭矩的贡献很小，做功主要靠燃气完成。燃油喷射量很少，一般占到燃料总量的5%，属于1A型双燃料发动机。

1.2 燃气供给

1.2.1 高压燃气部分

LNG气罐中有燃气压缩泵，高压油驱动罐内燃气压缩泵做往复运动，通过燃气压缩泵将液态天然气压缩到30MPa，被压缩的液态天然气经过换热变为高压气态天然气，进入缓冲罐，经过调压器（GCM）后，进入天然气气轨，最后进入喷射阀，如图3所示。其中GCM连接柴油高压油轨，通过柴油轨压对燃气压力进行调节（见图1）。

1.2.2 液压油部分

LNG气罐中的燃气压缩泵由液压油驱动。由发动机的后取力提供动力，驱动液压油泵，液压油泵压缩液压油经过旁通阀、换向阀等去驱动天然气压缩泵。因液压油压缩后温度上升，需要添加风扇对液压油进行散热。

1.2.3 燃气换热部分

被燃气压缩泵从气罐压出来的液态天然气温度很低，需要在换热器中经换热后变为气态。其热量由发动机冷却液提供。

2  缸内高压直喷技术优势

①经济性：试验以及实际应用结果表明，天然气的替代率在95%以上，替代率高，燃料经济性较柴油机有很大提高。②可靠性：发动机排温较原柴油机下降约100℃左右，零部件的热负荷降低，耐久性提高。③动力性：动力性和原柴油机相同，并且响应性也不受影响;和进气道喷射的火花点火天然气发动机相比响应性有很大的提高。④环保性：因柴油量很少，其排放污染物中PM降低最明显，和柴油机相比，可以降低70%。CO降低60%，NOX降低约45%。

3  缸内高压直喷技术推广应用

目前加拿大西港公司分别同康明斯、沃尔沃、潍柴动力股份有限公司合作推出了各自的发动机产品，并投放市场，市场反应良好。

北美市场：西港公司同康明斯合作，在美国和加拿大销售。

欧洲市场：西港公司和沃尔沃联合开发的G13C LNG发动机在欧洲市场已经开始配套发售。

中国市场：西港公司同潍柴动力股份有限公司合作，推出了WP12车用发动机，6M26船用发动机。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造：上册[M].机械工业出版社，2001.

[2]GB 17691-2018，重型柴油机污染物排放限制及测量方法（中国第六阶段）[S].2018-6-22.

[3]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.