天然气缸内高压直喷发动机技术.pdf

与开发 DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 2 3 天然气缸内高压直喷发动机技术 黄家义 ，龚建政 。 ，胡 伟 ，高申德 1 海军工程大学， 湖北武汉4 3 0 0 0 0 ；2 ． 安庆中船柴油机有限公 司，安徽安庆 2 4 6 0 0 5 摘 要内燃机 ， 泛应用 以来，跨越 了一个 世纪 ，在如今能源短缺及生态环境恶化 的大背景下 ，所造成 的影 响已经 成为亟需 解 决的课 题。为了解决这个问题 ，天然气在柴油发动机的上应用成为 了热 门课题 。通过 设计缸 内直 喷发 动机 的燃 料供 给系统及 整 个系统的控制策略 ，得 出其优越性 ，l片且通 过对 比分析指 出了缸 内直 喷技术在 国内发展 的困难 。 关键词 内燃机 ；天然气 ；缸 内高 直喷 中图分类号T K 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 51 0 2 0 0 8 00 4 T e c h n o l o g y o f Ga s E n g i n e Di r e c t I n j e c t i o n i n Hi g h P r e s s HUANG J i a y i 。。 ，GONG J i a n z h e n g 。HU We i ，GAO S h e n d e 。 1 ． Na v a l U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ，Wu h a n 4 3 0 0 0 0 ，Ch i n a ； 2 ． An q i n g CS S C D i e s e l En g i n e Co ． ，L t d ． ，An q i n g 2 4 6 0 0 5，C h i n a ， Abs t r a c t As i n t e r n a l c o mbu s t i o n e n g i n e ha v e b e e n u s e d f o r a c e n t u r y wi d e l y ， a t t h e s i t u a t i o n wh e r e i s l a c k o f e n e r g y a n d e l i v i r o n m i I [ wo r s e n， t h e i n flu e n 一e i t c a u s e d h a v e a l r e a d y b e e n a n i s s u e wh i c h mu s t be s o l v e d． I n o r d e r t o s o l v e t hi s p r o b l e m ， t h e n a t u r a l g a s a p p l i e d O i l d i e s e l e n g i n e b e c o me h o t t o p i c ． B y ri s e o f t h e d e s i g n o f f u e l s u p p l y s y s t e m o f d i r e c t i n j e c t i o n e n g i n e i n c y l i n d e r a n d c o n t r o l s t r a t c g y o f w h o l e s y s t e n l i n t h i s a r t i c l e ， d r a w a c n n c l u s i o n a b o u t i t s s u p e r i o r i t y ． An d m o r e ， d i r e c t i n j e c t t e c h n o l o g y w a s d e v e l o p e I d i f f ic u l t l y i n t e r i o r l y， t h i s di f fi e u h y we r e p o i n t e d o u t i n t h i s a r t i e l e ． Ke y w o r d s i n t e r n a l 一 ．o mb u s t i o n e n g i n e ；n a t u r a l g a s ；h i g h p r e s s u r e d i r e c t i n j e c t i o n i n c y l i n d e r 1 缸 内直 喷技术研 究背景 抗爆性能的要求，发动机对燃气的适应性好。 1 ． 1 缸 内直喷技术简介 动力性好 。由于不存在爆燃问题 ，缸内直喷 缸外进气发动机是天然气进入气缸之前 已经 天然气发动机可采用 的压缩 比可 以与柴油机 的压 在进气总管 或者进气支管 与空气混合进入气 缩 比相当，因而具有较好的动力性。 缸 ，与空气 一起参与缸内压缩冲程 ，由微量柴油 实现较好的排放性能 。采用缸 内高压直喷技 引燃 。天然气高压缸内直喷技术是在空气压缩到 术 ，可实现天然气与空气 的非均质扩散燃烧 ，缩 上止点前以很高的压力喷入天然气 ，用微量柴油 短预混燃烧过程 ，降低最高燃烧压力和温度，从 引燃 ，并不参与压缩冲程 。 而减少噪音和 N O 排放量。通过 调整柴油和天然 由于天然气是在压缩行程 以气态形式高速喷 气喷射 的相对时间 ，可使 得噪音和 N 0 排放进一 人气缸，有足够的时间与空气混合，故形成的混 步降低。 合气基本 是混合气，同时天然气直喷可实现快 调速性能较好。与缸外进气式发动 J L q 同， 速燃烧，缩短喷射时刻与点火时刻的时间差可明 缸内直喷式发动机由于喷射压力稳定 ，只需通过 显缩短燃烧期1 。 调节燃 气喷射 阀 的开 启 时问 即可 快速调 节供 气 1 _ 2 缸内直喷发动机的优点 量 ，与增压压力等 因素无关 ，故其调速性能相对 由于燃气并不参与压缩过程 ，因此对其没有 较好 。 收稿 日期 2 0 1 4 ～1 20 7 『 _■ 工_ ■] 黄家义等天然气缸内高压直喷发动机技术 研究与 能显著减小或 消除气体燃料所导致 的充量效 率损失 ，避免扫气时的燃料损失。 能通过燃料喷射正时、空燃 比和点火提前角 等参数的协同优化匹配 ，强化燃烧过程控制。 1 ． 3 缸内直喷技术研究现状 天 然气 缸 内直 喷技术 是 当前研 究 前沿 及热 点，国内有过研究 ，但局限于单缸机上的燃烧理 论和实验分析 ，并没有实现产品化设计分析。 卡特彼勒发动机研究所研制的 3 5 0 1 天然气直 喷发动机在标定工况下 ，该发动机 的热效率超过 原柴 油机 ，无可见烟排放 ，N O 排放 比同型柴油 机低 ，燃料经济性明显优于原柴油机 。但是 当使 用一个或两个 电热塞 时 ，在燃烧 之前要求天然气 喷束与空气大量 昆 合 ，使滞燃期延长 ，增加预混 合燃烧 时间 ，不利于抑制 N O 排放 ；电热塞 的温 度控制、能量消耗及使用可靠性等因素是影响此 发动机性能的关键 因素。 以美 国西南研究所优选 出的液化天然气机车 燃烧系统方案为基础开发的微引燃高压直喷系 统 ，引燃油 和天然气各使用一个喷射器 ，采用两 套电子控制装置 ，排放指标达到设计要求 ，并保 持了原机 良好的热效率。但由于采用扩散燃烧方 式 ，会 引起 中小负荷时混合气过稀而造成燃烧不 良的现象 真正完成产 品化开发仅有加拿 大 We s t p o r t 公 司根据 B r i t i s h C o l u mb i a 大学 的柴 油微 引燃 天然气 高压缸 内直 喷 HP D I 技术开发出的样 机并示范应 用 。We s t p o rt公司 HP D I 的技术方案为 采用两套 高压共轨系统 。在压缩 冲程后期 ，通过喷人适 量 柴油形成火核，引燃随后喷射的高压天然气 喷射 压力约 2 4 MP a 。整个燃烧过程类似柴油机扩散燃 烧 ，其 优点 为 发动 机压缩 比维 持原柴 油机 状 态 ，热效率高 ，因而燃料经济性好 ，且动力性与 原机 相 当。但 H P D I 技 术在 国 内应 用并 不顺 利 。 H P D I 技术需要柴油和天然气两套高压共轨 系统 ， 成本很高 ，零部件的可靠性要求也高，不利于产 业化推广应用 。 目前国内市场在售的直喷机型普 遍为均质燃烧。 我 国首 台大功率缸 内高压直喷压燃式天然气 发动机 H P D I 发动机由潍柴动力西港新能源发 动机有限公司推出。H P D I 发动机采用氧化型催化 剂 ，在压缩 上止点采用 5 ％的柴油喷入气缸引燃 ， 9 5 ％的天然气以 3 0 0 b a r 的压力喷入火焰 中成为主 燃料燃烧做功。 2 L N G缸 内直 喷柴油机主要 系统 2 。 1 燃料供给 缸 内直喷发动机在压缩行程到达上止点之前 进行喷射 ，此时缸 内压力很大 ，天然气要顺利 喷 人缸 内还需穿透一定的距离与空气混合 ，此时喷 射压力必须远远高于缸内的压力才能够达到要 求。因此，天然气高压缸内直喷发动机的燃料供 给系统必须解决 喷射压力保 障问题 ，即 当气瓶 压力低于喷射压力 P 后 ，燃料供给系统还应能保 证气体高压的压力供给 。另一方面 ，天然气的喷 射 时间很短 ，当气轨腔容积不够大时 ，会产生相 邻 喷射 的相互影 响 ，即前 一次气体 喷人气缸后 ， 共 轨腔 内的压力会下 降 ，由于气体的压缩特性 ， 高压气体供给装置不会在两次喷射的极小时间间 隔内将压力恢复到原态 ，所以会形成喷射压力循 环波动现象 ，不能保证在正常计算喷气脉宽下提 供精确的喷气量 。所以燃料供给系统还必须要保 证气 体 的体积供 给 。对于天 然气 的体积供 给 问 题 ，可采用基于天然气发动机 的缸数 、排量 、最 高转速、最大功率、共轨腔压力、喷射时间及其 他流体力学特性等参数建立新的气轨容积模型， 以避免喷射压力循环波动。缸 内直喷简 图及天然 气发动机燃料供给简图如图 l 和图 2 所示 。 厘 巧u L n 1 百 可 I I ． 、． ． 一 一 l 控制器 l 节气门开度信号 一 ＼ - ， 氧 f 、 一 圪 ， 7 ＼ ＼ 1 I 7 } o 图1 缸内直喷示意简图 图2 天然气发动机燃料供给系统简图 2 ． 2 控制系统 天然气发动机电控系统包括电子控制喷射系 统及其它辅助控制系统。电控喷射系统完成天然 气喷射量控制、喷射定时控制等功能。由于在低 负荷和高负荷下的天然气的喷射量是不同的，两 者 的体积差要 比汽油的体积差大很多 。通过流量 控制阀、电子节气门、天然气喷射阀对天然气流 量进行三级控制 ，最终精确控制天然气流量满足 发动机不同工况时的要求 。天然气发动机控制 系 统主要由传感器及信号采集器、微处理器、执行 机构及驱动电路组成。信号采集系统包括节气门 位置传感器 、氧化传感器和曲轴位置传感器等 I。 曲轴位置和节气门位置传感器分别用来测量发动 机 的转速和负荷 ，确定发动机 的运行工况 ；在发 动机启 动时 ，蓄 电池 电压 会发生较大幅度波动 ，直 接 影 响 喷 射 时 间 的准 确 性 ，因此通过采集蓄 电池 电压信号对气体喷射时间 进行补偿；氧化传感器信 号用来测量发动机排气 量 中的氧含量确定混合气 的 浓稀 程度 。微处理器依 据 检测的发动机状态信息和 预定的控制策略通过对气 体喷射器驱 动电路 和点火 驱 动对 喷气 量进 行 控 制 。 当E C U检测到有天然气泄 漏时 ，紧急切断阀会接到 蓄电池 电压 一 节气门位暨 传感器 调速器位置 传感器 曲轴位 置 传感器 氧化传感器 凸轮位璧 传感器 转速传感器 进气压力 传感器 信号切断气路，避免事故发生。控制系统流程如 图 3 所示 。 3 缸内直喷天然气发动机仍存在的一些问题 直喷发动机在广泛应用的同时 ，同样也存在 一 些技术性问题 ，阻碍直喷功能的发挥。国外市 场很多直喷发动机实现了分层燃烧，更加优秀地 发挥 了直 喷发动机的低油耗优势 。 在 国内推广应 用还有存在一些 困难 。 由于要在压缩终点附近将天然气 喷入 ，因而 需要采用高压燃气泵以及高压的气体燃料存贮装 置 ，这种系统结构复杂 ，无论是制造 还是 维护 ， 成本都很高，且对管路要求较高[4 1 ，由于气体压力 很高 ，对管路的材料 、强度 、密封性能等均有很 高要求 ，造成成本增加。 需要在气缸盖上同时布置喷油器和气体燃料 喷射器 ，现今大多天然气发动机的研究都是处于 台架 实验 阶段 ，选 择 的是最基 础 的单 点喷 射进 气 ，而且是从现有柴油机改装 。 高压系统气体泄漏的风险较大，对发动机的 气体探测 、防爆保护方面的要求较高 。由于国内 燃油品质 的限制 ，很多成熟的直喷发动机在 中国 市场出现问题 。国内柴油油品不佳 ，微量柴油喷 射易造成喷嘴积碳和过热，影响可靠性。 4结束语 天然气本身虽具有低排放性能 ，但仅仅将燃 油替换 为天然气并不能达到低排放 以及相应的动 驱动 电路 燃气 喷射 阀 节气 门 紧急 切断阀 一一一一一一一一一一一 _I一一～一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一J 一一一一一一一一一一一 信号系统 控制 系统 执行器 图3 控制系统流程图