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根据天然气喷射压力高低,缸内直喷天然气发动机可以分为低压喷射和高压喷射两种。低压喷射天然气发动机是在进气阀关闭后,将天然气喷入气缸,在着火之前形成均质的预混合气并采用电火花点火或喷入少量引燃油使混合气燃烧。由于天然气是在进气阀关闭后喷射,因而喷射压力比较低,通常在0.2~1.0MPa之间。采用缸内直喷后,提高了发动机的有效充气效率,因而发动机的最大功率提高了9%左右。但是,低压缸内直喷发动机的燃烧过程类似于火花点火天然气发动机,因而发动机的压缩比较低,限制热效率进一步提高。另外,由于仍然需要采用节气门通过节流作用调节发动机的充量,在中小负荷条件下节流损失大。

中国首台大功率高压直喷天然气发动机

天然气高压缸内直喷技术是在压缩上止点前用高压方式喷入天然气,通过喷入的微量柴油引燃或电热塞助燃天然气,实现天然气的非均质混合气扩散燃烧。因而能够很好地解决低压缸内直喷和缸外供给天然气发动机存在动力性差、热效率不高及中小负荷性能不良等问题。采用天然气高压缸内直喷技术,发动机不需要节气门,因而不存在节气门节流损失及因天然气引起的容积效率损失。由于以天然气的燃烧为主,因而具有无可见烟度排放的特点;同时采用扩散燃烧方式,可具有与柴油机相当的CO和HC排放性能。

潍柴HPDI发动机所采用的技术基于Philip Hill博士在20世纪80年代早期的研究,利用高压共轨直喷燃料系统,在压缩上止点前用5%的柴油喷入气缸引燃,95%的天然气以300bar的压力喷入到火焰中成为主燃料燃烧做功,由此颗粒物质排放降低70%,CO2降低约20%,达到“国V”排放标准。而柴油机要达到“国V”排放则需要采用成本较高的SCR(Selective Catalyst Reduction选择性催化还原系统)。

环保与经济

对于HPDI发动机的特点,潍柴动力董事长谭旭光总结说:“HPDI发动机的特点是使用清洁环保的天然气,因而具有两个特性,一个是环保性好,一个是经济性好,可以给用户带来实惠和利润。”

使用HPDI发动机,经济效益显著。首先,天然气价格低于柴油价格;其次,无节流阀发动机负载控制,节省了燃料的消耗;高压直喷喷嘴根据共轨喷射发动机设计,能够进一步提升性能,降低燃料消耗、排放和噪音。因此,用户的燃料成本可大幅度降低。

就可靠性来说,HPDI发动机零部件与柴油机通用性高,无需改动活塞和发动机本体,其运转形式与柴油机相同,可靠性能够达到同功率柴油机水平。由于排气温度低,有潜在的更高的可靠性。此外,HPDI发动机无需空燃比的控制,可避免爆震和失火。其热负荷也低于火花塞点燃式燃气发动机。

HPDI发动机保持了与原柴油机相同的功率和扭矩(WP12HPDI蓝擎发动机的额定功率为480hp/2100rpm,最大扭矩为1970N·m/1200~1500rpm),其动力性与柴油机完全相同,比火花塞点燃式燃气发动机功率和扭矩提高20%,可以解决点燃式燃气发动机高原功率不足的问题。

随着中国节能环保及能源多样化政策的进一步落实,高压直喷天然气发动机在中国将有着不可估量的市场前景。同时,潍柴动力也正在致力于推广该项技术应用于更广泛的天然气发动机平台上,从而推动我国天然气发动机技术的跨越式发展。