混合高壓直接噴射器進(jìn)展及分析

牛海杰　王亞妹　陳晉兵　王尚學(xué)　董江峰（-中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所天津300400-北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

混合高壓直接噴射器進(jìn)展及分析

牛海杰1王亞妹2陳晉兵1王尚學(xué)1董江峰1
（1-中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所天津3004002-北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

基于HPDI噴射技術(shù)，介紹了一種新的混合高壓直接噴射器（簡(jiǎn)稱Co-injector）的結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程及特點(diǎn)，之后介紹了國(guó)外相關(guān)人員在混合高壓直接噴射器排放特性方面的研究，最后通過(guò)分析提出了混合高壓直接噴射器仍需要完善的一些技術(shù)問(wèn)題。

混合高壓直接噴射器HPDI引燃噴射天然氣

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，全球范圍內(nèi)汽車保有量在逐年提高。汽車保有量的增長(zhǎng)，使得環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重。為了解決這些問(wèn)題，迫切需要對(duì)傳統(tǒng)的車用內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行改造。天然氣作為一種主要的替代燃料，正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，研究天然氣內(nèi)燃機(jī)已經(jīng)成為了熱點(diǎn)。

當(dāng)前開(kāi)發(fā)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要有3種：化學(xué)計(jì)量比點(diǎn)燃式、稀燃點(diǎn)燃式以及柴油引燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，其中柴油引燃式缸內(nèi)高壓直接噴射技術(shù)［1］（HPDI）是當(dāng)前發(fā)展的最新技術(shù)，該技術(shù)是由加拿大西港創(chuàng)新公司開(kāi)發(fā)的，HPDI技術(shù)使用極少量的高壓柴油直接噴入燃燒室，待柴油被壓燃后引燃噴入的天然氣。使用該技術(shù)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在保持原柴油機(jī)相同的功率和扭矩下，極大地降低PM及NOx等尾氣的排放。

HPDI技術(shù)中最核心的就是可以同時(shí)噴射柴油和天然氣的HPDI噴射器，本文在HPDI噴射器的基礎(chǔ)上，介紹了一種新的柴油天然氣噴射器：混合高壓直接噴射器（Co-injector）

1　Co-injector噴射器

1.1Co-injector噴射器的原理

Co-injector是在HPDI噴射器的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，與HPDI的不同是柴油噴射系統(tǒng)，主要的改動(dòng)是在HPDI噴射器柴油針閥的頂端加入堵塞塊，并在天然氣氣體針閥上打孔形成新的柴油噴射孔，使得柴油通過(guò)新的噴射孔進(jìn)行噴射［2］，圖1為Co-injector的結(jié)構(gòu)圖。

在Co-injector中，柴油不是直接噴入到氣缸中的，而是首先噴入到可以儲(chǔ)存天然氣氣體和柴油的混合腔中，之后再通過(guò)開(kāi)啟氣體針閥將天然氣和柴油的混合氣噴入到燃燒室中進(jìn)行燃燒。

1.2Co-injector的工作過(guò)程

對(duì)于混合噴射器，噴射器正常工作時(shí)噴射過(guò)程分為3部分：柴油預(yù)噴射、引燃?xì)怏w噴射以及主氣體噴射。圖2為3種噴射過(guò)程。

圖1　Co-injector的結(jié)構(gòu)圖

圖2　Co-injector的工作過(guò)程

在預(yù)噴射中，柴油噴射針閥打開(kāi)，柴油噴入到儲(chǔ)存氣體和柴油的混合腔中。對(duì)于HPDI噴射器，引燃噴射過(guò)程是將柴油直接噴入到燃燒室。預(yù)噴射結(jié)束后柴油針閥關(guān)閉，氣體針閥打開(kāi)，柴油和天然氣組成的混合氣通過(guò)氣體針閥噴入燃燒室，該噴射過(guò)程稱為引燃噴射，它的目的是通過(guò)柴油引燃天然氣。在引燃噴射之后不久，氣體針閥又一次打開(kāi)，此時(shí)開(kāi)始噴射主天然氣。圖3為Co-injector柴油和氣體噴射影響時(shí)刻圖。

圖3　Co-injector柴油和氣體噴射影響時(shí)刻圖

2　Co-injector排放特性研究

由于目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有研究人員對(duì)Co-injector進(jìn)行過(guò)具體的研究，本文主要介紹了國(guó)外相關(guān)人員在Co-injector排放特性方面的研究。

Chin和Lefebvre［3］研究了HPDI Co-injector內(nèi)部流體的4種流動(dòng)狀態(tài)，分別為：泡狀流、塞狀流、環(huán)狀流和分散流。圖4為噴射器內(nèi)部的4種可能的流動(dòng)狀態(tài)。

圖4　HPDI Co-injector 4種流動(dòng)狀態(tài)：

當(dāng)噴射壓力增加時(shí)，形成泡狀流時(shí)要求更高的氣體/柴油質(zhì)量比。在噴射壓力為0.8 MPa時(shí)，氣體/柴油質(zhì)量比大于0.4時(shí)，液體將會(huì)被氣體完全打碎，以液滴的形態(tài)分散在霧化氣體中，此時(shí)產(chǎn)生更少的未燃燃料和CO的排放。

Mikawoz［4］等人對(duì)Co-injector內(nèi)部液體和氣體的分布進(jìn)行了可視化的研究，研究了開(kāi)始噴射后不同時(shí)刻柴油的分布，從影像記錄中可以得到在噴射開(kāi)始時(shí)大部分的燃油已經(jīng)很好地進(jìn)行了霧化，說(shuō)明Co-injector與HPDI噴射器相比，在剛開(kāi)始噴射后產(chǎn)生的PM量更低。

Heather Jones［5-7］比較了Co-injector和HPDI噴射器在不同轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)NOx、CO、PM和THC的排放量，試驗(yàn)表明：在低負(fù)荷低轉(zhuǎn)速下，Co-injector產(chǎn)生的tHC和CO較多，但是NOx和PM的量很低；在高負(fù)荷低轉(zhuǎn)速下，Co-injector產(chǎn)生的THC量與HPDI噴射器相比略微較高，NOx和CO的排放兩者接近，但是PM的量很低；在高負(fù)荷高轉(zhuǎn)速下，Co-injector產(chǎn)生的PM更低，燃油消耗率更低，NOx、THC和CO的排放量類似。試驗(yàn)說(shuō)明在沒(méi)有增加NOx、CO和THC的基礎(chǔ)上，Co-injector與HPDI噴射器相比極大地改進(jìn)了PM的排放。

繼續(xù)Heather Jones的工作，McTaggart-Cowan［8-9］研究了如何在低負(fù)荷下減少THC的排放，研究發(fā)現(xiàn)較高的THC和燃燒循環(huán)變動(dòng)是由于較低的柴油/氣體體積比，增加體積比導(dǎo)致更小的循環(huán)變動(dòng)，更少的未燃燃料和CO的排放。

加拿大British Columbia大學(xué)的Benjamin Scott Brown［10］和Dr.Steve Rogak等人將Co-injector安裝在康明斯的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)上，該單缸發(fā)動(dòng)機(jī)是由康明斯ISX型四缸發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)得到的，并進(jìn)行了試驗(yàn)，比較了Co-injector和HPDI噴射器排放的差異，研究進(jìn)一步表明相同條件下，在沒(méi)有增加NOx、CO和THC的基礎(chǔ)上，Co-injector產(chǎn)生的PM排放更低。

之后他們?cè)贑o-injector原型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，在天然氣和柴油的混合腔中加入了圓形的套筒，套筒減少了存儲(chǔ)腔33%的體積，存儲(chǔ)腔內(nèi)部最小的環(huán)面從30 mm2減小到10 mm2，混合氣流速增加到了原來(lái)的3倍。試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的模型比原模型表現(xiàn)出更短的點(diǎn)火延遲，CO和NOx的排放更低，原因主要是由于較高的流速可以更有效卷吸柴油使其遠(yuǎn)離壁面，同時(shí)能更快將柴油帶出噴射器，噴入燃燒室。

通過(guò)以上的研究分析可以得出，在Co-injector內(nèi)部，柴油和天然氣混合得更加充分，具有更好的排放特性，相同條件下，在沒(méi)有增加NOx、CO和THC的基礎(chǔ)上，Co-injector產(chǎn)生的PM排放更低。

3　Co-injector的特點(diǎn)及發(fā)展

3.1Co-injector自身的優(yōu)勢(shì)

由于Co-injector是在HPDI噴射器的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，它除了具有HPDI噴射器的優(yōu)勢(shì)外，由于自身的特點(diǎn)還具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

1）Co-injector可以大幅地簡(jiǎn)化HPDI噴射器的結(jié)構(gòu)和成本，由于柴油是噴入到混合存儲(chǔ)腔中，由天然氣卷吸進(jìn)入燃燒室的，從而可以極大地簡(jiǎn)化柴油噴射系統(tǒng)，進(jìn)而降低了材料和制造成本。

2）采用Co-injector混合噴射器后，在不增加CO、NOx等排放的基礎(chǔ)上可以極大地減少PM的排放。

3）Co-injector由于自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，一個(gè)氣體噴嘴對(duì)應(yīng)著多個(gè)柴油噴孔，柴油通過(guò)多個(gè)噴孔進(jìn)入混合氣的存儲(chǔ)腔中，可以保證柴油和天然氣混合的更均勻，燃燒更加穩(wěn)定。

3.2Co-injector需要完善的技術(shù)問(wèn)題

天然氣混合高壓缸內(nèi)直接噴射技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。但是由于研究剛剛起步，與實(shí)際要求還有很大的差距，其中一些關(guān)鍵的技術(shù)仍需要不斷地發(fā)展和完善。

首先未來(lái)的工作應(yīng)該集中在Co-injector結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，進(jìn)一步減少HC的排放，以及減少在較高轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率。其次，由于混合噴射器與柴油的噴射量有密切的關(guān)系，因此如何精確控制引燃噴射期間柴油的噴射量就變得很重要。這就要求對(duì)噴射器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使得柴油噴射量可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和柴油腔和混合氣存儲(chǔ)腔的壓力差來(lái)精確控制。

4　結(jié)束語(yǔ)

混合高壓缸內(nèi)直接噴射器由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，與HPDI相比具有更低的排放特性，尤其是在PM排放方面。但是由于研究剛剛起步，還有一些技術(shù)問(wèn)題需要不斷完善發(fā)展，展望不久將來(lái)，裝有混合高壓直接噴射器的發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)與我們見(jiàn)面。

1林在梨，張笑波，谷達(dá)紅，等.天然氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高壓直噴技術(shù)初探［J］.內(nèi)燃機(jī)，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，碩士，助理研究員，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)性能開(kāi)發(fā)及電控標(biāo)定工作。