近日，中國首臺大功率缸內(nèi)高壓直噴壓燃式天然氣發(fā)動機(簡稱“HPDI發(fā)動機”)上市發(fā)布儀式在北京釣魚臺舉行。這一技術(shù)創(chuàng)新成果，由中國首家研發(fā)和生產(chǎn)缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機的合資公司——濰柴動力西港新能源發(fā)動機有限公司推出。該項目的開發(fā)成功，填補了國內(nèi)天然氣缸內(nèi)直噴發(fā)動機在應(yīng)用領(lǐng)域的空白。

第五代燃氣發(fā)動機

我國目前擁有全球最大的裝備制造業(yè)市場，同時裝備制造業(yè)的高速發(fā)展對國民經(jīng)濟的發(fā)展也起到了重要的推進作用。但不可否認的是，在工程機械產(chǎn)品給人們帶來財富的同時，也消耗了大量資源，并在一定程度上加重了日益嚴重的環(huán)境污染。另一方面，我國2011年內(nèi)燃機行業(yè)產(chǎn)量7700萬臺，這些產(chǎn)品將消耗燃油約2.7億噸，達到了我國燃油消耗總量的59.27%，而我國原油對外依賴度達到了60%，僅內(nèi)燃機行業(yè)的燃油消耗就相當于我國進口原油的總量。面對嚴峻的環(huán)境壓力，如何通過技術(shù)進步走出低碳環(huán)保的道路將是實現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展的重要課題。

用更先進的技術(shù)推動綠色環(huán)保發(fā)動機的生產(chǎn)進程，是濰柴動力履行社會責(zé)任的實際行動。多年來，濰柴動力一直致力于生態(tài)技術(shù)，其技術(shù)研發(fā)水平一直走在中國內(nèi)燃機行業(yè)前列。與此同時，濰柴動力還是我國新能源發(fā)動機科技攻關(guān)計劃項目承擔(dān)單位，以強大的生產(chǎn)、技術(shù)能力與多家國際知名公司在新能源氣體發(fā)動機領(lǐng)域有著廣泛合作。

2008年，濰柴動力股份有限公司聯(lián)合加拿大西港創(chuàng)新公司、香港培新投資有限公司共同合資成立濰柴動力西港新能源發(fā)動機有限公司。合資公司擁有以高壓直噴為核心的國際領(lǐng)先的天然氣發(fā)動機技術(shù)，集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體，致力于向中國及國際市場提供應(yīng)用于重型卡車、城市公交、船用、發(fā)電及工程機械等領(lǐng)域的天然氣發(fā)動機系列產(chǎn)品。

燃氣發(fā)動機在經(jīng)歷了四代產(chǎn)品的發(fā)展之后，目前已經(jīng)在公交、卡車、裝載機以及船舶等各個領(lǐng)域得到了相對廣泛的應(yīng)用。合資公司結(jié)合濰柴動力卓越的藍擎發(fā)動機平臺，通過引進加拿大西港的高壓直噴技術(shù)，經(jīng)過潛心研發(fā)，終于成功使國際領(lǐng)先的高壓直噴天然氣發(fā)動機落戶中國。本次發(fā)布的產(chǎn)品屬于第五代燃氣發(fā)動機產(chǎn)品，該產(chǎn)品使用天然氣為主要燃料，同時保證了原柴油發(fā)動機的動力、扭矩和效率，給傳統(tǒng)的火花塞點燃式天然氣發(fā)動機帶來了一次革命性的科技創(chuàng)新。該項目的開發(fā)成功，填補了國內(nèi)天然氣缸內(nèi)直噴發(fā)動機在應(yīng)用領(lǐng)域的空白，這將是中國天然氣發(fā)動機發(fā)展史上的一個里程碑。

HPDI溯源

根據(jù)天然氣噴射壓力高低，缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動機可以分為低壓噴射和高壓噴射兩種。低壓噴射天然氣發(fā)動機是在進氣閥關(guān)閉后，將天然氣噴入氣缸，在著火之前形成均質(zhì)的預(yù)混合氣并采用電火花點火或噴入少量引燃油使混合氣燃燒。由于天然氣是在進氣閥關(guān)閉后噴射，因而噴射壓力比較低，通常在0.2~1.0MPa之間。采用缸內(nèi)直噴后，提高了發(fā)動機的有效充氣效率，因而發(fā)動機的最大功率提高了9%左右。但是，低壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機的燃燒過程類似于火花點火天然氣發(fā)動機，因而發(fā)動機的壓縮比較低，限制熱效率進一步提高。另外，由于仍然需要采用節(jié)氣門通過節(jié)流作用調(diào)節(jié)發(fā)動機的充量，在中小負荷條件下節(jié)流損失大。

天然氣高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)是在壓縮上止點前用高壓方式噴入天然氣，通過噴入的微量柴油引燃或電熱塞助燃天然氣，實現(xiàn)天然氣的非均質(zhì)混合氣擴散燃燒。因而能夠很好地解決低壓缸內(nèi)直噴和缸外供給天然氣發(fā)動機存在動力性差、熱效率不高及中小負荷性能不良等問題。采用天然氣高壓缸內(nèi)直噴技術(shù)，發(fā)動機不需要節(jié)氣門，因而不存在節(jié)氣門節(jié)流損失及因天然氣引起的容積效率損失。由于以天然氣的燃燒為主，因而具有無可見煙度排放的特點;同時采用擴散燃燒方式，可具有與柴油機相當?shù)腃O和HC排放性能。

濰柴HPDI發(fā)動機所采用的技術(shù)基于PhilipHill博士在20世紀80年代早期的研究，利用高壓共軌直噴燃料系統(tǒng)，在壓縮上止點前用5%的柴油噴入氣缸引燃，95%的天然氣以300bar的壓力噴入到火焰中成為主燃料燃燒做功，由此顆粒物質(zhì)排放降低70%，CO2降低約20%，達到“國V”排放標準。而柴油機要達到“國V”排放則需要采用成本較高的SCR(SelectiveCatalystReduction選擇性催化還原系統(tǒng))。

環(huán)保與經(jīng)濟

對于HPDI發(fā)動機的特點，濰柴動力董事長譚旭光總結(jié)說：“HPDI發(fā)動機的特點是使用清潔環(huán)保的天然氣，因而具有兩個特性，一個是環(huán)保性好，一個是經(jīng)濟性好，可以給用戶帶來實惠和利潤。”

使用HPDI發(fā)動機，經(jīng)濟效益顯著。首先，天然氣價格低于柴油價格;其次，無節(jié)流閥發(fā)動機負載控制，節(jié)省了燃料的消耗;高壓直噴噴嘴根據(jù)共軌噴射發(fā)動機設(shè)計，能夠進一步提升性能，降低燃料消耗、排放和噪音。因此，用戶的燃料成本可大幅度降低。

就可靠性來說，HPDI發(fā)動機零部件與柴油機通用性高，無需改動活塞和發(fā)動機本體，其運轉(zhuǎn)形式與柴油機相同，可靠性能夠達到同功率柴油機水平。由于排氣溫度低，有潛在的更高的可靠性。此外，HPDI發(fā)動機無需空燃比的控制，可避免爆震和失火。其熱負荷也低于火花塞點燃式燃氣發(fā)動機。

HPDI發(fā)動機保持了與原柴油機相同的功率和扭矩(WP12HPDI藍擎發(fā)動機的額定功率為480hp/2100rpm,最大扭矩為1970N·m/1200~1500rpm)，其動力性與柴油機完全相同，比火花塞點燃式燃氣發(fā)動機功率和扭矩提高20%，可以解決點燃式燃氣發(fā)動機高原功率不足的問題。

隨著中國節(jié)能環(huán)保及能源多樣化政策的進一步落實，高壓直噴天然氣發(fā)動機在中國將有著不可估量的市場前景。同時，濰柴動力也正在致力于推廣該項技術(shù)應(yīng)用于更廣泛的天然氣發(fā)動機平臺上，從而推動我國天然氣發(fā)動機技術(shù)的跨越式發(fā)展。