王江鹏，冯凡，薛强，金茜

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）



HPDI技术在天然气商用车中的应用

王江鹏，冯凡，薛强，金茜

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

摘 要：论文对HPDI（高压缸内直喷）技术在天然气商用车中的应用进行了分析研究，对其市场前景进行简要分析，并从HPDI系统的技术优势、发动机控制技术方案、供气系统技术方案、动力性及经济性研究五个方面进行了具体的阐述。研究表明HPDI技术在天然气商用车上应用具有无与伦比的优势，发展前景广阔。

关键词：HPDI(高压缸内直喷)；天然气；商用车；动力性；经济性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.02.047

CLC NO.: U469.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)02-136-02

引言

受宏观经济影响，在柴油价格上涨，运输行业运价低迷，客户用车成本增加、盈利空间下降的大环境下。天然气商用车以降低运营成本、创造更大的利润为主要突破口，很好的满足了客户需求，得到了广泛的应用。

1、现状

目前的天然气发动机控制以燃气预混合技术为平台，压缩比为11.6:1，无论是美国woodword控制系统，还是日本E-control控制系统，以及澳大利亚的AEC控制系统基本均为此平台技术，差别仅是可靠性、控制精确性、功能多样性不同。而随着天然气配套设施的日趋完善，国际燃油价格的日益高涨，天然气重型商用车产品市场进一步急剧扩大，市场对天然气产品的个性化要求也进一步具体和细化。以燃气预混合技术为平台的天然气商用车因受制于压缩比、点火系统可靠性等固有特性影响，在较高海拔地区无法正常运行。并且如果功率进一步提升，会面临燃料经济性下降、冷却系统可靠性下降、点火系统可靠性下降等问题。而建立在新平台之上的HPDI(高压缸内直喷）技术很好的突破了现有技术及平台束缚，能够满足市场对更广泛地区适用性、更大功率天然气发动机的需求。

2、HPDI技术优势

当前，市场上占主流的天然气发动机，无论是单点电喷还是多点电喷，采用的都是与汽油机相似的火花塞点燃式燃烧技术，这类天然气发动机使用成本比柴油机节约不少，但其节约的成本主要来源于天然气与柴油的价格差。但热效率低于柴油发动机，如此一来，搭载气体机的大功率商用车辆在起步和重载行驶时，势必无法达到像柴油车一样的高效率运行。而HPDI发动机的运行方式跟柴油机十分相似，高压直喷喷嘴也是根据柴油高压共轨喷射发动机的形式来设计，因此，它的功率和扭矩达到了同排量柴油机的水平，比点燃式气体发动机高出20%；其热效率与柴油机相同，比点燃式气体发动机的气耗低5%-9%。

3、HPDI发动机

HPDI（高压缸内直喷）技术是在压缩冲程上止点前喷入约为5%柴油，作为引燃剂，形成火焰，约95%天然气以30MPa的压力喷射到火焰中成为燃烧的主要燃料。[1]

(1)首先以少量柴油压燃点火，不仅提高了发动机的压缩比、又不需要点火系统，避免使用当前市场主流的单点或多点火花塞点燃式燃烧技术，提高燃烧效率；

(2)其次作为主燃料的天然气以高压喷入缸内，利用高压气流运动将柴油、天然气、空气进行充分混合，使燃料燃烧更加充分，提高燃烧效率；

(3)HPDI发动机压缩比可达到17:1[2]，基本达到柴油机水平，与普通LNG发动机（火花塞单点点火，点火能量小，燃烧速度慢，其压缩比最高为12:1）相比，具有明显优势。

4、供给系统

为了实现发动机的高效率，必须要有一套非常成熟的天然气储存和供给系统。HPDI供给系统采用液化天然气（LNG）作为车用天然气的存储形式，其主要部件为插入瓶体的往复式低温高压柱塞泵[1]。安装在发动机端的取力油泵驱动该柱塞泵工作，燃料供给系统的ECU与发动机ECU联动控制泵出液体的数量，使燃气在泵体内气化且加压至30MPa、温度满足发动机的需求，保证供给发动机的燃气温度、压力、流量稳定可靠。

(1)区别于现有平台的车用LNG气瓶外置汽化器与外置自增压器，极大地提高了气瓶及供气系统的安全性；

(2)区别于现有平台的车用LNG气瓶自增压系统，燃气供给系统的稳定性和自动化程度得到大幅提高，这一点对不了解LNG特性的车辆驾驶员非常重要。

5、动力性

通过对搭载HPDI发动机的天然气商用车进行动力性试验， HPDI发动机继承了柴油机在高原区域所表现的优良性能，能够很好的适应高原地区环境。搭载普通天然气发动机的商用车在2800m以下区域运行不存在问题，但在2800m～3500m区间就较为吃力，在海拔3500m以上区域发动机功率损失大约在50%以上，车辆根本无法正常运行。由于HPDI的工作原理与柴油机较为类似，经实车试验表明，样车可在4767m高海拔地区正常工作，具有与柴油车相同的动力性能。

6、经济性

与相同配置柴油机相比，动力性相当，百公里燃料成本下降了约25%；与普通气体机相比，经济性提高5%～9%，最小燃料消耗率降低约10%。首先往复式低温高压柱塞泵消除了环境温度对燃气压力的影响，直接从气瓶中泵取发动机所需的燃料，使系统对燃料的消耗能够精确控制，同时，高压直喷喷嘴具备分配、计量、定时、喷射天然气和柴油两种燃料的功能[1]，能够进一步提升系统精确控制性能，进而降低燃料消耗。

7、推广应用

HPDI发动机零部件与柴油机通用性高，无需改动发动机本体，同时可靠性达到同功率柴油机水平。由于其热效率高，排气温度会因此降低，故有更高的潜在可靠性。

达到国五排放增加成本相对较小，易于推广应用，对降低机动车尾气排放，保护大气环境具有重要意义。HPDI重型商用车与柴油车相比：一氧化碳排量降低60%，二氧化碳降低20%，碳氢化合物降低70%，氮氧化合物降低45%，颗粒物排放降低70%，有利于实现汽车工业对能源环境的可持续发展。

HPDI技术的性能符合市场和整车企业对LNG车辆技术的期望。3～5年后，HPDI技术会因为技术的成熟和国产化后成本大幅度降低而得到广泛应用。其整车成本仍会较普通天然气商用车产品高出一定的差距，但已在市场可以接受的范围内。

8、总结

通过对HPDI系统的优势、HPDI发动机及供给系统技术方案、动力性以及经济性等方面的论述，显而易见HPDI技术在商用天然气车领域具有绝对优势，随着HPDI各项技术的发展和完善，HPDI汽车凭借自身无与伦比的优势将会给我们带来不可估计的经济效益。该技术将成为天然气发动机燃烧理论上的又一革命，成为商用车发展史上的重要里程碑，标志着中国的天然气商用车将迎来一个全新的时代。

参考文献

[1] 林在犁,张笑波,谷达红,刘爱军.天然气-柴油双燃料发动机高压直喷技术初探[J].内燃机.2013.8.

[2] 耿志勇,李丽君.柴油-天然气双燃料重卡简介及市场前景分析[J].汽车实用技术.2012.8.

Application of HPDI on NG commercial vehicles

Wang Jiangpeng, Feng Fan, Xue Qiang, Jin Qian
( Shaanxi Heavy-duty truck Co., Ltd., Shaanxi Xi 'an 710200 )

Abstract:This paper focuses on the analysis and study of HPDI (High Pressure Direct Injection) applications on NG(Natural Gas) commercial vehicles and analysis of its market outlook. This paper also expounds HPDI technology in 5 aspects, which are HPDI's advantages, engine control architecture, gas supply system, performances and fuel economy, etc. This study shows that HPDI application on NG commercial vehicles has great advantages and bright futures.

Keywords:HPDI(High Pressure Direct Injection); Natural Gas; Commercial Vehicles; Performances; Fuel Economy

作者简介：王江鹏，就职于陕西重型汽车有限公司。

中图分类号：U469.6

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)02-136-02