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摘要：随着对发动机技术研究的不断深入，受制于石油资源和排放法规的影响，传统燃料发动机已逐渐被淘汰，新型燃料发动机发展前景良好。而直喷天然气发动机具有较好的动力性和排放性，并能大大减少对传统燃油的使用，已经成为了当下新型发动机技术的研究热点。本文主要介绍了直喷天然气发动机的国内外研究现状，展望了该发动机的发展趋势，为其后续的优化设计提供参考，以期促进今后该技术的发展。
Abstract： With the deepening of the research on engine technology， the traditional fuel engine has been gradually phased out due to the influence of petroleum resources and emission regulations， and the new fuel engine has a good development prospect. The direct injection natural gas engine has better power performance and emission performance， and can greatly reduce the use of traditional fuel， which has become the current new engine technology research hotspot. This paper mainly introduces the research status of direct injection natural gas engines at home and abroad， looks forward to the development trend of the engine， to provide a reference for its subsequent optimization design， to promote the future development of the technology.
关键词：直喷天然气发动机;研究现状;发展趋势
Key words： direct injection natural gas engine;research status;development trend
中图分类号：TK411.5 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0045-02
0 引言
目前，汽车的排放法规日趋严格，传统燃油也十分紧缺。天然气因排气污染小、单位热值高、安全可靠、经济实惠、资源丰富等优点，完全可以成为汽车的替代燃料，已成为全球车用清洁燃料的发展趋势，越来越多地应用在发动机上。天然气发动机以天然气为主要燃料（有压缩天然气CNG和液化天然气LNG），应用领域较为广泛，如城市公交、重型卡车、船舶、陆用和船用发电机组等。本文主要对直喷天然气发动机作了介绍，分析了直喷天然气发动机技术的研究现状，指出了直喷天然气发动机的发展趋势，对指导今后直喷天然气发动机的研发具有现实意义。
1 天然氣发动机的分类
针对各个行业的不同需求，全球众多发动机企业和研究所纷纷开发出不同种类的天然气发动机，可按照燃料类型、燃料供给方式、空燃比和点火方式等的不同对其进行分类。按照燃料供给方式的不同，天然气发动机可分为缸外供气天然气发动机和缸内直接喷射天然气发动机。对于缸内供气天然气发动机，按照喷射压力和喷射时刻的不同，可分为缸内高压直喷天然气发动机和缸内低压直喷天然气发动机[1]。
①缸内高压直喷天然气发动机：高压直喷的技术最早由加拿大英属哥伦比亚大学提出[2]，此类发动机的输出功率不受爆震的限制[3]，与同等动力性下的柴油机相比，其经济性和排放性有所提升。发动机应用了同心双轴针喷射器，在压缩冲程后期，先喷入微量柴油（一般占总燃料的5-10%）在气缸内形成火核，接着喷入高压天然气（喷射压力一般为12-30MPa），天然气被火核引燃，触发燃烧。该技术仅使用微量柴油引燃，比原柴油机碳烟、NOX和温室气体的排放都要低[4]。
②缸内低压直喷天然气发动机：在发动机处于扫气行程时，气缸内压力较低，则天然气的喷射压力也较低（一般小于16bar）。当发动机活塞越过扫气口时，天然气开始喷射，逐渐与空气形成均匀混合气，最终被微量柴油引燃。此类发动机的优势是系统成本低，工作可靠;可实现稀薄燃烧，减少NOX的排放，增大燃烧效率。但因内部易出现天然气逃逸的现象，会加剧HC的排放。
2 直喷天然气发动机国内外研究现状
2.1 缸内高压直喷天然气发动机的研究
为进一步提高缸内高压直喷天然气发动机（HPDI）的热效率，降低其排放，国内外学者通过软件模拟和试验的方法研究了它的燃烧特性、燃烧模型和排放特性等，从而提升发动机的性能。
McTaggart-Cowan[5]通过试验分析了燃料喷射压力和喷射速率对HPDI发动机燃烧和排放特性的影响，结果表明更高的喷射压力，合理控制燃料喷射速率可促进燃烧，提升热效率，减少颗粒物排放。Munshi[6]采用试验研究了HPDI发动机在不同燃烧模式下的燃烧和排放状况，结果表明高负荷下实现了高热效率和低NOX排放，但颗粒物排放增加，低负荷下出现不完全燃烧产物。Patychuk[7]通过试验分析了HPDI发动机的排放性能在多种负荷下受配气相位的影响程度，结果表明负荷低于50%时的甲烷排放量将减少70%，75%负荷时的NOX排放减少19%，10%负荷时的排放良好，但排温增加。Mabson[8]通过模拟分析了配对天然气喷嘴对HPDI发动机排放的影响，结果表明配对喷嘴增加了颗粒物和CO的排放。Faghani[9]采用数值模拟研究了喷射策略对HPDI发动机排放的影响，结果表明微预混燃烧模式减少了碳烟排放，但增加了NOX排放。 陳长军[10]采用STAR-CD软件模拟了HPDI发动机缸内的喷射过程和燃烧过程，分析了喷气定时与喷气压力对排放的影响，结果表明喷气定时的延后改善了NOX排放，但加剧了CO、HC和颗粒物的排放;增大喷气压力可减少HC的排放，但增加了NO排放。李孟涵[11]通过试验分析了燃料喷射间隔对HPDI发动机排放的影响，结果表明喷射间隔不变时的HC排放随引燃柴油量的增加而降低，CO排放变化不大;喷射间隔的增加会加剧HC和NOX的排放，减小CO的排放。
2.2 缸内低压直喷天然气发动机的研究
对于缸内低压直喷天然气发动机，国内外学者主要研究了双燃料模式下的反应机理、发动机内的火焰射流以及发动机的爆震状况。
Maghbouli[12]将化学求解器与KIVA-3V软件相结合，根据双燃料的反应机理，搭建出了低压直喷天然气发动机的模型，分析了发动机的爆震燃烧过程，总结了当量比对燃烧的影响，结果表明采用EGR可减轻爆震程度。Hockett[13]假设柴油的模型为正庚烷，天然气的模型为甲烷、乙烷和丙烷的混合物，仿真建立了双燃料模型，模拟了低压直喷天然气发动机的燃烧过程，并对双燃料反应机理进行了改进，证实了高压层流火焰速度、柴油喷雾的点火延迟和放热速率等参数。Singh[14]通过KIVA-3V仿真软件搭建模型，研究了低压喷射双燃料发动机的燃烧和排放特性，分析了此模型用于模拟空气和天然气预混合燃烧的能力与局限性，结果表明天然气代替柴油可降低NOX的排放。Rahimi[15]通过均质压缩点火模型验证了双燃料反应机理的仿真与实验结果，利用遗传算法优化了双燃料混合组分，提出了最佳的正庚烷-天然气混合物化学动力学机理。Lounici[16]主要研究了双燃料发动机的爆震特性，分析了该现象的周期性变化，提出了一种基于缸内压力分析的爆震指标，用于爆震的评估。同时，还研究了爆震对热释放、缸壁温度、发动机性能和排放的影响。研究发现，提高引燃柴油的喷射量有助于减缓发动机爆震程度。
叶映[17]通过仿真搭建出了一台低压直喷双燃料发动机的三维CFD模型，根据不同的通孔结构，制定了多种预燃室系统方案，模拟分析了各个方案下的火焰射流及排放状况，总结出一种最优的预燃室系统方案，研究表明火焰射流接触壁面或射向活塞顶面将导致发动机性能下降，增加排放。同时，分析了不同的喷油策略和EGR对发动机燃烧和排放的影响，研究表明改善预燃室内的预喷射可减弱柴油分层度，降低NOX排放，但会降低主燃室的燃烧速率;在天然气非稀薄燃烧的条件下，EGR有助于改善发动机排放。
3 总结
本文综述了近几年直喷天然气发动机的研究现状，主要介绍了有关于缸内高压直喷天然气发动机燃烧特性、燃烧模型和排放特性及缸内低压直喷天然气发动机双燃料的反应机理、预燃室火焰射流和爆震的研究，对后续直喷天然气发动机的优化设计具有重要意义。基于目前学者们对直喷天然气发动机的研究，可以得出以下几种发展趋势：①在数值模拟研究中，进一步细化分析发动机缸内的化学反应过程，优化其排放模型;②加深对此类发动机颗粒物排放状况的研究，考虑燃料的化学结构对排放的影响，对生成颗粒物的尺寸分布作详细分析;③增加对发动机循环变动的研究，分析出发动机爆震和失火的极限值，以防止爆震和失火现象的出现，改善缸内的燃烧状况，优化排放。
参考文献：
[1]汪科任.CNG发动机缸内低压直喷控制研究[D].西华大学硕士论文，2014.
[2]陈长军.柴油微引缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真研究[D].吉林大学，2011.
[3]徐向.高压直喷天然气发动机部分预混燃烧模式数值研究[D].山东大学，2020.
[4]戴礼明.天然气/柴油双燃料喷射混合特性与燃烧模拟研究[D].江苏大学硕士论文，2016.
[5]Mc Taggart-Cowan G， Mann K， Huang J， et al. Direct injection of natural gas at up to 600 Bar in a pilot-ignited heavy-duty engine[J]. SAE International Journal of Engines， 2015， 8（3）：981-996.
[6]Munshi S R， McTaggart-Cowan G P， Huang J， et al. Development of a partially-premixed combustion strategy for a low-emission， direct injection high efficiency natural gas engine[C]//Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference. 2011， 44427： 515-528.
[7]Patychuk B， Wu N， McTaggart-Cowan G， et al. Intake and exhaust valve timing control on a heavy-duty， direct-injection natural gas engine[R]. SAE Technical Paper， 2015.
[8]Mabson C W J， Faghani E， Kheirkhah P， et al. Combustion and emissions of paired-nozzle jets in a pilot-ignited direct-injection natural gas engine[R]. SAE Technical Paper， 2016. [9]Faghani E， Kheirkhah P， Mabson C W J， et al. Effect of injection strategies on emissions from a pilot-ignited direct-injection natural-gas engine-part I： Late post injection[R]. SAE Technical Paper， 2017.
[10]陈长军.柴油微引缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真研究[D].吉林大学，2011.
[11]李孟涵，张强，李国祥，等.引燃柴油量及喷射间隔对直喷天然气发动机排放的影响[J].农业工程学报，2016，32（06）：95-100.
[12]Maghbouli A， Shafee S， Saray R K， et al. A multi-dimensional CFD-chemical kinetics approach in detection and reduction of knocking combustion in diesel-natural gas dual-fuel engines using local heat release analysis[J]. SAE International Journal of Engines， 2013， 6（2）： 777-787.
[13]Hockett A， Hampson G， Marchese A J. Development and validation of a reduced chemical kinetic mechanism for computational fluid dynamics simulations of natural gas/diesel dual-fuel engines[J]. Energy & Fuels， 2016， 30（3）： 2414-2427.
[14]Singh S， Kong S C， Reitz R D， et al. Modeling and experiments of dual-fuel engine combustion and emissions[J]. SAE transactions， 2004： 124-133.
[15]Rahimi A， Fatehifar E， Saray R K. Development of an optimized chemical kinetic mechanism for homogeneous charge compression ignition combustion of a fuel blend of n-heptane and natural gas using a genetic algorithm[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering， 2010， 224（9）： 1141-1159.
[16]Lounici M S， Benbellil M A， Loubar K， et al. Knock characterization and development of a new knock indicator for dual-fuel engines[J]. Energy， 2017， 141： 2351-2361.
[17]葉映.大型低速船用双燃料发动机预燃室系统的数值模拟研究[D].天津大学，2018.
Abstract： With the deepening of the research on engine technology， the traditional fuel engine has been gradually phased out due to the influence of petroleum resources and emission regulations， and the new fuel engine has a good development prospect. The direct injection natural gas engine has better power performance and emission performance， and can greatly reduce the use of traditional fuel， which has become the current new engine technology research hotspot. This paper mainly introduces the research status of direct injection natural gas engines at home and abroad， looks forward to the development trend of the engine， to provide a reference for its subsequent optimization design， to promote the future development of the technology.
关键词：直喷天然气发动机;研究现状;发展趋势
Key words： direct injection natural gas engine;research status;development trend
中图分类号：TK411.5 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0045-02
0 引言
目前，汽车的排放法规日趋严格，传统燃油也十分紧缺。天然气因排气污染小、单位热值高、安全可靠、经济实惠、资源丰富等优点，完全可以成为汽车的替代燃料，已成为全球车用清洁燃料的发展趋势，越来越多地应用在发动机上。天然气发动机以天然气为主要燃料（有压缩天然气CNG和液化天然气LNG），应用领域较为广泛，如城市公交、重型卡车、船舶、陆用和船用发电机组等。本文主要对直喷天然气发动机作了介绍，分析了直喷天然气发动机技术的研究现状，指出了直喷天然气发动机的发展趋势，对指导今后直喷天然气发动机的研发具有现实意义。
1 天然氣发动机的分类
针对各个行业的不同需求，全球众多发动机企业和研究所纷纷开发出不同种类的天然气发动机，可按照燃料类型、燃料供给方式、空燃比和点火方式等的不同对其进行分类。按照燃料供给方式的不同，天然气发动机可分为缸外供气天然气发动机和缸内直接喷射天然气发动机。对于缸内供气天然气发动机，按照喷射压力和喷射时刻的不同，可分为缸内高压直喷天然气发动机和缸内低压直喷天然气发动机[1]。
①缸内高压直喷天然气发动机：高压直喷的技术最早由加拿大英属哥伦比亚大学提出[2]，此类发动机的输出功率不受爆震的限制[3]，与同等动力性下的柴油机相比，其经济性和排放性有所提升。发动机应用了同心双轴针喷射器，在压缩冲程后期，先喷入微量柴油（一般占总燃料的5-10%）在气缸内形成火核，接着喷入高压天然气（喷射压力一般为12-30MPa），天然气被火核引燃，触发燃烧。该技术仅使用微量柴油引燃，比原柴油机碳烟、NOX和温室气体的排放都要低[4]。
②缸内低压直喷天然气发动机：在发动机处于扫气行程时，气缸内压力较低，则天然气的喷射压力也较低（一般小于16bar）。当发动机活塞越过扫气口时，天然气开始喷射，逐渐与空气形成均匀混合气，最终被微量柴油引燃。此类发动机的优势是系统成本低，工作可靠;可实现稀薄燃烧，减少NOX的排放，增大燃烧效率。但因内部易出现天然气逃逸的现象，会加剧HC的排放。
2 直喷天然气发动机国内外研究现状
2.1 缸内高压直喷天然气发动机的研究
为进一步提高缸内高压直喷天然气发动机（HPDI）的热效率，降低其排放，国内外学者通过软件模拟和试验的方法研究了它的燃烧特性、燃烧模型和排放特性等，从而提升发动机的性能。
McTaggart-Cowan[5]通过试验分析了燃料喷射压力和喷射速率对HPDI发动机燃烧和排放特性的影响，结果表明更高的喷射压力，合理控制燃料喷射速率可促进燃烧，提升热效率，减少颗粒物排放。Munshi[6]采用试验研究了HPDI发动机在不同燃烧模式下的燃烧和排放状况，结果表明高负荷下实现了高热效率和低NOX排放，但颗粒物排放增加，低负荷下出现不完全燃烧产物。Patychuk[7]通过试验分析了HPDI发动机的排放性能在多种负荷下受配气相位的影响程度，结果表明负荷低于50%时的甲烷排放量将减少70%，75%负荷时的NOX排放减少19%，10%负荷时的排放良好，但排温增加。Mabson[8]通过模拟分析了配对天然气喷嘴对HPDI发动机排放的影响，结果表明配对喷嘴增加了颗粒物和CO的排放。Faghani[9]采用数值模拟研究了喷射策略对HPDI发动机排放的影响，结果表明微预混燃烧模式减少了碳烟排放，但增加了NOX排放。 陳长军[10]采用STAR-CD软件模拟了HPDI发动机缸内的喷射过程和燃烧过程，分析了喷气定时与喷气压力对排放的影响，结果表明喷气定时的延后改善了NOX排放，但加剧了CO、HC和颗粒物的排放;增大喷气压力可减少HC的排放，但增加了NO排放。李孟涵[11]通过试验分析了燃料喷射间隔对HPDI发动机排放的影响，结果表明喷射间隔不变时的HC排放随引燃柴油量的增加而降低，CO排放变化不大;喷射间隔的增加会加剧HC和NOX的排放，减小CO的排放。
2.2 缸内低压直喷天然气发动机的研究
对于缸内低压直喷天然气发动机，国内外学者主要研究了双燃料模式下的反应机理、发动机内的火焰射流以及发动机的爆震状况。
Maghbouli[12]将化学求解器与KIVA-3V软件相结合，根据双燃料的反应机理，搭建出了低压直喷天然气发动机的模型，分析了发动机的爆震燃烧过程，总结了当量比对燃烧的影响，结果表明采用EGR可减轻爆震程度。Hockett[13]假设柴油的模型为正庚烷，天然气的模型为甲烷、乙烷和丙烷的混合物，仿真建立了双燃料模型，模拟了低压直喷天然气发动机的燃烧过程，并对双燃料反应机理进行了改进，证实了高压层流火焰速度、柴油喷雾的点火延迟和放热速率等参数。Singh[14]通过KIVA-3V仿真软件搭建模型，研究了低压喷射双燃料发动机的燃烧和排放特性，分析了此模型用于模拟空气和天然气预混合燃烧的能力与局限性，结果表明天然气代替柴油可降低NOX的排放。Rahimi[15]通过均质压缩点火模型验证了双燃料反应机理的仿真与实验结果，利用遗传算法优化了双燃料混合组分，提出了最佳的正庚烷-天然气混合物化学动力学机理。Lounici[16]主要研究了双燃料发动机的爆震特性，分析了该现象的周期性变化，提出了一种基于缸内压力分析的爆震指标，用于爆震的评估。同时，还研究了爆震对热释放、缸壁温度、发动机性能和排放的影响。研究发现，提高引燃柴油的喷射量有助于减缓发动机爆震程度。
叶映[17]通过仿真搭建出了一台低压直喷双燃料发动机的三维CFD模型，根据不同的通孔结构，制定了多种预燃室系统方案，模拟分析了各个方案下的火焰射流及排放状况，总结出一种最优的预燃室系统方案，研究表明火焰射流接触壁面或射向活塞顶面将导致发动机性能下降，增加排放。同时，分析了不同的喷油策略和EGR对发动机燃烧和排放的影响，研究表明改善预燃室内的预喷射可减弱柴油分层度，降低NOX排放，但会降低主燃室的燃烧速率;在天然气非稀薄燃烧的条件下，EGR有助于改善发动机排放。
3 总结
本文综述了近几年直喷天然气发动机的研究现状，主要介绍了有关于缸内高压直喷天然气发动机燃烧特性、燃烧模型和排放特性及缸内低压直喷天然气发动机双燃料的反应机理、预燃室火焰射流和爆震的研究，对后续直喷天然气发动机的优化设计具有重要意义。基于目前学者们对直喷天然气发动机的研究，可以得出以下几种发展趋势：①在数值模拟研究中，进一步细化分析发动机缸内的化学反应过程，优化其排放模型;②加深对此类发动机颗粒物排放状况的研究，考虑燃料的化学结构对排放的影响，对生成颗粒物的尺寸分布作详细分析;③增加对发动机循环变动的研究，分析出发动机爆震和失火的极限值，以防止爆震和失火现象的出现，改善缸内的燃烧状况，优化排放。
参考文献：
[1]汪科任.CNG发动机缸内低压直喷控制研究[D].西华大学硕士论文，2014.
[2]陈长军.柴油微引缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真研究[D].吉林大学，2011.
[3]徐向.高压直喷天然气发动机部分预混燃烧模式数值研究[D].山东大学，2020.
[4]戴礼明.天然气/柴油双燃料喷射混合特性与燃烧模拟研究[D].江苏大学硕士论文，2016.
[5]Mc Taggart-Cowan G， Mann K， Huang J， et al. Direct injection of natural gas at up to 600 Bar in a pilot-ignited heavy-duty engine[J]. SAE International Journal of Engines， 2015， 8（3）：981-996.
[6]Munshi S R， McTaggart-Cowan G P， Huang J， et al. Development of a partially-premixed combustion strategy for a low-emission， direct injection high efficiency natural gas engine[C]//Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference. 2011， 44427： 515-528.
[7]Patychuk B， Wu N， McTaggart-Cowan G， et al. Intake and exhaust valve timing control on a heavy-duty， direct-injection natural gas engine[R]. SAE Technical Paper， 2015.
[8]Mabson C W J， Faghani E， Kheirkhah P， et al. Combustion and emissions of paired-nozzle jets in a pilot-ignited direct-injection natural gas engine[R]. SAE Technical Paper， 2016. [9]Faghani E， Kheirkhah P， Mabson C W J， et al. Effect of injection strategies on emissions from a pilot-ignited direct-injection natural-gas engine-part I： Late post injection[R]. SAE Technical Paper， 2017.
[10]陈长军.柴油微引缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真研究[D].吉林大学，2011.
[11]李孟涵，张强，李国祥，等.引燃柴油量及喷射间隔对直喷天然气发动机排放的影响[J].农业工程学报，2016，32（06）：95-100.
[12]Maghbouli A， Shafee S， Saray R K， et al. A multi-dimensional CFD-chemical kinetics approach in detection and reduction of knocking combustion in diesel-natural gas dual-fuel engines using local heat release analysis[J]. SAE International Journal of Engines， 2013， 6（2）： 777-787.
[13]Hockett A， Hampson G， Marchese A J. Development and validation of a reduced chemical kinetic mechanism for computational fluid dynamics simulations of natural gas/diesel dual-fuel engines[J]. Energy & Fuels， 2016， 30（3）： 2414-2427.
[14]Singh S， Kong S C， Reitz R D， et al. Modeling and experiments of dual-fuel engine combustion and emissions[J]. SAE transactions， 2004： 124-133.
[15]Rahimi A， Fatehifar E， Saray R K. Development of an optimized chemical kinetic mechanism for homogeneous charge compression ignition combustion of a fuel blend of n-heptane and natural gas using a genetic algorithm[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering， 2010， 224（9）： 1141-1159.
[16]Lounici M S， Benbellil M A， Loubar K， et al. Knock characterization and development of a new knock indicator for dual-fuel engines[J]. Energy， 2017， 141： 2351-2361.
[17]葉映.大型低速船用双燃料发动机预燃室系统的数值模拟研究[D].天津大学，2018.