沃尔沃卡车燃气发动机的压燃式点火工作原理

28 七月 2025

据朱利安·巴克利报道，液化天然气（LNG）和压缩天然气（CNG）的使用通常意味着火花点火，但沃尔沃卡车另辟蹊径，采用了不同的方法来提高燃油经济性。

沃尔沃卡车正在研发搭载氢燃料电池动力系统的车型，但这家瑞典公司已经推出了FM、FH和FH Aero卡车的衍生车型，这些车型分别采用液化天然气（LNG）和生物液化天然气（bio-LNG）发动机。这些发动机在公路行驶性能方面与同级别的柴油发动机相近，但二氧化碳排放量更低，并具有一系列其他优势。

在接受 Power Progress International 的独家采访时，沃尔沃卡车产品经理 Daniel Bergstrand 分享了为支持公司重型卡车系列（包括总重超过 18 吨的车型）使用 LNG 和生物 LNG 而开发的技术细节。

伯格斯特兰德：“2007年，我们展示了七种不同的动力系统原型，包括生物柴油、沼气、沼气/生物柴油混合燃料、二甲醚、乙醇/甲醇、合成柴油和氢/沼气混合燃料。我们这样做是为了说明实现二氧化碳减排的不同途径。如今，我们拥有柴油动力系统，并辅以生物柴油和氢化植物油（HVO）、液化天然气（LNG）和纯电动动力系统。对比柴油和液化天然气发动机的车辆，它们本质上是同一款卡车；除了发动机之外，几乎没有任何区别。”

但差别真是太大了。人们可能会猜测，为了支持液化天然气的使用，D13柴油发动机的改进主要集中在燃油喷射和燃烧系统上——而事实也的确如此。输送这种气态燃料所需的高压直喷（HPDI）系统是由加拿大公司Westport Fuel Systems开发的（后来，沃尔沃卡车和Westport成立了一家名为Cespira的合资企业，负责HPDI系统的商业化）。

为了支持柴油发动机常用的压缩燃烧模式，韦斯特波特公司还开发了一种新型喷油器，该喷油器采用同心针阀，将极少量的柴油（或氢化植物油）和天然气喷入燃烧室。随着气缸上升，压力增大，柴油液滴点燃，进而燃烧气态燃料，最终产生全部动力。

伯格斯特兰德以略带北欧式的含蓄语气补充道：“这些技术与其他使用液化天然气的发动机略有不同。每个循环中使用的引燃柴油燃料约占总燃料量的7%，这使得我们能够使用压缩循环，而这种高压模式能够提供与柴油发动机类似的动力和燃油效率。”

燃料输送

HPDI系统是一个复杂而精妙的解决方案，支持在内燃机中使用液化天然气。而将燃料输送到发动机的系统同样设计精良，其首要目标是实现均匀的燃料输送。

位于隔离真空罐内的低温泵将液化天然气 (LNG) 的压力提升至所需的 300 巴 (4,350 磅/平方英寸)。该真空罐内的温度约为 -140℃。在泵的顶部，汽化器将 LNG 转化为压缩天然气 (CNG)，然后输送至集成气体模块 (IGM) 以达到所需的温度和压力。从 IGM 出来后，燃料被送至气体调节模块进行最终的压力调节，之后输送至高压直接喷射 (HPDI) 系统并进行喷射。

发动机熄火时，燃油切断阀关闭，喷油器和燃油导轨中剩余的燃油被排出。这样做是为了确保发动机重新启动时喷油器油针内的压力正常。为了防止不必要的燃油损失和排放到大气中，回油模块会将剩余的燃油导回储油箱。

在标准发动机中，柴油既是冷却剂又是润滑剂——液化天然气燃料由于其物理成分的原因，无法起到润滑作用。但伯格斯特兰德表示，除了发动机机油之外，无需添加任何额外的润滑剂。

人们或许会认为，燃烧过程中使用的柴油燃料极少，因此发动机周围和机油中产生的烟尘也会更少，这或许可以延长保养周期。但伯格斯特兰德表示，LNG发动机的保养周期与柴油发动机类似。

伯格斯特兰德不愿给出具体数字，但他承认，LNG发动机与基础柴油发动机的零部件“有相当大比例”是通用的。但这或许利大于弊；LNG发动机和柴油发动机的通用性很可能有助于车辆行驶过程中的维护保养。

使用氢气作为燃料，尤其是在内燃机中，其缺点之一是会对部件造成损害，这种损害被称为脆化。伯格斯特兰德解释说，液化天然气几乎不与现有发动机部件发生相互作用，因此不会像氢气那样产生负面影响。

“燃料系统是专门为液化天然气设计的，这一点已经考虑到了。例如，输送燃料的管道是金属材质的，这也有助于维持燃料系统内的压力，”他补充道。