可用于轎車和輕型貨車的氫燃料發動機

【德】 D.SEBOLDT M.MANSBART P.GRABNER H.EICHLSEDER

摘要：德國博世公司和奧地利格拉茨理工大學對氫燃料發動機方案的混合氣形成、燃燒和廢氣排放等方面進行了評價。對1臺廢氣渦輪增壓汽油機進行了改造，并為其配備了氫燃料直接噴射系統。試驗研究表明，通過適度的開發工作，已使該款氫燃料發動機具備了較高的功能性潛力。

關鍵詞：氫燃料發動機;氫燃料進氣道噴射;氫燃料直接噴射;排放

0 前言

氫燃料作為1種能量載體，具有廣泛的應用前景。該類能源可有效解決道路運輸或非道路運輸中所產生的CO2 排放問題。日本、韓國和中國等國家已開始建設加氫站等基礎設施，歐盟及包括德國在內的幾個成員國也提出了發展氫燃料的策略及其路線圖，其中包括了在道路運輸中采用氫燃料，以及擴建加氫站網絡的基本計劃。氫燃料在從油井到車輪的全周期內幾乎不會產生CO2 排放，特別當業界將可再生電能制取的燃料（E-燃料）作為首選，未來氫燃料的價格也將極具吸引力。

為了證實氫燃料動力總成系統在多個應用案例中均具有較高技術潛力，并確保加氫站能滿足業界需求，針對氫燃料的推廣需要采用1種公開的技術方案。因此，除了燃料電池外，氫燃料發動機也被視為1種潛在的解決方案。目前，可用的發動機和動力總成系統技術及現有的車輛結構，均為未來的氫燃料發動機提供了極佳的基礎。燃料電池和氫燃料發動機都可使用相同的氫燃料儲存系統，因此研究人員可以縮短開發周期，控制開發風險，并減少相關的額外支出成本。

1 氫燃料發動機作為燃料電池的補充

目前，約有40%的工業氫燃料是作為化工生產過程的副產品而制取的，剩余的60%則是專門生產的[1]，大部分來自碳氫（HC）。為了避免將廢氣排放至大氣，研究人員必須收集和儲存生產過程中所產生的CO2，例如在甲烷蒸氣重整時采用捕集和儲存碳的方式，或者在甲烷熱解時采用沉積固體碳的方式。氫燃料也可通過電解水來制取，從油井到油箱過程中產生的CO2排放量主要取決于所用電能的強度。研究人員可通過降低電解設備的成本，并且不增加CO2 排放的發電成本，從而持續降低E-燃料制取氫燃料的成本。此外，研究人員也在進一步研究不增加CO2 排放并生產氫燃料的途徑。

由于氫燃料的密度較小，因此對該類能源的儲存、運輸需要有足夠的空間，這在技術和經濟上是1項重要挑戰。目前，就移動設備應用而言，研究人員優先考慮在35～70MPa的壓力條件下，以高壓氣態的形式存儲氫燃料。

隨著加氫站的逐步擴建，轎車和輕型貨車面臨的問題是氫燃料發動機將以何種形式與燃料電池互補，以及其是否能真正有助于實現不產生CO2 排放的動力總成系統，并使污染物排放降至最低。由于現有的生產架構和車輛結構的廣泛可用性，氫燃料發動機的投資成本較低，可靠性較高且使用壽命較長，總體運行成本也相應較低。

2 氫燃料發動機的技術方案

未來的氫燃料發動機應盡可能地沿用現有的發動機構件和技術方案，這樣可減少初始投資和額外成本。表1示出了氫燃料的特殊性質。出于成本考慮，研究人員優先選擇了單一的氫燃料發動機方案。由于氫燃料密度較低，采用氫燃料進氣道噴射（H2-PFI）方案的混合氣熱值也相對較低。

氫燃料直接噴射（H2-DI）方式可以使發動機缸內的混合氣得到顯著改善，特別是在進氣門關閉后的短時燃料噴射過程期間。較高的自燃溫度和較低的點火能量致使發動機的燃燒過程主要通過火花塞對均質混合氣進行點火來實現。寬廣的著火極限與較高的層流燃燒速度有利于提高稀薄混合氣運行效率，并可將氮氧化物（NOx）排放降至最低。節氣門和凸輪軸相位調節器可用于控制空氣流動路徑，并優化氣缸性能。為了在稀薄混合氣運行過程中，逐步提高發動機的負荷和轉速，研究人員需要為其配備性能優越的廢氣渦輪增壓系統，從而可在低排氣溫度下提供較高的空氣質量流量。因此，為開發可用于轎車和輕型貨車的氫燃料發動機，廢氣渦輪增壓直噴式汽油機是1款首選機型。表2為氫燃料發動機的運行策略和開發重點。

空氣管路傳感器可由現有的部件組成，但對于燃料管路和廢氣傳感器而言，則必須要使現有的傳感器適用于氫燃料發動機，70MPa的儲氫罐系統部件大部分可以從轎車燃料電池中沿用。圖1示出了可用于轎車和輕型貨車的氫燃料發動機系統[2]。

3 氫燃料發動機方案的技術特性

為了進行試驗研究，研究人員選擇了1款廢氣渦輪增壓直噴式汽油機作為基礎機型，并從燃用氫燃料的目的出發，對該款機型進行了技術調整，從而實現了H2-PFI或H2-DI運行（圖2和表3）。研究人員所用的H2-PFI噴油器是博世公司用于試驗的樣品，其噴射壓力約為0.9～1.3MPa，每個氣缸有2個位于進氣門前的噴射器，可稱其為雙氣門噴射（Twin-PFI）。H2-DI噴油器則沿用了博世公司用于直接噴射汽油的中央布置噴射器，目前已實現了量產。為了縮短噴射時間，研究人員將氫燃料噴射壓力提高到17.0 MPa左右。1種專門為H2-DI設計的噴射器具有更大的開啟橫截面積，可顯著減小噴射壓力需求，從而使儲存在壓力罐中的氫燃料能為車輛提供更長的行駛里程。

在排氣溫度較低的情況下，本文所介紹的氫燃料發動機方案能以均質稀薄混合氣運行，研究人員相應使用了量產柴油機VTG 來模擬兩級廢氣渦輪增壓。用于試驗研究的廢氣后處理系統可保持原裝置不變，研究人員所關注的重點是對廢氣原始排放水平的評估。

4 采用廢氣渦輪增壓系統的進氣道噴射氫燃料發動機

H2-PFI的增壓系統必須提供較高的增壓壓力，以盡可能補償氫燃料噴入進氣道時產生的“擠壓空氣”效應。研究人員發現，低轉速范圍是設計和控制所研究配置的主要挑戰，因為小型廢氣渦輪增壓器在發動機較高的轉速下會迅速達到其轉速極限（圖3（a））。此外，在外部混合氣形成的情況下，氫燃料噴射壓力、H2-PFI噴射器、所應用的噴射時間窗口和噴射器安裝位置也是重要的優化參數。優化的目標是與進氣同步噴射氫燃料，以避免回火等燃燒異常現象，并盡量減少由于未燃燒的燃料所造成的損失。氫燃料發動機的有效效率最佳值為37%（圖3（b））。從相對較低的壓縮比9.8出發，研究人員還有較大的改進潛力。在以H2-Twin-PFI運行時，發動機能夠獲得較高的升功率，其值為60kW，升扭矩為148N·m。由于發動機以稀薄混合氣運行，在重要的特性曲線場內，NOx 的原始排放濃度可保持在小于10×10-6的范圍內（圖4）。在低轉速時，研究人員必須進一步改進增壓系統，并通過提高空氣質量流量來實現更稀薄的混合氣運行。

5 廢氣渦輪增壓直接噴射氫燃料發動機

在H2-DI情況下，發動機可在整個特性曲線場以極稀薄的混合氣運行，這是因為合適的氫燃料直接噴射策略能在很大程度上避免對進氣產生影響（圖5（a））。氫燃料發動機運行的最高效率為39%，考慮到NOx 原始排放水平和潛在的異常燃燒現象，研究人員可通過提高壓縮比來深化氫燃料發動機的技術潛力。氫燃料發動機以DI狀態運行時，所能達到的升扭矩為191N·m，升功率為83kW，這些性能指標涵蓋了目前大多數發動機的功率變型。研究人員通過優化空氣和廢氣管路，進一步改善了氫燃料發動機的性能。通過H2-DI方式，氫燃料發動機能在寬廣的特性曲線場范圍（λ>2.5）內以非常稀薄的混合氣運行，H2-DI方式與H2-PFI方式相比，在更寬廣的特性曲線場范圍內滿足了NOx 原始排放濃度小于10×10-6的要求（圖6）。氫燃料發動機在運行時，由于機油摻入燃燒室也可能會引起異常燃燒現象，這將產生一定濃度范圍的HC和CO排放。因此，研究人員必須有針對性地將各種影響因素降到最低程度。

在寬廣的特性曲線場范圍內，氫燃料發動機在以DI方式運行時可使50%的轉化點布設于點火上止點后6～10°CA，從而提升了燃料轉化效率（圖7（a））。為了降低NOx 原始排放、提高燃燒過程的可靠性并限制峰值壓力，研究人員在氫燃料發動機高負荷工況時，通過推遲點火角使燃燒過程略微延遲，并使廢氣的熱焓流和增壓壓力在效率損失較低的情況下取得了較好的效果。整個特性曲線場中，平均指示壓力變化系數pi 不大于0.03（圖7（b））。氣缸峰值壓力被限制在13.0MPa左右，最大氣缸壓力梯度小于0.6MPa/°CA，相應的燃燒噪聲級值約為75～100dB（A），渦輪增壓器的最大轉速將進氣總管壓力限制在0.3MPa左右。由于氫燃料發動機在以稀薄混合氣運行時，渦輪前的溫度相對較低（圖8），研究人員為其選用了常規的VTG。

6 結論和展望

為減少動力裝置的CO2 及其他有害物排放，各國政府應對相關市場計劃進行調整，并推動加氫站的建設進程，以此證實氫燃料發動機的技術潛力。除了燃料電池外，氫燃料發動機因具有較好的技術應用前景，也是1種有效的解決方案。同時，氫燃料發動機具有成本低、可靠性高、使用壽命長等優勢，都有助于其未來的推廣和應用。

本文評估了氫燃料發動機用于轎車和輕型貨車時的混合氣形成、燃燒和廢氣排放等過程。研究人員將1款廢氣渦輪增壓直噴式汽油機改制成可實現H2-PFI方式或H2-DI方式的均質稀薄氫燃料發動機，在采用H2-PFI方式的情況下，該款發動機的升功率為60kW、升扭矩為148N·m，最高效率為37%。在采用H2-DI方式的情況下，該款發動機的升功率為83kW、升扭矩為191N·m，最高效率為39%。根據不同的過量空氣系數（λ>2.5），在寬廣的特性曲線場范圍內，NOx 的原始排放濃度可始終低于10×10-6或低于0.1g/（kW·h）。在整個特性曲線場中，發動機機油摻入燃燒室所引起的HC和CO原始排放均處于極低水平。

試驗結果證實，氫燃料發動機方案可充分滿足轎車和輕型貨車的技術目標，其他重要的性能潛力也可以通過有針對性地開發或調整部件，或通過優化措施來實現。廢氣排放方案則需要根據運行策略和動力總成系統的配置進行細化。氫燃料發動機集成到電氣化動力總成系統的方式也將為專用混合動力發動機的設計和運行策略帶來更高的自由度和更佳的協同效應。

目前，由于發動機、傳動構件及汽車結構均得到廣泛應用，經改裝而成的氫燃料發動機也能充分滿足轎車和輕型貨車的技術要求。除了燃料電池外，相關國家也通過推動加氫站的擴建進程來支持氫燃料發動機的發展。