可用于轿车和轻型货车的氢燃料发动机

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

摘要：德国博世公司和奥地利格拉茨理工大学对氢燃料发动机方案的混合气形成、燃烧和废气排放等方面进行了评价。对1台废气涡轮增压汽油机进行了改造，并为其配备了氢燃料直接喷射系统。试验研究表明，通过适度的开发工作，已使该款氢燃料发动机具备了较高的功能性潜力。

关键词：氢燃料发动机;氢燃料进气道喷射;氢燃料直接喷射;排放

0 前言

氢燃料作为1种能量载体，具有广泛的应用前景。该类能源可有效解决道路运输或非道路运输中所产生的CO2 排放问题。日本、韩国和中国等国家已开始建设加氢站等基础设施，欧盟及包括德国在内的几个成员国也提出了发展氢燃料的策略及其路线图，其中包括了在道路运输中采用氢燃料，以及扩建加氢站网络的基本计划。氢燃料在从油井到车轮的全周期内几乎不会产生CO2 排放，特别当业界将可再生电能制取的燃料（E-燃料）作为首选，未来氢燃料的价格也将极具吸引力。

为了证实氢燃料动力总成系统在多个应用案例中均具有较高技术潜力，并确保加氢站能满足業界需求，针对氢燃料的推广需要采用1种公开的技术方案。因此，除了燃料电池外，氢燃料发动机也被视为1种潜在的解决方案。目前，可用的发动机和动力总成系统技术及现有的车辆结构，均为未来的氢燃料发动机提供了极佳的基础。燃料电池和氢燃料发动机都可使用相同的氢燃料储存系统，因此研究人员可以缩短开发周期，控制开发风险，并减少相关的额外支出成本。

1 氢燃料发动机作为燃料电池的补充

目前，约有40%的工业氢燃料是作为化工生产过程的副产品而制取的，剩余的60%则是专门生产的[1]，大部分来自碳氢（HC）。为了避免将废气排放至大气，研究人员必须收集和储存生产过程中所产生的CO2，例如在甲烷蒸气重整时采用捕集和储存碳的方式，或者在甲烷热解时采用沉积固体碳的方式。氢燃料也可通过电解水来制取，从油井到油箱过程中产生的CO2排放量主要取决于所用电能的强度。研究人员可通过降低电解设备的成本，并且不增加CO2 排放的发电成本，从而持续降低E-燃料制取氢燃料的成本。此外，研究人员也在进一步研究不增加CO2 排放并生产氢燃料的途径。

由于氢燃料的密度较小，因此对该类能源的储存、运输需要有足够的空间，这在技术和经济上是1项重要挑战。目前，就移动设备应用而言，研究人员优先考虑在35～70MPa的压力条件下，以高压气态的形式存储氢燃料。

随着加氢站的逐步扩建，轿车和轻型货车面临的问题是氢燃料发动机将以何种形式与燃料电池互补，以及其是否能真正有助于实现不产生CO2 排放的动力总成系统，并使污染物排放降至最低。由于现有的生产架构和车辆结构的广泛可用性，氢燃料发动机的投资成本较低，可靠性较高且使用寿命较长，总体运行成本也相应较低。

2 氢燃料发动机的技术方案

未来的氢燃料发动机应尽可能地沿用现有的发动机构件和技术方案，这样可减少初始投资和额外成本。表1示出了氢燃料的特殊性质。出于成本考虑，研究人员优先选择了单一的氢燃料发动机方案。由于氢燃料密度较低，采用氢燃料进气道喷射（H2-PFI）方案的混合气热值也相对较低。

氢燃料直接喷射（H2-DI）方式可以使发动机缸内的混合气得到显著改善，特别是在进气门关闭后的短时燃料喷射过程期间。较高的自燃温度和较低的点火能量致使发动机的燃烧过程主要通过火花塞对均质混合气进行点火来实现。宽广的着火极限与较高的层流燃烧速度有利于提高稀薄混合气运行效率，并可将氮氧化物（NOx）排放降至最低。节气门和凸轮轴相位调节器可用于控制空气流动路径，并优化气缸性能。为了在稀薄混合气运行过程中，逐步提高发动机的负荷和转速，研究人员需要为其配备性能优越的废气涡轮增压系统，从而可在低排气温度下提供较高的空气质量流量。因此，为开发可用于轿车和轻型货车的氢燃料发动机，废气涡轮增压直喷式汽油机是1款首选机型。表2为氢燃料发动机的运行策略和开发重点。

空气管路传感器可由现有的部件组成，但对于燃料管路和废气传感器而言，则必须要使现有的传感器适用于氢燃料发动机，70MPa的储氢罐系统部件大部分可以从轿车燃料电池中沿用。图1示出了可用于轿车和轻型货车的氢燃料发动机系统[2]。

3 氢燃料发动机方案的技术特性

为了进行试验研究，研究人员选择了1款废气涡轮增压直喷式汽油机作为基础机型，并从燃用氢燃料的目的出发，对该款机型进行了技术调整，从而实现了H2-PFI或H2-DI运行（图2和表3）。研究人员所用的H2-PFI喷油器是博世公司用于试验的样品，其喷射压力约为0.9～1.3MPa，每个气缸有2个位于进气门前的喷射器，可称其为双气门喷射（Twin-PFI）。H2-DI喷油器则沿用了博世公司用于直接喷射汽油的中央布置喷射器，目前已实现了量产。为了缩短喷射时间，研究人员将氢燃料喷射压力提高到17.0 MPa左右。1种专门为H2-DI设计的喷射器具有更大的开启横截面积，可显著减小喷射压力需求，从而使储存在压力罐中的氢燃料能为车辆提供更长的行驶里程。

在排气温度较低的情况下，本文所介绍的氢燃料发动机方案能以均质稀薄混合气运行，研究人员相应使用了量产柴油机VTG 来模拟两级废气涡轮增压。用于试验研究的废气后处理系统可保持原装置不变，研究人员所关注的重点是对废气原始排放水平的评估。

4 采用废气涡轮增压系统的进气道喷射氢燃料发动机

H2-PFI的增压系统必须提供较高的增压压力，以尽可能补偿氢燃料喷入进气道时产生的“挤压空气”效应。研究人员发现，低转速范围是设计和控制所研究配置的主要挑战，因为小型废气涡轮增压器在发动机较高的转速下会迅速达到其转速极限（图3（a））。此外，在外部混合气形成的情况下，氢燃料喷射压力、H2-PFI喷射器、所应用的喷射时间窗口和喷射器安装位置也是重要的优化参数。优化的目标是与进气同步喷射氢燃料，以避免回火等燃烧异常现象，并尽量减少由于未燃烧的燃料所造成的损失。氢燃料发动机的有效效率最佳值为37%（图3（b））。从相对较低的压缩比9.8出发，研究人员还有较大的改进潜力。在以H2-Twin-PFI运行时，发动机能够获得较高的升功率，其值为60kW，升扭矩为148N·m。由于发动机以稀薄混合气运行，在重要的特性曲线场内，NOx 的原始排放浓度可保持在小于10×10-6的范围内（图4）。在低转速时，研究人员必须进一步改进增压系统，并通过提高空气质量流量来实现更稀薄的混合气运行。

5 废气涡轮增压直接喷射氢燃料发动机

在H2-DI情况下，发动机可在整个特性曲线场以极稀薄的混合气运行，这是因为合适的氢燃料直接喷射策略能在很大程度上避免对进气产生影响（图5（a））。氢燃料发动机运行的最高效率为39%，考虑到NOx 原始排放水平和潜在的异常燃烧现象，研究人员可通过提高压缩比来深化氢燃料发动机的技术潜力。氢燃料发动机以DI状态运行时，所能达到的升扭矩为191N·m，升功率为83kW，这些性能指标涵盖了目前大多数发动机的功率变型。研究人员通过优化空气和废气管路，进一步改善了氢燃料发动机的性能。通过H2-DI方式，氢燃料发动机能在宽广的特性曲线场范围（λ>2.5）内以非常稀薄的混合气运行，H2-DI方式与H2-PFI方式相比，在更宽广的特性曲线场范围内满足了NOx 原始排放浓度小于10×10-6的要求（图6）。氢燃料发动机在运行时，由于机油掺入燃烧室也可能会引起异常燃烧现象，这将产生一定浓度范围的HC和CO排放。因此，研究人员必须有针对性地将各种影响因素降到最低程度。

在宽广的特性曲线场范围内，氢燃料发动机在以DI方式运行时可使50%的转化点布设于点火上止点后6～10°CA，从而提升了燃料转化效率（图7（a））。为了降低NOx 原始排放、提高燃烧过程的可靠性并限制峰值压力，研究人员在氢燃料发动机高负荷工况时，通过推迟点火角使燃烧过程略微延迟，并使废气的热焓流和增压压力在效率损失较低的情况下取得了较好的效果。整个特性曲线场中，平均指示压力变化系数pi 不大于0.03（图7（b））。气缸峰值压力被限制在13.0MPa左右，最大气缸压力梯度小于0.6MPa/°CA，相应的燃烧噪声级值约为75～100dB（A），涡轮增压器的最大转速将进气总管压力限制在0.3MPa左右。由于氢燃料发动机在以稀薄混合气运行时，涡轮前的温度相对较低（图8），研究人员为其选用了常规的VTG。

6 结论和展望

为减少动力装置的CO2 及其他有害物排放，各国政府应对相关市场计划进行调整，并推动加氢站的建设进程，以此证实氢燃料发动机的技术潜力。除了燃料电池外，氢燃料发动机因具有较好的技术应用前景，也是1种有效的解决方案。同时，氢燃料发动机具有成本低、可靠性高、使用寿命长等优势，都有助于其未来的推广和应用。

本文评估了氢燃料发动机用于轿车和轻型货车时的混合气形成、燃烧和废气排放等过程。研究人员将1款废气涡轮增压直喷式汽油机改制成可实现H2-PFI方式或H2-DI方式的均质稀薄氢燃料发动机，在采用H2-PFI方式的情况下，该款发动机的升功率为60kW、升扭矩为148N·m，最高效率为37%。在采用H2-DI方式的情况下，该款发动机的升功率为83kW、升扭矩为191N·m，最高效率为39%。根据不同的过量空气系数（λ>2.5），在宽广的特性曲线场范围内，NOx 的原始排放浓度可始终低于10×10-6或低于0.1g/（kW·h）。在整个特性曲线场中，发动机机油掺入燃烧室所引起的HC和CO原始排放均处于极低水平。

试验结果证实，氢燃料发动机方案可充分满足轿车和轻型货车的技术目标，其他重要的性能潜力也可以通过有针对性地开发或调整部件，或通过优化措施来实现。废气排放方案则需要根据运行策略和动力总成系统的配置进行细化。氢燃料发动机集成到电气化动力总成系统的方式也将为专用混合动力发动机的设计和运行策略带来更高的自由度和更佳的协同效应。

目前，由于发动机、传动构件及汽车结构均得到广泛应用，经改装而成的氢燃料发动机也能充分满足轿车和轻型货車的技术要求。除了燃料电池外，相关国家也通过推动加氢站的扩建进程来支持氢燃料发动机的发展。