氫噴射系統(tǒng)-零二氧化碳動力系統(tǒng)的明智之選

氫噴射系統(tǒng)一一零二氧化碳動力系統(tǒng)的明智之選.

概述：BorgT恒rner研究了將柴油發(fā)動機轉換為氫燃料發(fā)動機

時需要對噴射系統(tǒng)進行哪些調整。之后，該公司與合作伙伴合作

制造了一輛樣車，并進行了發(fā)動機測試和駕駛循環(huán)模擬。結果表

明，氫內燃機作為二氧化碳中和驅動的選擇具有很大潛力。

盡管不斷努力減少燃料消耗，但全球約四分之一的二氧化碳

排放來自交通運輸領域，且這一趨勢仍在上升。出于性能和經濟

方面的考慮，不同的汽車應用可能需要不同的動力系統(tǒng)技術來實

現(xiàn)二氧化碳中和的最佳路徑，如圖1所示。

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圖1汽車用途對動力總成選擇的影響

氫內燃機（壓ICE）的一個關鍵優(yōu)勢是其架構在很大程度上

允許繼續(xù)使用現(xiàn)有供應鏈和現(xiàn)有原材料。與純電動汽車（BEV）和氫

燃料電池汽車（也FC）相比，這使得比ICE動力汽車能夠以最低

的投資迅速進入市場。為了了解比ICE的經濟吸引力，將總擁

有成本（TC0）分析應用于總重量為3.5t的輕型商用車（LCV）,如

圖1所示。這表明，隨著車輛行駛里程的增加，儲能的重量和成

本也會增加。隨著重量的增加，車輛的澡油效率會降低，從而進

一步增加成本。氫氣燃料車輛對航程的敏感性低于純電動汽車。

與出FC相比，H2ICE動力系統(tǒng)的低成本也比油耗的小差異更

重要，為山ICE提供了令人信服的商業(yè)案例，適用于包括LCV

在內的各種車輛類別的更高功率和范圍應用。

噴射系統(tǒng)

由于氫氣密度較低，現(xiàn)有的噴射系統(tǒng)需要進行大量調整，以

滿足發(fā)動機加油和封裝要求。圖2給出了比注入系統(tǒng)組件的概述。

所述核心壓力調節(jié)和安全功能在儲罐側的機械高壓調節(jié)器與氣軌

之間的調節(jié)模塊中實現(xiàn)。然后，氣軌連接到乩噴油器，該噴油器

可以安裝在端口燃油噴射（PFI）和直接噴射（DI）位置，使用低（低

于15bar）＞中（20至40bar）或高壓（超過200bar）氣體供應。發(fā)動

機控制單元（ECU）和相關軟件將所有部件的功能與發(fā)動機的其他

部分集成在一起。

圖2用于上ICE的乩噴射系統(tǒng)部件

噴油器選擇

噴射壓力和噴油器位置的選擇對發(fā)動機性能有重要影響。PFI

可以取代多達30%的新電荷，降低容量效率和功率。相比之下，

在進口氣門關閉后進行DI噴射對容積效率沒有影響，從而提高了

發(fā)動機的扭矩能力。對渦輪增壓器和噴射系統(tǒng)之間相互作用的模

擬（圖3）表明，在相同入（iso_入）條件下，DI有可能將低端扭

矩提高50%以上，或在相同N0、值（iso_N0j和功率邊界條件下提

高30%以上。高壓后期DI在效率和功率方面可能會獲得進一步的

優(yōu)勢，但會影響系統(tǒng)的復雜性和NO、排放。

圖3噴油器類型和位置對發(fā)動機性能的影響

空氣一燃料混合

為了實現(xiàn)高效率和NO,最小化，燃燒時的混合均勻性至關重

要。在DI-CHG噴油器上已作出規(guī)定，增加了一個射流偏轉板，以

控制射流的瞄準、形狀和穿透。圖4展示了與標準空心錐體設計

相比，30°偏斜偏流板所產生的射流。

也流量，需要同時進行壓力和溫度補償。零件-零件的管理和壽命

周期性能受益于閉環(huán)。

采用獨特的SoftOpening(SOP)和SoftLanding(SLP)波形,

在噪聲和耐久性方面進一步優(yōu)化了噴油器的運行。如圖6所云，

通過校準SOP,可以減少針在開口時的彈跳并改善流動曲線的線

性度。此外，使用SLP可使閉合速度降低50%左右。該策略已經

在發(fā)動機試驗臺上進行了驗證，直接將加速度計安裝在噴油器上,

證實了針閉合時沖擊能量顯著降低。

圖6針開合的Soft脈沖策略

輕型商用車樣車改型

BorgWarner及其合作伙伴Dangel和Caillau結合他們的互

補專業(yè)技術，將一輛LCV改裝為H2ICEO對該車的改裝主要集中

在三個方面：也供應系統(tǒng)、ECU、線束和軟件集成以及發(fā)動機轉換,

如圖7所示。

供應系統(tǒng)的開發(fā)確保完全符合上安全標準。它包括油箱、加

注噴油器、加注電路、發(fā)動機供應電路和用于維護任務的電路內

添加的選項。系統(tǒng)FMEA已用于識別組件集成的關鍵區(qū)域和動作

（管道布線、位置、排氣、裝配條件和測試等）。氫氣供應系統(tǒng)啟

動、停止和凈化的具體程序已經到位。車身采用了通風、排氣電

路和泄漏監(jiān)測傳感器。安裝了兩個經過道路認證的350bar油箱,

可用容量為9kgH2,在700bar時可升級到16kg。車架、附著

點和油箱綁帶滿足碰撞試驗要求，并保留了大部分原始載貨空間。

圖7LCV演示項目車輛改裝和合作伙伴

在控制方面，基礎生產ECU保留了車輛功能，并在新開發(fā)的

也平臺ECU上增加了一個接口，用于控制噴射、燃燒、氫氣供應

和監(jiān)測以及排氣系統(tǒng)管理。

技術基礎是LCV上的2.2升柴油發(fā)動機。采用直噴DI-CHG

系統(tǒng)，工作壓力在20~40bar之間。增加了乩調節(jié)模塊，包含

必要的關閉、流量限制和凈化功能。安裝了點火線圈和火花塞以

及一個曲軸箱通風電路，以避免氫氣積聚在曲軸箱。改進活塞以

降低壓縮比。發(fā)動機燃燒系統(tǒng)優(yōu)化（噴射系統(tǒng)、活塞和渦輪增壓器）

是一個多步驟過程，有幾個中間階段的發(fā)動機。在撰寫本文時，

混合優(yōu)化發(fā)動機已經校準并集成到車輛上。與柴油發(fā)動機相比，

氮氧化物值已下降了不到四分之一。目前，這款發(fā)動機正在公共

和私人道路上進行測試和駕駛性能校準。最后一步，公司計劃對

渦輪增壓器進行升級，使其在發(fā)動機全轉速范圍內的扭矩達到基

準柴油發(fā)動機的80%以上。

發(fā)動機測試結果

由于排放、發(fā)動機穩(wěn)定性和效率等原因，在非常稀薄的條件

下運行通常是首選，這導致了發(fā)動機功率的空氣路徑限制。

圖8比較了燃燒階段、噴水和低壓EGR對2000rpm和5g/kWh

典型NO,限值下發(fā)動機可用扭矩的影響。將燃燒中心（MFB50）從最

佳位置延遲，可以提高排氣溫度和有效增壓，顯著提高制動扭矩，

但效率卻略有降低。發(fā)動機的負荷可以通過注水進一步明顯增加。

這一改進歸因于在等氮氧化物條件下更豐富的混合物和升壓的增

加。相比之下，使用低壓EGR只增加了非常小的扭矩，因為混合

豐富度的優(yōu)勢被體積效率的降低所平衡，而升力沒有變化。雖然

也考慮過高壓EGR,但在低速扭矩點，高壓EGR對升力和容積效

率的影響更不理想。盡管如此，在最大功率條件下，高壓EGR仍

然是一項有趣的技術，可以優(yōu)化渦輪增正器所需的流量范圍。

RetartMcombustionLowpressureEGRIntakeportwater

iniection

e一

u

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C2

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-

GDIengineconversion.2000rpm.max.torquewithoriginalwastegateturbocharger

圖8燃燒相位、噴水和低壓對最大扭矩的影響

驅動循環(huán)模擬

為了測試上內燃機的驅動循環(huán)能力，利用2.21柴油機轉換

試驗數(shù)據(jù)和噴射系統(tǒng)及空氣路徑的0-D/1-D物理模型，建立？一

個平均值發(fā)動機模型。選擇用于分析的測試車輛是一輛載重500

公斤、總重量2900公斤的LCV。已經考慮了根據(jù)未來的發(fā)動機發(fā)

展步驟進行的渦輪增壓器的升級C

由于通常對效率和排放最優(yōu)的稀混合氣對駕駛性能不利，因

此必須優(yōu)化瞬態(tài)控制。模擬了三種控制策略：無瞬態(tài)控制（基于優(yōu)

化的穩(wěn)態(tài)校準圖），瞬態(tài)期間混合物的富集，以及富集和MFB50

延遲的組合。

駕駛性能

910912914916918920922924

Time(s]

圖92900kgLCV模擬WLTC的瞬態(tài)性能示例

圖9給出了來自WLTC輪廓的急速加速示例。對于沒有瞬杰控

制策略的標定，車輛無法匹配目標速度輪廓。富集時，發(fā)動機和

車輛的響應時間得到了改善，并在允許的速度范圍內，但在瞬態(tài)

情況下N0,排放量大幅增加。在瞬態(tài)過程中延遲MFB50,也控制了

氮氧化物，同時保持了駕駛性能的改善。

循環(huán)結果

圖10重量為2900公斤的LCV的模擬WLTC結果

圖10給出了WLTC的模擬排放結果。沒有瞬態(tài)控制的策略可

以使發(fā)動機排放達到非常低的水平，約為50mg/km,盡管駕駛性

能較差。在瞬態(tài)過程中添加的富集提高了車輛的響應性，但有很

大的排放損失。最后，MFB50緩速策略的應用可以在