可用于轎車和輕型貨車的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

【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(xué)對(duì)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方案的混合氣形成、燃燒和廢氣排放等方面進(jìn)行了評(píng)價(jià)。對(duì)1臺(tái)廢氣渦輪增壓汽油機(jī)進(jìn)行了改造，并為其配備了氫燃料直接噴射系統(tǒng)。試驗(yàn)研究表明，通過適度的開發(fā)工作，已使該款氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具備了較高的功能性潛力。

關(guān)鍵詞：氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī);氫燃料進(jìn)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(yīng)用前景。該類能源可有效解決道路運(yùn)輸或非道路運(yùn)輸中所產(chǎn)生的CO2 排放問題。日本、韓國和中國等國家已開始建設(shè)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，歐盟及包括德國在內(nèi)的幾個(gè)成員國也提出了發(fā)展氫燃料的策略及其路線圖，其中包括了在道路運(yùn)輸中采用氫燃料，以及擴(kuò)建加氫站網(wǎng)絡(luò)的基本計(jì)劃。氫燃料在從油井到車輪的全周期內(nèi)幾乎不會(huì)產(chǎn)生CO2 排放，特別當(dāng)業(yè)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(jià)格也將極具吸引力。

為了證實(shí)氫燃料動(dòng)力總成系統(tǒng)在多個(gè)應(yīng)用案例中均具有較高技術(shù)潛力，并確保加氫站能滿足業(yè)界需求，針對(duì)氫燃料的推廣需要采用1種公開的技術(shù)方案。因此，除了燃料電池外，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)也被視為1種潛在的解決方案。目前，可用的發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力總成系統(tǒng)技術(shù)及現(xiàn)有的車輛結(jié)構(gòu)，均為未來的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)提供了極佳的基礎(chǔ)。燃料電池和氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)都可使用相同的氫燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)，因此研究人員可以縮短開發(fā)周期，控制開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并減少相關(guān)的額外支出成本。

1 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)作為燃料電池的補(bǔ)充

目前，約有40%的工業(yè)氫燃料是作為化工生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品而制取的，剩余的60%則是專門生產(chǎn)的[1]，大部分來自碳?xì)洌℉C）。為了避免將廢氣排放至大氣，研究人員必須收集和儲(chǔ)存生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的CO2，例如在甲烷蒸氣重整時(shí)采用捕集和儲(chǔ)存碳的方式，或者在甲烷熱解時(shí)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(chǎn)生的CO2排放量主要取決于所用電能的強(qiáng)度。研究人員可通過降低電解設(shè)備的成本，并且不增加CO2 排放的發(fā)電成本，從而持續(xù)降低E-燃料制取氫燃料的成本。此外，研究人員也在進(jìn)一步研究不增加CO2 排放并生產(chǎn)氫燃料的途徑。

由于氫燃料的密度較小，因此對(duì)該類能源的儲(chǔ)存、運(yùn)輸需要有足夠的空間，這在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是1項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。目前，就移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用而言，研究人員優(yōu)先考慮在35～70MPa的壓力條件下，以高壓氣態(tài)的形式存儲(chǔ)氫燃料。

隨著加氫站的逐步擴(kuò)建，轎車和輕型貨車面臨的問題是氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)將以何種形式與燃料電池互補(bǔ)，以及其是否能真正有助于實(shí)現(xiàn)不產(chǎn)生CO2 排放的動(dòng)力總成系統(tǒng)，并使污染物排放降至最低。由于現(xiàn)有的生產(chǎn)架構(gòu)和車輛結(jié)構(gòu)的廣泛可用性，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的投資成本較低，可靠性較高且使用壽命較長，總體運(yùn)行成本也相應(yīng)較低。

2 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案

未來的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)盡可能地沿用現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件和技術(shù)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(zhì)。出于成本考慮，研究人員優(yōu)先選擇了單一的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方案。由于氫燃料密度較低，采用氫燃料進(jìn)氣道噴射（H2-PFI）方案的混合氣熱值也相對(duì)較低。

氫燃料直接噴射（H2-DI）方式可以使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的混合氣得到顯著改善，特別是在進(jìn)氣門關(guān)閉后的短時(shí)燃料噴射過程期間。較高的自燃溫度和較低的點(diǎn)火能量致使發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程主要通過火花塞對(duì)均質(zhì)混合氣進(jìn)行點(diǎn)火來實(shí)現(xiàn)。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(yùn)行效率，并可將氮氧化物（NOx）排放降至最低。節(jié)氣門和凸輪軸相位調(diào)節(jié)器可用于控制空氣流動(dòng)路徑，并優(yōu)化氣缸性能。為了在稀薄混合氣運(yùn)行過程中，逐步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，研究人員需要為其配備性能優(yōu)越的廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，從而可在低排氣溫度下提供較高的空氣質(zhì)量流量。因此，為開發(fā)可用于轎車和輕型貨車的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，廢氣渦輪增壓直噴式汽油機(jī)是1款首選機(jī)型。表2為氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行策略和開發(fā)重點(diǎn)。

空氣管路傳感器可由現(xiàn)有的部件組成，但對(duì)于燃料管路和廢氣傳感器而言，則必須要使現(xiàn)有的傳感器適用于氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，70MPa的儲(chǔ)氫罐系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)[2]。

3 氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方案的技術(shù)特性

為了進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究人員選擇了1款廢氣渦輪增壓直噴式汽油機(jī)作為基礎(chǔ)機(jī)型，并從燃用氫燃料的目的出發(fā)，對(duì)該款機(jī)型進(jìn)行了技術(shù)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了H2-PFI或H2-DI運(yùn)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(yàn)的樣品，其噴射壓力約為0.9～1.3MPa，每個(gè)氣缸有2個(gè)位于進(jìn)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(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。為了縮短噴射時(shí)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(shè)計(jì)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(chǔ)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(fā)動(dòng)機(jī)方案能以均質(zhì)稀薄混合氣運(yùn)行，研究人員相應(yīng)使用了量產(chǎn)柴油機(jī)VTG 來模擬兩級(jí)廢氣渦輪增壓。用于試驗(yàn)研究的廢氣后處理系統(tǒng)可保持原裝置不變，研究人員所關(guān)注的重點(diǎn)是對(duì)廢氣原始排放水平的評(píng)估。

4 采用廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的進(jìn)氣道噴射氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

H2-PFI的增壓系統(tǒng)必須提供較高的增壓壓力，以盡可能補(bǔ)償氫燃料噴入進(jìn)氣道時(shí)產(chǎn)生的“擠壓空氣”效應(yīng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，低轉(zhuǎn)速范圍是設(shè)計(jì)和控制所研究配置的主要挑戰(zhàn)，因?yàn)樾⌒蛷U氣渦輪增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)較高的轉(zhuǎn)速下會(huì)迅速達(dá)到其轉(zhuǎn)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(yīng)用的噴射時(shí)間窗口和噴射器安裝位置也是重要的優(yōu)化參數(shù)。優(yōu)化的目標(biāo)是與進(jìn)氣同步噴射氫燃料，以避免回火等燃燒異?，F(xiàn)象，并盡量減少由于未燃燒的燃料所造成的損失。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的有效效率最佳值為37%（圖3（b））。從相對(duì)較低的壓縮比9.8出發(fā)，研究人員還有較大的改進(jìn)潛力。在以H2-Twin-PFI運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠獲得較高的升功率，其值為60kW，升扭矩為148N·m。由于發(fā)動(dòng)機(jī)以稀薄混合氣運(yùn)行，在重要的特性曲線場內(nèi)，NOx 的原始排放濃度可保持在小于10×10-6的范圍內(nèi)（圖4）。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，研究人員必須進(jìn)一步改進(jìn)增壓系統(tǒng)，并通過提高空氣質(zhì)量流量來實(shí)現(xiàn)更稀薄的混合氣運(yùn)行。

5 廢氣渦輪增壓直接噴射氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

在H2-DI情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)可在整個(gè)特性曲線場以極稀薄的混合氣運(yùn)行，這是因?yàn)楹线m的氫燃料直接噴射策略能在很大程度上避免對(duì)進(jìn)氣產(chǎn)生影響（圖5（a））。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(xiàn)象，研究人員可通過提高壓縮比來深化氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)潛力。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)以DI狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，所能達(dá)到的升扭矩為191N·m，升功率為83kW，這些性能指標(biāo)涵蓋了目前大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率變型。研究人員通過優(yōu)化空氣和廢氣管路，進(jìn)一步改善了氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。通過H2-DI方式，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)能在寬廣的特性曲線場范圍（λ>2.5）內(nèi)以非常稀薄的混合氣運(yùn)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(nèi)滿足了NOx 原始排放濃度小于10×10-6的要求（圖6）。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)油摻入燃燒室也可能會(huì)引起異常燃燒現(xiàn)象，這將產(chǎn)生一定濃度范圍的HC和CO排放。因此，研究人員必須有針對(duì)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(nèi)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在以DI方式運(yùn)行時(shí)可使50%的轉(zhuǎn)化點(diǎn)布設(shè)于點(diǎn)火上止點(diǎn)后6～10°CA，從而提升了燃料轉(zhuǎn)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(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷工況時(shí)，通過推遲點(diǎn)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(gè)特性曲線場中，平均指示壓力變化系數(shù)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(yīng)的燃燒噪聲級(jí)值約為75～100dB（A），渦輪增壓器的最大轉(zhuǎn)速將進(jìn)氣總管壓力限制在0.3MPa左右。由于氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在以稀薄混合氣運(yùn)行時(shí)，渦輪前的溫度相對(duì)較低（圖8），研究人員為其選用了常規(guī)的VTG。

6 結(jié)論和展望

為減少動(dòng)力裝置的CO2 及其他有害物排放，各國政府應(yīng)對(duì)相關(guān)市場計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，并推動(dòng)加氫站的建設(shè)進(jìn)程，以此證實(shí)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)潛力。除了燃料電池外，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)因具有較好的技術(shù)應(yīng)用前景，也是1種有效的解決方案。同時(shí)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具有成本低、可靠性高、使用壽命長等優(yōu)勢，都有助于其未來的推廣和應(yīng)用。

本文評(píng)估了氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)用于轎車和輕型貨車時(shí)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(jī)改制成可實(shí)現(xiàn)H2-PFI方式或H2-DI方式的均質(zhì)稀薄氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，在采用H2-PFI方式的情況下，該款發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的升功率為83kW、升扭矩為191N·m，最高效率為39%。根據(jù)不同的過量空氣系數(shù)（λ>2.5），在寬廣的特性曲線場范圍內(nèi)，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(gè)特性曲線場中，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(yàn)結(jié)果證實(shí)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)方案可充分滿足轎車和輕型貨車的技術(shù)目標(biāo)，其他重要的性能潛力也可以通過有針對(duì)性地開發(fā)或調(diào)整部件，或通過優(yōu)化措施來實(shí)現(xiàn)。廢氣排放方案則需要根據(jù)運(yùn)行策略和動(dòng)力總成系統(tǒng)的配置進(jìn)行細(xì)化。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)集成到電氣化動(dòng)力總成系統(tǒng)的方式也將為專用混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略帶來更高的自由度和更佳的協(xié)同效應(yīng)。

目前，由于發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)構(gòu)件及汽車結(jié)構(gòu)均得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)改裝而成的氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)也能充分滿足轎車和輕型貨車的技術(shù)要求。除了燃料電池外，相關(guān)國家也通過推動(dòng)加氫站的擴(kuò)建進(jìn)程來支持氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。