氫噴射系統(tǒng)-零二氧化碳動(dòng)力系統(tǒng)的明智之選

氫噴射系統(tǒng)一一零二氧化碳動(dòng)力系統(tǒng)的明智之選.

概述：BorgT恒rner研究了將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)

時(shí)需要對(duì)噴射系統(tǒng)進(jìn)行哪些調(diào)整。之后，該公司與合作伙伴合作

制造了一輛樣車，并進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試和駕駛循環(huán)模擬。結(jié)果表

明，氫內(nèi)燃機(jī)作為二氧化碳中和驅(qū)動(dòng)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(yùn)輸領(lǐng)域，且這一趨勢(shì)仍在上升。出于性能和經(jīng)濟(jì)

方面的考慮，不同的汽車應(yīng)用可能需要不同的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)來實(shí)

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(duì)動(dòng)力總成選擇的影響

氫內(nèi)燃機(jī)（壓ICE）的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是其架構(gòu)在很大程度上

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

燃料電池汽車（也FC）相比，這使得比ICE動(dòng)力汽車能夠以最低

的投資迅速進(jìn)入市場(chǎng)。為了了解比ICE的經(jīng)濟(jì)吸引力，將總擁

有成本（TC0）分析應(yīng)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(chǔ)能的重量和成

本也會(huì)增加。隨著重量的增加，車輛的澡油效率會(huì)降低，從而進(jìn)

一步增加成本。氫氣燃料車輛對(duì)航程的敏感性低于純電動(dòng)汽車。

與出FC相比，H2ICE動(dòng)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(nèi)的各種車輛類別的更高功率和范圍應(yīng)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(jìn)行大量調(diào)整，以

滿足發(fā)動(dòng)機(jī)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(diào)節(jié)和安全功能在儲(chǔ)罐側(cè)的機(jī)械高壓調(diào)節(jié)器與氣軌

之間的調(diào)節(jié)模塊中實(shí)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(yīng)。發(fā)動(dòng)

機(jī)控制單元（ECU）和相關(guān)軟件將所有部件的功能與發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能有重要影響。PFI

可以取代多達(dá)30%的新電荷，降低容量效率和功率。相比之下，

在進(jìn)口氣門關(guān)閉后進(jìn)行DI噴射對(duì)容積效率沒有影響，從而提高了

發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩能力。對(duì)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(huì)獲得進(jìn)一步的

優(yōu)勢(shì)，但會(huì)影響系統(tǒng)的復(fù)雜性和NO、排放。

圖3噴油器類型和位置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

空氣一燃料混合

為了實(shí)現(xiàn)高效率和NO,最小化，燃燒時(shí)的混合均勻性至關(guān)重

要。在DI-CHG噴油器上已作出規(guī)定，增加了一個(gè)射流偏轉(zhuǎn)板，以

控制射流的瞄準(zhǔn)、形狀和穿透。圖4展示了與標(biāo)準(zhǔn)空心錐體設(shè)計(jì)

相比，30°偏斜偏流板所產(chǎn)生的射流。

也流量，需要同時(shí)進(jìn)行壓力和溫度補(bǔ)償。零件-零件的管理和壽命

周期性能受益于閉環(huán)。

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

在噪聲和耐久性方面進(jìn)一步優(yōu)化了噴油器的運(yùn)行。如圖6所云，

通過校準(zhǔn)SOP,可以減少針在開口時(shí)的彈跳并改善流動(dòng)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(jīng)

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證，直接將加速度計(jì)安裝在噴油器上,

證實(shí)了針閉合時(shí)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(jié)合他們的互

補(bǔ)專業(yè)技術(shù)，將一輛LCV改裝為H2ICEO對(duì)該車的改裝主要集中

在三個(gè)方面：也供應(yīng)系統(tǒng)、ECU、線束和軟件集成以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換,

如圖7所示。

供應(yīng)系統(tǒng)的開發(fā)確保完全符合上安全標(biāo)準(zhǔn)。它包括油箱、加

注噴油器、加注電路、發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)電路和用于維護(hù)任務(wù)的電路內(nèi)

添加的選項(xiàng)。系統(tǒng)FMEA已用于識(shí)別組件集成的關(guān)鍵區(qū)域和動(dòng)作

（管道布線、位置、排氣、裝配條件和測(cè)試等）。氫氣供應(yīng)系統(tǒng)啟

動(dòng)、停止和凈化的具體程序已經(jīng)到位。車身采用了通風(fēng)、排氣電

路和泄漏監(jiān)測(cè)傳感器。安裝了兩個(gè)經(jīng)過道路認(rèn)證的350bar油箱,

可用容量為9kgH2,在700bar時(shí)可升級(jí)到16kg。車架、附著

點(diǎn)和油箱綁帶滿足碰撞試驗(yàn)要求，并保留了大部分原始載貨空間。

圖7LCV演示項(xiàng)目車輛改裝和合作伙伴

在控制方面，基礎(chǔ)生產(chǎn)ECU保留了車輛功能，并在新開發(fā)的

也平臺(tái)ECU上增加了一個(gè)接口，用于控制噴射、燃燒、氫氣供應(yīng)

和監(jiān)測(cè)以及排氣系統(tǒng)管理。

技術(shù)基礎(chǔ)是LCV上的2.2升柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。采用直噴DI-CHG

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

必要的關(guān)閉、流量限制和凈化功能。安裝了點(diǎn)火線圈和火花塞以

及一個(gè)曲軸箱通風(fēng)電路，以避免氫氣積聚在曲軸箱。改進(jìn)活塞以

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

是一個(gè)多步驟過程，有幾個(gè)中間階段的發(fā)動(dòng)機(jī)。在撰寫本文時(shí)，

混合優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)校準(zhǔn)并集成到車輛上。與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，

氮氧化物值已下降了不到四分之一。目前，這款發(fā)動(dòng)機(jī)正在公共

和私人道路上進(jìn)行測(cè)試和駕駛性能校準(zhǔn)。最后一步，公司計(jì)劃對(duì)

渦輪增壓器進(jìn)行升級(jí)，使其在發(fā)動(dòng)機(jī)全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的扭矩達(dá)到基

準(zhǔn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的80%以上。

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試結(jié)果

由于排放、發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性和效率等原因，在非常稀薄的條件

下運(yùn)行通常是首選，這導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)2000rpm和5g/kWh

典型NO,限值下發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)扭矩，

但效率卻略有降低。發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷可以通過注水進(jìn)一步明顯增加。

這一改進(jìn)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?yàn)榛旌?/p>

豐富度的優(yōu)勢(shì)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(diǎn)，高壓EGR對(duì)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(xiàng)有趣的技術(shù)，可以優(yōu)化渦輪增正器所需的流量范圍。

RetartMcombustionLowpressureEGRIntakeportwater

iniection

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GDIengineconversion.2000rpm.max.torquewithoriginalwastegateturbocharger

圖8燃燒相位、噴水和低壓對(duì)最大扭矩的影響

驅(qū)動(dòng)循環(huán)模擬

為了測(cè)試上內(nèi)燃機(jī)的驅(qū)動(dòng)循環(huán)能力，利用2.21柴油機(jī)轉(zhuǎn)換

試驗(yàn)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(gè)平均值發(fā)動(dòng)機(jī)模型。選擇用于分析的測(cè)試車輛是一輛載重500

公斤、總重量2900公斤的LCV。已經(jīng)考慮了根據(jù)未來的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)

展步驟進(jìn)行的渦輪增壓器的升級(jí)C

由于通常對(duì)效率和排放最優(yōu)的稀混合氣對(duì)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(zhǔn)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(duì)于沒有瞬杰控

制策略的標(biāo)定，車輛無法匹配目標(biāo)速度輪廓。富集時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和

車輛的響應(yīng)時(shí)間得到了改善，并在允許的速度范圍內(nèi)，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(shí)保持了駕駛性能的改善。

循環(huán)結(jié)果

圖10重量為2900公斤的LCV的模擬WLTC結(jié)果

圖10給出了WLTC的模擬排放結(jié)果。沒有瞬態(tài)控制的策略可

以使發(fā)動(dòng)機(jī)排放達(dá)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(yīng)性，但有很

大的排放損失。最后，MFB50緩速策略的應(yīng)用可以在