氢喷射系统-零二氧化碳动力系统的明智之选

氢喷射系统一一零二氧化碳动力系统的明智之选.

概述：BorgT恒rner研究了将柴油发动机转换为氢燃料发动机

时需要对喷射系统进行哪些调整。之后，该公司与合作伙伴合作

制造了一辆样车，并进行了发动机测试和驾驶循环模拟。结果表

明，氢内燃机作为二氧化碳中和驱动的选择具有很大潜力。

尽管不断努力减少燃料消耗，但全球约四分之一的二氧化碳

排放来自交通运输领域，且这一趋势仍在上升。出于性能和经济

方面的考虑，不同的汽车应用可能需要不同的动力系统技术来实

现二氧化碳中和的最佳路径，如图1所示。

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图1汽车用途对动力总成选择的影响

氢内燃机（压ICE）的一个关键优势是其架构在很大程度上

允许继续使用现有供应链和现有原材料。与纯电动汽车（BEV）和氢

燃料电池汽车（也FC）相比，这使得比ICE动力汽车能够以最低

的投资迅速进入市场。为了了解比ICE的经济吸引力，将总拥

有成本（TC0）分析应用于总重量为3.5t的轻型商用车（LCV）,如

图1所示。这表明，随着车辆行驶里程的增加，储能的重量和成

本也会增加。随着重量的增加，车辆的澡油效率会降低，从而进

一步增加成本。氢气燃料车辆对航程的敏感性低于纯电动汽车。

与出FC相比，H2ICE动力系统的低成本也比油耗的小差异更

重要，为山ICE提供了令人信服的商业案例，适用于包括LCV

在内的各种车辆类别的更高功率和范围应用。

喷射系统

由于氢气密度较低，现有的喷射系统需要进行大量调整，以

满足发动机加油和封装要求。图2给出了比注入系统组件的概述。

所述核心压力调节和安全功能在储罐侧的机械高压调节器与气轨

之间的调节模块中实现。然后，气轨连接到乩喷油器，该喷油器

可以安装在端口燃油喷射（PFI）和直接喷射（DI）位置，使用低（低

于15bar）＞中（20至40bar）或高压（超过200bar）气体供应。发动

机控制单元（ECU）和相关软件将所有部件的功能与发动机的其他

部分集成在一起。

图2用于上ICE的乩喷射系统部件

喷油器选择

喷射压力和喷油器位置的选择对发动机性能有重要影响。PFI

可以取代多达30%的新电荷，降低容量效率和功率。相比之下，

在进口气门关闭后进行DI喷射对容积效率没有影响，从而提高了

发动机的扭矩能力。对涡轮增压器和喷射系统之间相互作用的模

拟（图3）表明，在相同入（iso_入）条件下，DI有可能将低端扭

矩提高50%以上，或在相同N0、值（iso_N0j和功率边界条件下提

高30%以上。高压后期DI在效率和功率方面可能会获得进一步的

优势，但会影响系统的复杂性和NO、排放。

图3喷油器类型和位置对发动机性能的影响

空气一燃料混合

为了实现高效率和NO,最小化，燃烧时的混合均匀性至关重

要。在DI-CHG喷油器上已作出规定，增加了一个射流偏转板，以

控制射流的瞄准、形状和穿透。图4展示了与标准空心锥体设计

相比，30°偏斜偏流板所产生的射流。

也流量，需要同时进行压力和温度补偿。零件-零件的管理和寿命

周期性能受益于闭环。

采用独特的SoftOpening(SOP)和SoftLanding(SLP)波形,

在噪声和耐久性方面进一步优化了喷油器的运行。如图6所云，

通过校准SOP,可以减少针在开口时的弹跳并改善流动曲线的线

性度。此外，使用SLP可使闭合速度降低50%左右。该策略已经

在发动机试验台上进行了验证，直接将加速度计安装在喷油器上,

证实了针闭合时冲击能量显著降低。

图6针开合的Soft脉冲策略

轻型商用车样车改型

BorgWarner及其合作伙伴Dangel和Caillau结合他们的互

补专业技术，将一辆LCV改装为H2ICEO对该车的改装主要集中

在三个方面：也供应系统、ECU、线束和软件集成以及发动机转换,

如图7所示。

供应系统的开发确保完全符合上安全标准。它包括油箱、加

注喷油器、加注电路、发动机供应电路和用于维护任务的电路内

添加的选项。系统FMEA已用于识别组件集成的关键区域和动作

（管道布线、位置、排气、装配条件和测试等）。氢气供应系统启

动、停止和净化的具体程序已经到位。车身采用了通风、排气电

路和泄漏监测传感器。安装了两个经过道路认证的350bar油箱,

可用容量为9kgH2,在700bar时可升级到16kg。车架、附着

点和油箱绑带满足碰撞试验要求，并保留了大部分原始载货空间。

图7LCV演示项目车辆改装和合作伙伴

在控制方面，基础生产ECU保留了车辆功能，并在新开发的

也平台ECU上增加了一个接口，用于控制喷射、燃烧、氢气供应

和监测以及排气系统管理。

技术基础是LCV上的2.2升柴油发动机。采用直喷DI-CHG

系统，工作压力在20~40bar之间。增加了乩调节模块，包含

必要的关闭、流量限制和净化功能。安装了点火线圈和火花塞以

及一个曲轴箱通风电路，以避免氢气积聚在曲轴箱。改进活塞以

降低压缩比。发动机燃烧系统优化（喷射系统、活塞和涡轮增压器）

是一个多步骤过程，有几个中间阶段的发动机。在撰写本文时，

混合优化发动机已经校准并集成到车辆上。与柴油发动机相比，

氮氧化物值已下降了不到四分之一。目前，这款发动机正在公共

和私人道路上进行测试和驾驶性能校准。最后一步，公司计划对

涡轮增压器进行升级，使其在发动机全转速范围内的扭矩达到基

准柴油发动机的80%以上。

发动机测试结果

由于排放、发动机稳定性和效率等原因，在非常稀薄的条件

下运行通常是首选，这导致了发动机功率的空气路径限制。

图8比较了燃烧阶段、喷水和低压EGR对2000rpm和5g/kWh

典型NO,限值下发动机可用扭矩的影响。将燃烧中心（MFB50）从最

佳位置延迟，可以提高排气温度和有效增压，显著提高制动扭矩，

但效率却略有降低。发动机的负荷可以通过注水进一步明显增加。

这一改进归因于在等氮氧化物条件下更丰富的混合物和升压的增

加。相比之下，使用低压EGR只增加了非常小的扭矩，因为混合

丰富度的优势被体积效率的降低所平衡，而升力没有变化。虽然

也考虑过高压EGR,但在低速扭矩点，高压EGR对升力和容积效

率的影响更不理想。尽管如此，在最大功率条件下，高压EGR仍

然是一项有趣的技术，可以优化涡轮增正器所需的流量范围。

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图8燃烧相位、喷水和低压对最大扭矩的影响

驱动循环模拟

为了测试上内燃机的驱动循环能力，利用2.21柴油机转换

试验数据和喷射系统及空气路径的0-D/1-D物理模型，建立？一

个平均值发动机模型。选择用于分析的测试车辆是一辆载重500

公斤、总重量2900公斤的LCV。已经考虑了根据未来的发动机发

展步骤进行的涡轮增压器的升级C

由于通常对效率和排放最优的稀混合气对驾驶性能不利，因

此必须优化瞬态控制。模拟了三种控制策略：无瞬态控制（基于优

化的稳态校准图），瞬态期间混合物的富集，以及富集和MFB50

延迟的组合。

驾驶性能

910912914916918920922924

Time(s]

图92900kgLCV模拟WLTC的瞬态性能示例

图9给出了来自WLTC轮廓的急速加速示例。对于没有瞬杰控

制策略的标定，车辆无法匹配目标速度轮廓。富集时，发动机和

车辆的响应时间得到了改善，并在允许的速度范围内，但在瞬态

情况下N0,排放量大幅增加。在瞬态过程中延迟MFB50,也控制了

氮氧化物，同时保持了驾驶性能的改善。

循环结果

图10重量为2900公斤的LCV的模拟WLTC结果

图10给出了WLTC的模拟排放结果。没有瞬态控制的策略可

以使发动机排放达到非常低的水平，约为50mg/km,尽管驾驶性

能较差。在瞬态过程中添加的富集提高了车辆的响应性，但有很

大的排放损失。最后，MFB50缓速策略的应用可以在