项目编号：? 1822 ?
车用“零排放”直喷氢内燃机探索研究
Investigation on ” Near Zero Emission” Direct Injection Hydrogen Engine for Vehicle
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项目研制单位：北京理工大学
联合汽车电子有限公司
泛亚汽车技术中心有限公司
上海汽车集团股份有限公司技术中心
主要研制人员：孙柏刚 苏建业? 李相超? 刘杰? 张弘? 罗庆贺? 汪熙
包凌志 李超? 赖丰羽? 段永回? 张诗蔚? 王康达等
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主题词：直喷式、氢内燃机、近零排放
一、研究内容介绍
氢能的发展潜力巨大，被誉为21世纪的终极能源。近年来，随着氢能利用技术发展成熟，以及应对气候和变化压力持续增大，全球迎来“氢能社会”发展热潮，美国、日本、韩国、欧盟等发达国家和地区均出台相应政策，将发展氢能产业提升到国家能源战略高度。
本课题对直喷氢内燃机进行探索研究，主要研究内容为：高压直喷系统关键技术、直喷氢内燃机系统开发及动力性优化、多次喷射对混合气形成和燃烧排放特性的影响规律、NOx排放处理。
直喷喷嘴的结构及性能直接影响到混合气形成和缸内NOx控制，故本研究从高压直喷系统关键技术出发，结合仿真与试验探明喷射参数对缸内混合气形成与燃烧的影响规律，并对多种NOx控制方法进行试验研究，通过整机性能开发，提出氢内燃机全工况NOx排放控制策略，得到兼顾动力性和经济性的“近零”排放直喷氢内燃机原理样机。具体研究内容及研究路线如下：
1.氢气高压直喷系统关键技术研究
1.1 压电晶体外开式直喷喷嘴驱动电路的开发：
开发的驱动电路可以提供足够的高压，驱动电压达到200V，以实现压电驱动器输出较大位移及足够的流量。
1.2 研究喷射压力、喷射背压、喷射脉宽、多次喷射对射流形态的影响规律：
设计并搭建了可视化试验平台，采用纹影法对氢气射流形态进行测量，研究了氢气射流特性及喷射参数的变化规律。根据试验结果，提高喷射压力比降低环境压力更易于增大氢气射流的轴向和径向贯穿距离。同时提高喷射压力比降低环境压力可以在获得较高喷射体积的同时，更易于获得较高的卷吸率。
1.3 研究高压氢气喷嘴可靠性和密封性随喷射次数的变化规律：
为研究高压氢气喷嘴的密封性，试验利用定容试验的喷嘴工装，将氢轨压力充至127bar，在保证管路不漏气的基础上，静置两个小时，通过计算压力变化量从而计算喷嘴的泄漏量。最好通过计算在一个循环内，氢气泄漏率为0.49%。
1.4 建立氢气喷射系统仿真分析模型，结合试验数据，对氢气喷射过程中的压力波动特性进行研究，完成高压供氢轨道的设计开发：
在容弹试验中测量氢轨压力数据，发现在喷射过程中，压力呈周期性变化，压力波动的频率与喷射频率相同，降低喷射频率，氢轨压力波动频率和幅度也会相应降低。为进一步研究氢气喷射系统内的压力波动，在AMEsim上建立了发动机氢气喷射模型，标定过后得到的结果和容弹试验中测得的压力数据误差量小于5%。通过仿真结果的分析，确定氢轨直径为30mm，氢轨体积大约为250ml，此时的压力变化率小于1%。
- 直喷氢内燃机系统开发及动力性优化
2.1 直喷氢内燃机改装与台架搭建：
完成了发动机重要零部件的测绘工作。此外，由于氢气发动机有回火的风险，为避免在进气歧管中回火，破坏原装的塑料进气管，设计并加工了一个金属进气歧管。在进气管上还加装了稳态压力传感器、瞬态压力传感器、喷水的水轨和喷嘴，方面后期开展进气喷水试验。由于原有汽油喷嘴更换为氢气喷嘴尺寸不同，对缸盖进行了重新加工。发动机台架搭建过程中，加工了发动机支架、发动机飞轮和联轴器法兰，并安装35个传感器，以测量发动机的实时参数。
2.2 基于快速原型的直喷氢内燃机电控系统的开发与调试:
考虑实用方面的要求，电控系统自行设计，系统主要包括传感器、电控单元、执行器三大部分组成。选择了MotoHawk ECM-0565-128-0704-C控制器，同时根据需求和节气门位置传感器、进气温度传感器、进气压力传感器、曲轴位置传感器、氧传感器等设计了相关的控制模块。执行器驱动电路的设计实现了对电子节气门和点火线圈的控制。最后为了精确可靠地传递电信号，对电控线束进行了相关的设计，降低了电源线受干扰的可能性并提高电信号的抗干扰性，合理选择导线。
2.3 动力性试验
采用单次喷射，分别研究喷射时刻、点火时刻、喷射压力、混合气浓度、配气相位等运转参数对燃烧和排放特性的影响规律，提出直喷氢内燃机动力性的优化方法，得到试验可达的最大动力性指标。以近零排放为目标喷射压力为60bar时，达到20kW左右，而喷射压力为80bar时，最大功率为21.5kW。因此采用更高的喷射压力，可以降低NOx排放，提升发动机动力。之后又匹配了涡轮增压器，在各转速工况下的NOx排放均控制在10ppm左右水平的前提下，最大平均有效压力可以达到8.4bar，出现在转速为3000r/min的工况，此时的扭矩也达到峰值为135Nm；最高功率为45kW，出现在转速为3500r/min的工况。
- 多次喷射对混合气形成和燃烧排放特性的影响规律
在氢内燃机测试平台上，研究喷射次数、各次喷射间隔时间、各次喷射量的比例对燃烧排放特性的影响:
试验设置发动机转速为2000r/min。负荷4bar，节气门开度为15%，第一次喷射时刻为上止点前140°CA，第二次喷射脉宽的比例为25%，通过调节第二次喷射的时刻，研究多次喷射时刻对燃烧和排放的影响。试验采用的喷嘴为外开环式喷嘴，喷雾方向向四周扩散，因此很难形成分层现象，改变二次喷射时刻无法优化氢内燃机的排放性能。
- 氢内燃机NOx排放控制研究
4.1 研究EGR率对燃烧和排放的影响规律:
证明EGR气体的引入可以很好的调控燃烧，延长持续期、降低燃烧温度、抑制爆震的发生，同时还可以降低压力升高率，降低发动机的噪声。
4.2 探索H2-TWC的实现方法、控制方式及反应所需温度，研究喷氢对NOx的作用规律，并提出氢气喷射量的计算方法，评估喷氢对整体燃油经济性的影响:
试验测试了2000r/min，负荷为7bar时，通过调节喷射脉宽和节气门，测试了λ从0.9到1.6变化时，三元催化器前后NOx排放的变化。TWC的NOx排放随着λ的减小，NOx排放先增加后减少。TWC后的NOx排放的转化率超过99%。
4.3 通过氢内燃机测试平台及排气分析系统，对以上NOx控制方式进行整合，同时从缸内和缸外降低NOx，研究全工况下的最佳NOx控制方式:
在以上规律的指导下，对增压直喷氢内燃机进行了性能开发，如下图所示，提出了氢内燃机全工况近零NOx的控制策略，最终完成了原理样机的开发。其动力和经济性指标均处于国际领先水平。
二、技术创新点
1、开发出国内首台VGT涡轮增压直喷氢内燃机样机
进气道氢气喷射具有结构简单、成本低的显著优势，但进气道喷射能够实现的功率密度较低，还带有回火的风险，本项目选择了直接喷射氢气的燃料供应方式，大胆尝试了采用GDI喷嘴直接喷射氢气的技术探索，对喷嘴的流量特性、喷雾特性、响应性和密封性开展了光学测试，验证了GDI喷嘴喷射高压氢气的可行性和可靠性，开发出自然吸气的直喷式氢内燃机，其所能够达到的功率密度明显低于相同配置的汽油机。
为实现直喷式氢内燃机功率密度的提升，采用了废气涡轮增压的技术方案，但氢内燃机增压又显著区别于传统汽油机增压，氢气燃烧后的排气温度明显低于汽油机，涡轮的膨胀做功能力不足，致使压气机能够达到的压比很低，空气不足。另外，氢气的化学当量空燃比为34.4，稀薄燃烧需要的空气量更高，必须为氢内燃机重新选配更合适的增压器才能实现功率密度的提升，项目组选择了一款VGT型涡轮增压器，开发了相应的进排气及中冷系统，使氢内燃机的总功率提升至89.4kW，最大扭矩提升至258Nm，有效热效率达到37.5%，成功开发出国内首台VGT涡轮增压直喷氢内燃机样机，与德国BOSCH公司2019年开发的样机指标处在同一技术水平上。
2、实现了近零NOx排放??
氢气的燃烧范围广、火焰温度高，致使氢内燃机缸内燃烧生成的氮氧化物（NOx）非常高。NOx排放是氢内燃机的主要排放污染物，北京理工大学氢内燃机课题组在以前的研究中发现当量比燃烧条件下，微过量氢气在三元催化器中具有极佳的降低NOx 的效果，在本项目中除采用该技术外，还探索了氢气喷射压力、废气再循环、稀薄燃烧及进气喷水方式等多种技术途径可能带来的NOx排放改进，得到了不同转速范围、平均有效压力8bar下近零排放的宽广工作区域，涵盖了乘用车氢内燃机的主要工作点，实现了近零NOx排放。
三、专利/论文/获奖情况
联合发表论文1篇
《Visualization research on hydrogen jet characteristics of an outward-opening injector for direct injection hydrogen engines》 Xi Wang, Bai-gang Sun, Qing-he Luo,?, Ling-zhi Bao, Jian-ye Su, Jie Liu, Xiang-chao Li 2020 已经录用
四、成果应用及经济效益预测
本项目开发研制的氢内燃机可应用于乘用车或轻型物流车氢动力系统。若能实现一定规模的示范应用，其经济效益估计：以100辆轻型物流车示范为例，物流车年运行里程15万公里，传统燃料物流车的百公里油耗按12升柴油计算，可节省燃料：100辆×150,000公里×12升/100×0.83kg/L=1,476,000kg,减排二氧化碳4,627.3吨。可以利用国家核证自主减排量（CCER）交易此部分二氧化碳。如果采用100辆氢燃料电池汽车，其成本约为100辆×70万元/辆=7000万元，而采用100辆氢内燃机物流车的成本大约为100辆×20万元/辆=2000万元，两者相比，可节省5000万元，再考虑运行维护成本及采用工业副产氢气，氢内燃机物流车在没有政府补贴的情况下，已具备显著的应用价值，是车企实现碳达峰&碳中和的有效技术途径。