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西南研究院氫內(nèi)燃機(jī)，基于康明斯X15N燃?xì)鈾C(jī)，效率43%，370馬力，2025牛米，碳排放1.5 g/hp-hr

2024.06.03 0

  • 氫內(nèi)燃機(jī)（H2-ICE）聯(lián)盟

  • 零排放卡車運(yùn)輸新突破

  • 氫發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)

  • 車輛集成

  • 項(xiàng)目成就

2024年5月29日卡車技術(shù)前線消息，西南研究所（SwRI）成功開發(fā)了一臺(tái)低排放氫燃料示范卡車，SwR重型氫發(fā)動(dòng)機(jī)（氫內(nèi)燃機(jī)，燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)，H2-ICE）提供2025 Nm的扭矩和超低排放。

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SwRI得到行業(yè)支持的H2-ICE聯(lián)盟（ydrogen Internal Combustion Engine (H2-ICE) Consortium）為重型市場(chǎng)開發(fā)了一種氫燃料內(nèi)燃機(jī)。H2-ICE發(fā)動(dòng)機(jī)提供超低的NOx和CO2排放，同時(shí)為大多數(shù)重型應(yīng)用保持足夠的扭矩和功率。

在該項(xiàng)目中，SwRI使用了其他聯(lián)合體成員的零件，并改裝了康明斯提供的X15N天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，使其使用進(jìn)氣道噴射（port-injected）氫氣運(yùn)行。


/氫內(nèi)燃機(jī)（H2-ICE）聯(lián)盟/ 

使用汽油、柴油和天然氣的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)可以適用于使用氫燃料，這有可能將尾氣中的二氧化碳排放量減少99%以上。加強(qiáng)氫動(dòng)力汽車的研究、開發(fā)和生產(chǎn)有助于加速向碳中和技術(shù)的過渡，到2050年實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放。    

西南研究院（SwRI）成立了氫內(nèi)燃機(jī)（H2-ICE）聯(lián)盟，以幫助汽車和運(yùn)輸行業(yè)了解和應(yīng)對(duì)開發(fā)清潔高效氫發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)挑戰(zhàn)。H2-ICE聯(lián)盟成立于2022年11月，匯集了運(yùn)輸行業(yè)的知名企業(yè)，包括卡車和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商、燃料和潤滑油供應(yīng)商以及一級(jí)供應(yīng)商。

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該組織旨在利用尖端的氫發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)促進(jìn)可持續(xù)出行。該聯(lián)盟的主要目標(biāo)是展示H2-ICE汽車如何支持其他零排放汽車技術(shù)。

除了氫燃燒預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生低二氧化碳（CO2）排放外，發(fā)動(dòng)機(jī)還必須顯示出行業(yè)領(lǐng)先的氮氧化物（NOx）排放量，以滿足聯(lián)盟的目標(biāo)。

SwRI團(tuán)隊(duì)設(shè)定了一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，即在18個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)加州空氣資源委員會(huì)（CARB）設(shè)定的0.02 g/hp-hr (grams per horsepower-hour)）的超低NOx分類。

該聯(lián)盟的完整8級(jí)H2-ICE示范車為長途卡車運(yùn)輸市場(chǎng)提供了另一種零溫室氣體（GHG）選擇。


/零排放卡車運(yùn)輸新突破/

H2-ICE由370馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，可提供令人印象深刻的2025牛米（nm）扭矩，是重型卡車運(yùn)輸應(yīng)用的理想選擇。該發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率超過40%，峰值為43%，產(chǎn)生的碳排放量最小，約為每馬力小時(shí)1.5克二氧化碳（1.5 grams of CO2 per horsepower-hour (g/hp-hr)）。    

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SwRI在其以往重型發(fā)動(dòng)機(jī)低NOx項(xiàng)目的豐富經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種創(chuàng)新的后處理系統(tǒng)，專門針對(duì)氫氣排放環(huán)境進(jìn)行定制。

該系統(tǒng)與H2-ICE固有的低排放相結(jié)合，顯著減少了NOx排放。使用老化的催化劑（aged catalysts），NOx排放量僅降至0.008 g/hp hr，大大低于2027年美國環(huán)保局0.035 g/hp hr的限值，創(chuàng)下了新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

預(yù)計(jì)H2-ICE將達(dá)到接近零的尾氣NOx排放量，在幾乎所有操作條件下都達(dá)到個(gè)位數(shù)的mg/hp-hr水平。

氫發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)  

由于H2-ICE車輛的二氧化碳排放量預(yù)計(jì)已接近零，該聯(lián)盟的主要重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)力的燃油經(jīng)濟(jì)性和減少其他受管制的排放量，如氮氧化物，其積極目標(biāo)是證明符合加州空氣資源委員會(huì)（CARB）的自愿超低氮氧化物指定。    

H2-ICE試驗(yàn)臺(tái)

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H2-ICE聯(lián)盟使用圣安東尼奧SwRI的試驗(yàn)臺(tái)為8級(jí)車輛開發(fā)氫發(fā)動(dòng)機(jī)。

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在2022年-2024年的18個(gè)月時(shí)間里，SwRI的工作人員和聯(lián)盟成員中的專家共同努力，確定了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所需的組件和技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)還借鑒了之前低NOx示范項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和SwRI的專業(yè)知識(shí)，指定了一種針對(duì)氫氣排放條件的新型尿素SCR后處理架構(gòu)。

Cummins X15N天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)被選為示范項(xiàng)目的基礎(chǔ)平臺(tái)，因?yàn)樗枰钌俚臍錃飧难b變化。需要一些新的部件，但90%的現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)零部件是從基礎(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)上拆下來的。    

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H2-ICE發(fā)動(dòng)機(jī)

H2-ICE發(fā)動(dòng)機(jī)改裝包括定制進(jìn)氣歧管（金色）、專用噴油器、定制發(fā)動(dòng)機(jī)支架和定制渦輪解決方案（紅色）。

將發(fā)動(dòng)機(jī)改裝為使用氫氣運(yùn)行需要新的氫氣噴射器，這些氫氣噴射器集成到進(jìn)氣歧管中用于進(jìn)氣道噴射。由于貧氫燃燒的氣流需求增加，增壓系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)。還增加了主動(dòng)曲軸箱通風(fēng)，以避免在氣門室蓋或油底殼中積聚可燃濃度的氫氣。最后，對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行了氫氣燃燒改造，并安裝了新的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。

聯(lián)合體成員提供了所有必要的組件，包括：

·H2噴射–Bosch&Phinia的PFI噴射器，PFI injectors by Bosch & Phinia

·增壓-SuperTurbo（機(jī)械驅(qū)動(dòng)），SuperTurbo (mechanically-driven)

·曲軸箱通風(fēng)-馬勒主動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，Active blower system by MAHLE    

·點(diǎn)火- SEM的電容放電系統(tǒng)，Capacitive Discharge system by SEM

·控制-Woodward OH6發(fā)動(dòng)機(jī)控制器和軟件，Woodward OH6 engine controller & software


          

/車輛集成/  

車輛集成不僅僅涉及包裝新發(fā)動(dòng)機(jī)和用Forvia 350 bar壓縮氫罐更換柴油罐。安裝了更適合發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的新型Allison 4000系列變速器，并對(duì)后橋的最終傳動(dòng)比進(jìn)行了調(diào)整，以獲得最佳車輛性能。

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H2-ICE卡車

              

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8級(jí)H2-ICE示范車使用氫氣，提供接近零的二氧化碳排放。SwRI幫助將天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為使用氫氣。

執(zhí)行故障模式與影響分析（FMEA）方法以確保車輛能夠安全可靠地運(yùn)行。根據(jù)FMEA的發(fā)現(xiàn)，氫傳感器被放置在車輛周圍的戰(zhàn)略位置，以檢測(cè)泄漏，系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉程序被開發(fā)并編程到一個(gè)新的監(jiān)督控制器中，該控制器與每個(gè)單獨(dú)的車輛控制模塊相互作用。

/項(xiàng)目成就  /

發(fā)動(dòng)機(jī)性能

  • 效率：在6巴BMEP以上的負(fù)載下為40%，峰值效率為43%

  • 扭矩：2025牛米@1200轉(zhuǎn)/分    

  • 功率：370馬力@1600轉(zhuǎn)/分


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二氧化碳和氮氧化物排放

  • FTP循環(huán)中的CO2排放量為1.5 g/hp-hr，與可比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相比減少了99.7%。

  • 冷/熱復(fù)合循環(huán)的排氣尾管NOx排放量為0.008 g/hp-hr，比EPA 2027限值低四倍多，仍遠(yuǎn)低于CARB超低NOx標(biāo)準(zhǔn)。

  • Ramped Modal Cycle（RMC）和Low Load Cycle（LLC）的NOx排放量也低于0.01 g/hp-hr。

  • 所有排放測(cè)試都是用根據(jù)柴油后處理加速老化（DAAAC）協(xié)議老化的催化劑進(jìn)行的，因?yàn)檫€沒有開發(fā)出氫專用老化協(xié)議。