聯(lián)合電子開發(fā)中壓缸內(nèi)直噴噴氫器 滿足高功率氫燃料內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)需求

概述

碳排放并非來自內(nèi)燃機(jī)本身，而是燃料。氫燃料內(nèi)燃機(jī)保留了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，可以利用工業(yè)副產(chǎn)氫氣，通過燃燒方式轉(zhuǎn)化能量達(dá)到與燃料電池相近的熱效率，是實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略的可行技術(shù)方向。

當(dāng)前，博世、日本豐田、中國一汽、吉利、東風(fēng)、廣汽等公司均在進(jìn)行氫燃料內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)。2023年6月，吉利汽車動力研究院官宣自研2.0L直噴增壓氫燃料內(nèi)燃機(jī)熱效率提升至46.11%，處于全球領(lǐng)先水平。

聯(lián)合電子氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)團(tuán)隊(duì)早在2017年便開始了氫燃料內(nèi)燃機(jī)的仿真及試驗(yàn)研究。利用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)及關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，聯(lián)合電子于2019年10月25日完成了國內(nèi)首臺缸內(nèi)直噴氫燃料內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火。目前聯(lián)合電子正在開發(fā)新一代高效、零排的氫燃料內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零部件及動力系統(tǒng)?；诖?，本文將深入分析氫燃料內(nèi)燃機(jī)的噴氫器選型策略，支持氫燃料內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

噴氫器

噴氫器是氫燃料內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的核心供氫零部件。如圖1所示，氫氣的噴射方式可分為進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴。

分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)雖然成本較低，但是易回火、熱效率低，是實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)低功率需求的合適方案。而中壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)解決了進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)的回火問題，熱效率較高，功率密度較高，是實(shí)現(xiàn)高功率氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)需求的最佳方案。具體分析如下：

01

進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)

進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)，即將氫氣直接噴射到進(jìn)氣歧管中，相比于缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，它可充分利用現(xiàn)有的CNG氣體噴嘴進(jìn)行噴氫器開發(fā)，成本較低。但是，由于氫氣占據(jù)了進(jìn)氣歧管的部分體積，所以導(dǎo)致相同增壓能力下的氫氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量不足，進(jìn)而導(dǎo)致其功率密度比柴油機(jī)低30%左右。同時(shí)，氫氣極易在進(jìn)氣歧管中產(chǎn)生聚集，并被缸內(nèi)反流的高溫?zé)狳c(diǎn)引燃，產(chǎn)生回火。所以，進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)低功率氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)的低成本方案。

02

缸內(nèi)直噴系統(tǒng)

缸內(nèi)直噴系統(tǒng)，即將氫氣直接噴入發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)部。相比于進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)，缸內(nèi)直噴的氫氣不需要占用進(jìn)氣歧管的體積，所以其功率密度高于進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)，與柴油機(jī)相當(dāng)。同時(shí)，氫氣可以在進(jìn)氣門關(guān)閉之后直接噴入缸內(nèi)，所以氫氣很難進(jìn)入進(jìn)氣歧管，避免了進(jìn)氣道噴射的回火問題。

缸內(nèi)直噴系統(tǒng)可分為高壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)（噴射壓力大于100bar）和中壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)（噴射壓力小于50bar）。

高壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)（噴射壓力大于100bar），可在壓縮末期噴射，減少了由氫氣所引起的壓縮負(fù)功，熱效率稍高。但由于氫氣的噴射壓力由高壓氫瓶（350bar或700bar）減壓實(shí)現(xiàn)，所以高壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)需要額外的氫氣增壓泵以實(shí)現(xiàn)較低氫瓶壓力下的高壓噴射。且由于氫氣噴射較晚，氫氣與空氣的混合時(shí)間較短，混合不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致NOX升高。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前，市場上沒有量產(chǎn)的氫氣增壓泵且氫氣增壓泵的開發(fā)成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜度較高。所以，高壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性價(jià)比較低，市場接受度不高。

中壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)（噴射壓力小于50bar），不僅可以充分使用現(xiàn)有燃料電池系統(tǒng)的供氫零部件，而且可以利用氫瓶的自有壓力減壓便可實(shí)現(xiàn)氫氣的有效供應(yīng)，避免了復(fù)雜的氫氣增壓泵設(shè)計(jì)。所以，中壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，是實(shí)現(xiàn)高功率氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)的最佳方案。

聯(lián)合電子中壓缸內(nèi)直噴噴氫器

立足深厚的汽油缸內(nèi)直噴噴油器研發(fā)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合電子開發(fā)了中壓缸內(nèi)直噴噴氫器，具體參數(shù)如下：

工作壓力為 10~25bar，最高壓力可承受30bar。

噴氫器流量最大可到20kg/h@25bar，完全滿足乘用車用發(fā)動機(jī)的噴氫流量需求。

該噴氫器設(shè)計(jì)尺寸與傳統(tǒng)噴油器HDEV5類似 -“短小精悍”，最小外徑僅為7.5mm，最大外徑為25.6mm，長度約100mm，便于整車廠發(fā)動機(jī)及整車布置。

噴氫器氣束可基于發(fā)動機(jī)燃燒室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高氫氣與空氣的混合均勻性。

當(dāng)前，該噴氫器樣品已經(jīng)在測試臺架進(jìn)行了流量、耐久測試，并且在氫燃料內(nèi)燃機(jī)上進(jìn)行了性能試驗(yàn)，滿足整車廠試驗(yàn)需求。

總結(jié)

碳排放并非來自內(nèi)燃機(jī)本身，而是燃料。利用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，開發(fā)氫燃料內(nèi)燃機(jī)是實(shí)現(xiàn)車用零碳排放的低成本方案。而在氫燃料內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)中，噴氫器是核心供氫零部件。且針對不同的供氫系統(tǒng)，分析發(fā)現(xiàn)：

進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)

成本較低，是實(shí)現(xiàn)低功率氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)需求的低成本方案。

低壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)簡單，無回火風(fēng)險(xiǎn)，是實(shí)現(xiàn)高功率氫燃料內(nèi)燃機(jī)開發(fā)需求的最佳方案。

高壓缸內(nèi)直噴系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需額外的增壓泵，且開發(fā)成本較高，性價(jià)比較低。

綜上所述，聯(lián)合電子開發(fā)了中壓缸內(nèi)直噴噴氫器，解決了進(jìn)氣道噴射系統(tǒng)的回火問題，滿足了客戶開發(fā)高功率氫燃料內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)需求。我們愿與客戶一起持續(xù)更新，不斷優(yōu)化噴氫器產(chǎn)品，助力客戶成功，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合電子價(jià)值。
責(zé)任編輯：彭菁