概述

7月21日，工信部答復(fù)了全國(guó)人大代表關(guān)于“鼓勵(lì)發(fā)展零碳排放氫燃料內(nèi)燃機(jī)的建議”，明確指出將氫燃料內(nèi)燃機(jī)納入氫能發(fā)展戰(zhàn)略。目前，不少主機(jī)廠(chǎng)也逐漸開(kāi)始?xì)淙剂习l(fā)動(dòng)機(jī)的研究。

聯(lián)合電子一直致力于新能源技術(shù)研究探索，在2020年11月份發(fā)表的《零碳排放車(chē)用動(dòng)力技術(shù)：氫燃料內(nèi)燃機(jī)》一文中，我們討論了氫燃料內(nèi)燃機(jī)作為車(chē)用零碳排放動(dòng)力裝置的技術(shù)可行性，并分析比較了氫燃料內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)歷史和當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)展。

在此基礎(chǔ)上，本文將研究如何在整車(chē)層面實(shí)現(xiàn)NOx零排放，評(píng)估整車(chē)氫耗，提出基于零排放的續(xù)駛策略。

研究方法

本文應(yīng)用GT-SUITE搭建了串并聯(lián)混合動(dòng)力的整車(chē)仿真模型，氫燃料內(nèi)燃機(jī)臺(tái)架測(cè)試結(jié)果作為整車(chē)模型的輸入。整車(chē)系統(tǒng)示意圖1所示，車(chē)重1.85噸、使用一臺(tái)165kW的2.0L氫燃料內(nèi)燃機(jī)、120kW發(fā)電機(jī)、150kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)、2kWh電池和1檔混動(dòng)變速箱。WLTC和RTS95(激進(jìn)駕駛循環(huán))用于評(píng)估排放控制策略，而NEDC用于評(píng)估氫耗和續(xù)駛。本文采用等效油耗最小策略對(duì)氫燃料內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的瞬時(shí)工況點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。在整個(gè)測(cè)試循環(huán)開(kāi)始和結(jié)束，蓄電池電量SOC保持一致，即電量保持模式。根據(jù)在其他混合動(dòng)力項(xiàng)目上的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，整車(chē)模型的精度±3%。


圖1 基于氫燃料內(nèi)燃機(jī)的串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

零NOx排放運(yùn)行策略

如圖2所示，小于10 ppm的原始NOx排放主要集中在中低負(fù)荷區(qū)域，超過(guò)這一區(qū)域，NOx排放就快速上升。圖3的整車(chē)仿真結(jié)果顯示，串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)可以將氫燃料內(nèi)燃機(jī)在WLTC和激進(jìn)駕駛循環(huán)(RTS95) 的運(yùn)行工況點(diǎn)控制在原始NOx排放小于10ppm的區(qū)域。也就是說(shuō)，串并聯(lián)混動(dòng)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化對(duì)后處理系統(tǒng)的需求，最終實(shí)現(xiàn)零排放的目標(biāo)。


圖2 2.0L缸內(nèi)直噴、渦輪增壓氫燃料內(nèi)燃機(jī)的原始NOx排放


圖3 WLTC和RTS95下，串并聯(lián)混合動(dòng)力總成的氫燃料內(nèi)燃機(jī)在原始NOx排放圖中的運(yùn)行工況點(diǎn)（圖中綠色圓點(diǎn)）

氫耗

圖4為整車(chē)氫耗評(píng)估使用的氫燃料內(nèi)燃機(jī)的熱效率工況圖，以及基于上述近零NOx排放策略下，發(fā)動(dòng)機(jī)在NEDC循環(huán)下的運(yùn)行工況點(diǎn)。需要指出的是，本文使用的氫燃料內(nèi)燃機(jī)是從一個(gè)批產(chǎn)近10年的汽油機(jī)改造而來(lái)，并沒(méi)有針對(duì)熱效率進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，比如幾何壓縮比較低 (9.8:1)。而且，混合動(dòng)力系統(tǒng)為混動(dòng)專(zhuān)用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率改善提供了更大的潛力?；诖?，本文進(jìn)一步研究預(yù)測(cè)了圖4內(nèi)燃機(jī)熱效率提升的潛力，即最大45%有效熱效率，并以此得到了NEDC下的氫耗。如圖5所示，當(dāng)前的氫燃料內(nèi)燃機(jī)在NEDC下的百公里氫耗為1.16公斤，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率提升后，百公里氫耗約為0.99公斤。


圖4 臺(tái)架測(cè)試的氫燃料內(nèi)燃機(jī)有效熱效率圖，以及NEDC循環(huán)下串并聯(lián)混合動(dòng)力總成的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)（圖中綠色圓點(diǎn)）


圖5 基于氫燃料內(nèi)燃機(jī)的串并聯(lián)混合動(dòng)力總成在NEDC下的氫耗

續(xù)駛

對(duì)于終端用戶(hù)而言，續(xù)駛里程是更重要的指標(biāo)。本文使用當(dāng)前的高壓儲(chǔ)氫技術(shù)，綜合考慮氣瓶和整車(chē)尺寸，選用700bar儲(chǔ)氫壓力下存儲(chǔ)7.5kg氫氣的儲(chǔ)氫罐。最低氫氣噴射壓力分別設(shè)定為20bar?；跉浜暮蜌涔拗锌捎脷錃赓|(zhì)量，得到了如圖6所示的NEDC下續(xù)駛里程。在零排放策略下，缸內(nèi)直噴氫燃料內(nèi)燃機(jī)的串并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了619km的NEDC續(xù)駛里程。而針對(duì)氫燃料內(nèi)燃機(jī)做了熱效率的優(yōu)化之后，續(xù)駛里程達(dá)到了726km。


圖6 基于氫燃料內(nèi)燃機(jī)的串并聯(lián)混合動(dòng)力總成在NEDC下的續(xù)駛里程

總  結(jié)

氫燃料內(nèi)燃機(jī)的零碳排放特性使其成為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)低碳化發(fā)展的重要技術(shù)路徑之一。結(jié)合混合動(dòng)力技術(shù)和氫燃料內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本文提出的控制策略，在零污染物排放的同時(shí)，NEDC氫耗有望達(dá)到百公里1公斤氫氣，續(xù)駛有望突破700公里。當(dāng)前的研究結(jié)果顯示，氫燃料內(nèi)燃機(jī)在作為車(chē)用動(dòng)力方面體現(xiàn)了明顯的潛力。作為燃料電池的補(bǔ)充，氫燃料內(nèi)燃機(jī)可以充分發(fā)揮其在成本低、產(chǎn)業(yè)鏈成熟、長(zhǎng)壽命、環(huán)境適應(yīng)性好等方面的優(yōu)勢(shì)，有助于幫助增加并穩(wěn)定車(chē)用氫氣的需求，從而降低氫氣的價(jià)格并推動(dòng)氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

聯(lián)合電子擁有成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)研發(fā)能力、先進(jìn)的控制器及關(guān)鍵零件開(kāi)發(fā)能力、具備豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)標(biāo)定開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可助力國(guó)內(nèi)各大核心整車(chē)廠(chǎng)開(kāi)展氫燃料內(nèi)燃機(jī)試驗(yàn)研發(fā)。