• 氫內(nèi)燃機（H2-ICE）聯(lián)盟

• 零排放卡車運輸新突破

• 氫發(fā)動機開發(fā)

• 車輛集成

• 項目成就

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)了一臺低排放氫燃料示范卡車，SwR重型氫發(fā)動機（氫內(nèi)燃機，燃氫發(fā)動機，H2-ICE）提供2025 Nm的扭矩和超低排放。

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

在該項目中，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)動機，使其使用進氣道噴射（port-injected）氫氣運行。

/氫內(nèi)燃機（H2-ICE）聯(lián)盟/ 

使用汽油、柴油和天然氣的傳統(tǒng)內(nèi)燃機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。加強氫動力汽車的研究、開發(fā)和生產(chǎn)有助于加速向碳中和技術(shù)的過渡，到2050年實現(xiàn)二氧化碳凈零排放。    

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

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

除了氫燃燒預計會產(chǎn)生低二氧化碳（CO2）排放外，發(fā)動機還必須顯示出行業(yè)領(lǐng)先的氮氧化物（NOx）排放量，以滿足聯(lián)盟的目標。

SwRI團隊設定了一個雄心勃勃的目標，即在18個月內(nèi)實現(xiàn)加州空氣資源委員會（CARB）設定的0.02 g/hp-hr (grams per horsepower-hour)）的超低NOx分類。

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

/零排放卡車運輸新突破/

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

SwRI在其以往重型發(fā)動機低NOx項目的豐富經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種創(chuàng)新的后處理系統(tǒng)，專門針對氫氣排放環(huán)境進行定制。

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)標準。

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

氫發(fā)動機開發(fā)  

由于H2-ICE車輛的二氧化碳排放量預計已接近零，該聯(lián)盟的主要重點是實現(xiàn)有競爭力的燃油經(jīng)濟性和減少其他受管制的排放量，如氮氧化物，其積極目標是證明符合加州空氣資源委員會（CARB）的自愿超低氮氧化物指定。    

H2-ICE試驗臺

H2-ICE聯(lián)盟使用圣安東尼奧SwRI的試驗臺為8級車輛開發(fā)氫發(fā)動機。

在2022年-2024年的18個月時間里，SwRI的工作人員和聯(lián)盟成員中的專家共同努力，確定了實現(xiàn)這些目標所需的組件和技術(shù)。該團隊還借鑒了之前低NOx示范項目的經(jīng)驗和SwRI的專業(yè)知識，指定了一種針對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)動機被選為示范項目的基礎(chǔ)平臺，因為它需要最少的氫氣改裝變化。需要一些新的部件，但90%的現(xiàn)有發(fā)動機零部件是從基礎(chǔ)發(fā)動機上拆下來的。    

H2-ICE發(fā)動機

H2-ICE發(fā)動機改裝包括定制進氣歧管（金色）、專用噴油器、定制發(fā)動機支架和定制渦輪解決方案（紅色）。

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

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（機械驅(qū)動），SuperTurbo (mechanically-driven)

·曲軸箱通風-馬勒主動鼓風機系統(tǒng)，Active blower system by MAHLE    

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

·控制-Woodward OH6發(fā)動機控制器和軟件，Woodward OH6 engine controller & software

/車輛集成/  

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

H2-ICE卡車

8級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)動機轉(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，以檢測泄漏，系統(tǒng)啟動和關(guān)閉程序被開發(fā)并編程到一個新的監(jiān)督控制器中，該控制器與每個單獨的車輛控制模塊相互作用。

/項目成就  /

發(fā)動機性能

• 效率：在6巴BMEP以上的負載下為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

  
  

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)動機相比減少了99.7%。

• 冷/熱復合循環(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，仍遠低于CARB超低NOx標準。

• 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)議老化的催化劑進行的，因為還沒有開發(fā)出氫專用老化協(xié)議。