联合电子开发中压缸内直喷喷氢器 满足高功率氢燃料内燃机的开发需求

概述    

碳排放并非来自内燃机本身，而是燃料。氢燃料内燃机保留了传统内燃机的主要结构和系统，可以利用工业副产氢气，通过燃烧方式转化能量达到与燃料电池相近的热效率，是实现双碳战略的可行技术方向。

当前，博世、日本丰田、中国一汽、吉利、东风、广汽等公司均在进行氢燃料内燃机的开发。2023年6月，吉利汽车动力研究院官宣自研2.0L直喷增压氢燃料内燃机热效率提升至46.11%，处于全球领先水平。

 

联合电子氢燃料内燃机开发团队早在2017年便开始了氢燃料内燃机的仿真及试验研究。利用传统内燃机及关键零部件产业基础，联合电子于2019年10月25日完成了国内首台缸内直喷氢燃料内燃机点火。目前联合电子正在开发新一代高效、零排的氢燃料内燃机关键零部件及动力系统。基于此，本文将深入分析氢燃料内燃机的喷氢器选型策略，支持氢燃料内燃机产业发展。

喷氢器    

喷氢器是氢燃料内燃机系统的核心供氢零部件。如图1所示，氢气的喷射方式可分为进气道喷射和缸内直喷。

 

分析发现，进气道喷射系统虽然成本较低，但是易回火、热效率低，是实现发动机低功率需求的合适方案。而中压缸内直喷系统解决了进气道喷射系统的回火问题，热效率较高，功率密度较高，是实现高功率氢燃料内燃机开发需求的最佳方案。具体分析如下：

01

进气道喷射系统      

进气道喷射系统，即将氢气直接喷射到进气歧管中，相比于缸内直喷系统，它可充分利用现有的CNG气体喷嘴进行喷氢器开发，成本较低。但是，由于氢气占据了进气歧管的部分体积，所以导致相同增压能力下的氢气发动机进气量不足，进而导致其功率密度比柴油机低30%左右。同时，氢气极易在进气歧管中产生聚集，并被缸内反流的高温热点引燃，产生回火。所以，进气道喷射系统是实现低功率氢燃料内燃机开发的低成本方案。

02

缸内直喷系统      

缸内直喷系统，即将氢气直接喷入发动机气缸内部。相比于进气道喷射系统，缸内直喷的氢气不需要占用进气歧管的体积，所以其功率密度高于进气道喷射系统，与柴油机相当。同时，氢气可以在进气门关闭之后直接喷入缸内，所以氢气很难进入进气歧管，避免了进气道喷射的回火问题。

缸内直喷系统可分为高压缸内直喷系统（喷射压力大于100bar）和中压缸内直喷系统（喷射压力小于50bar）。

高压缸内直喷系统（喷射压力大于100bar），可在压缩末期喷射，减少了由氢气所引起的压缩负功，热效率稍高。但由于氢气的喷射压力由高压氢瓶（350bar或700bar）减压实现，所以高压缸内直喷系统需要额外的氢气增压泵以实现较低氢瓶压力下的高压喷射。且由于氢气喷射较晚，氢气与空气的混合时间较短，混合不均匀，进而导致NOX升高。调研发现，当前，市场上没有量产的氢气增压泵且氢气增压泵的开发成本较高，系统复杂度较高。所以，高压缸内直喷系统结构复杂，性价比较低，市场接受度不高。

中压缸内直喷系统（喷射压力小于50bar），不仅可以充分使用现有燃料电池系统的供氢零部件，而且可以利用氢瓶的自有压力减压便可实现氢气的有效供应，避免了复杂的氢气增压泵设计。所以，中压缸内直喷系统结构简单，成本较低，是实现高功率氢燃料内燃机开发的最佳方案。

 

联合电子中压缸内直喷喷氢器

立足深厚的汽油缸内直喷喷油器研发、生产经验，联合电子开发了中压缸内直喷喷氢器，具体参数如下：

工作压力为 10~25bar，最高压力可承受30bar。

喷氢器流量最大可到20kg/h@25bar，完全满足乘用车用发动机的喷氢流量需求。

该喷氢器设计尺寸与传统喷油器HDEV5类似 -“短小精悍”，最小外径仅为7.5mm，最大外径为25.6mm，长度约100mm，便于整车厂发动机及整车布置。

喷氢器气束可基于发动机燃烧室进行优化设计，提高氢气与空气的混合均匀性。

当前，该喷氢器样品已经在测试台架进行了流量、耐久测试，并且在氢燃料内燃机上进行了性能试验，满足整车厂试验需求。

 

总结    

碳排放并非来自内燃机本身，而是燃料。利用传统内燃机的产业基础，开发氢燃料内燃机是实现车用零碳排放的低成本方案。而在氢燃料内燃机系统中，喷氢器是核心供氢零部件。且针对不同的供氢系统，分析发现：

进气道喷射系统

成本较低，是实现低功率氢燃料内燃机开发需求的低成本方案。

低压缸内直喷系统

结构简单，无回火风险，是实现高功率氢燃料内燃机开发需求的最佳方案。

高压缸内直喷系统

结构复杂，需额外的增压泵，且开发成本较高，性价比较低。

综上所述，联合电子开发了中压缸内直喷喷氢器，解决了进气道喷射系统的回火问题，满足了客户开发高功率氢燃料内燃机的开发需求。我们愿与客户一起持续更新，不断优化喷氢器产品，助力客户成功，实现联合电子价值。
        责任编辑：彭菁