概要
在零碳的技术路线中，氢气发动机可以利用传统发动机的基本结构和基础设施，是一个更为稳健的技术路线。本文将介绍氢气发动机的空气管理系统面临的挑战和解决方案。
背景介绍
世界各国都设定了CO2的减排指标，其中交通运输业占总排放量的22%，而乘用车和商用车在交通运输业中分别占到了40%和34%。因此，降低车辆CO2排放是完成各国减排指标的重要方面。目前零碳技术路线有2种：纯电动、氢气动力系统（燃料电池以及氢气发动机）。氢气发动机可以利用传统发动机的基本结构和基础设施，是一个更为稳健的技术路线。
氢气发动机的特点
氢气的层流火焰传播速度是汽油的4倍（理论当量比时）。如此高的火焰传播速度，带来更高的压升率、NOx排放以及NVH问题。另外，高的火焰速度也增加了缸内的传热损失，降低了热效率。如何控制H2的火焰传播速度，对于控制NOx排放和其他问题是至关重要的。采用稀薄燃烧（过量空气系数>2）是一个可行的技术路线。
气道喷射(PFI) or直喷 (DI)？
在相同工况和lambda下，PFI方案需要更高的增压压力、带来更低的NOx排放，以及更高的热效率。这主要是由于PFI具有更均匀的燃油分布。
若将DI发动机改为氢气发动机，需要对缸盖进行大的修改。而将PFI发动机改为氢气发动机，需要将空气系统进行大的改进。如下图所示，由于空燃气大大增加，若不对空气系统进行任何改进，发动机性能（特别是低速性能）将会显著恶化。本文采用PFI方案。
单级VGT增压方案
模型如下图所示，过量空气系数通过VGT的控制实现。燃烧模型采用放热率模型。
通过与试验结果的对比，该氢气发动机模型精度良好。接下来将利用该模型进行空气系统的研究。
对于单级VGT方案，当以低速性能为指标时，会显著恶化高速性能；而以高速性能为指标时，又会显著恶化低速性能。这意味着单纯采用单级增压无法满足氢气发动机的空气系统需求。
单级VGT增压+EGR方案
如下图所示，EGR能够显著改善高速性能。在2200rpm工况，20%的EGR可以提高22%的功率。这主要是由于EGR降低了空气量需求，减少了泵气损失。但EGR会带了水的累积，甚至可能导致点火困难。
两级VGT增压+EGR方案
模型如下图所示，EGR仅在高速工况才启用。
如下图所示，EGR能够显著改善高速性能。两级增压+EGR可以达到原始柴油机的性能。
两级VGT增压+旁通方案
模型如下图所示，该方案通过旁通方案来改善高速性能，从而避免EGR的使用（EGR会带来水的累积）。
采用旁通方案和EGR方案的对比如下图所示，两种路线均可以达成原柴油机的性能，旁通方案更有助于减少高转速区域的泵气损失，但在中等转速区域不如EGR方案。
总结
仅采用废气旁通阀（WG）的方案具有最差的性能。采用单级VGT能够显著提高低速性能，但高速性能提升有限。采用单级VGT——EGR的方案，可以进一步提高高速性能。要想达到原始柴油机的性能，需要两级增压的方案。其中采用EGR和旁通的路线均可。但EGR方案存在累积水的风险。
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