PUNCH双燃料发动机组技术介绍

众所周知，现如今燃氢内燃机已经被公认为一项非常有前景的可持续技术。事实上众多主要厂商（图1）近些年已在燃氢发动机领域做了很多研究，并在性能，效率，通用性，操作安全性方面取得了非常理想的成果;在此发展基础上，新产品现已开始走向商业化。

图1-主要厂商在燃氢内燃机技术上的投资

简介

PUNCH集团在氢能技术的开发上也投入巨大，近年来在重要的会议、研讨会和国际期刊上发表了多篇文章来介绍PUNCH在这个领域的技术成就。

基于此经验，在今天的这篇文章中，我们将介绍燃氢内燃机动力组在非道路机械方面的应用研究，尤其是应用于工程机械领域的发电机组 (GenSets)。

这个应用领域的特点是应用环境极端恶劣，并且需要发动机本身和燃料供给方面具有极度可靠性。

在这个情况下，使用PUNCH Hydrocells 双燃料氢-柴油内燃机并结合 PUNCH Flybrid 动能回收系统(KERS)将是一个可行的方案，平衡燃料供应可靠性（柴油作为备用燃料）和碳中和目标，实现可观的二氧化碳减排。

如图 2 所示，运用双燃料氢-柴油技术，我们可以实现二氧化碳巨大减排-与氢气替代率的增加呈线性关系-以及与相应原柴油机应用相比，颗粒物排放的减少呈现指数级。

将现有发动机改造成燃氢发动机也是相对便捷的，改造套件包括储氢箱和输送系统，装载于进气歧管的氢气喷射器，和从控制单元(slave ECU)用于控制特定的燃氢系统。

由于这种灵活的双燃料架构，可以在特定的操作模式下（例如在无法加氢的情况下）运行100%柴油，同时保持与原始柴油发动机相同的性能。

图 2-双燃料氢-柴油内燃机的优势

下面我们讨论氢的替代率在发动机开发上所受的限制，以及如何将它最大化！

替代率表示由氢气替代柴油燃料提供的总能量输入，在燃烧过程中的占总能量输入的比例：

图3显示的是可以在文献中找到的一个典型的替代率，以发动机转速和指示平均有效压力关系绘制。

图3-氢能替代率（基于能源）作为发动机转速与负荷的关系。

为了突显限制替代率的因素，PUNCH团队进行了特定的开发和模拟研究，目的是进一步提高替代率。例如，在低负荷下，模拟了53%和84%两个替代率（图 4）的两种标定。

第一种标定是在原型柴油机双预喷策略上进行的-实现稳定及稳健的氢气混合物燃烧- 而第二种则保留单预喷-导致较弱的燃烧及较低的燃烧效率。

总的来说，NOx和PM排放水平良好，84%的替代率可以达到最佳结果，相对原基准柴油提高31%！

图4-100% 柴油（黑）、53%（红）及 84%（蓝）的氢气替代率在低负荷操作下，喷射率，气缸压力，放热率和原始排放的比较

图5（左）展示了由广泛的计算模拟结果制成的替代率特性图。此特性图将作为接下来双燃油发电机组研究的基础。

在一个良好调节的标定下，可见一个在峰值95%-97%替代率的宽广区域，与在之前提及的文献所述具有一致性，并在PUNCH Hydrocells的优化下在低速和高负荷下得到一定的改进。

图五（右）展示了两个作为发电机组应用的发动机的功率和扭矩曲线图：

一个“标准”6.6升发动机，在1500rpm转速下定速运行(50Hz电压输出)；

一个小型化 3.0升发动机，在1000-3000rpm转速下运行，以固定50Hz电压输出。

在两种情况下，两个发动机都适配于106kW/130kVA的发电机。

图五-双燃油替代特性图（左）用于研究，6.6升标准发动机@ 定转速 VS 3.0升小型化发动机@变转速（右）

通过使用PUNCH Flybrid 动能回收系统（KERS）模块，可以缩小“标准”发动机尺寸，运用KERS可以在外部负载请求功率输出突然增加的同时，不会导致频率下降。PUNCH Flybrid飞轮还可以弥补以知的气体燃料发动机（包括氢气）在瞬态响应上的限制，以达到一个良好的瞬态响应。

图6（左），装有KERS的混动发电机组的机电布局显示在所谓的完全集成配置中，其中集成电子设备管理发动机和飞轮之间能量的分配。

实际上，基于回收动能的PUNCH Flybrid系统的动力支持非常有效，因此，与配备6.6L的标准非混合动力发电机组相比，小型化的3.0L混合动力发电机组可提供更好的响应，如图6（右）所示：这种质量是PUNCH Flybrid技术的一个关键胜点，因其在极小的电压/频率振荡下可以实现连接负荷的长期可靠性。

图6-带Flybrid系统的完全集成发电机组（左）和带 Flybrid（蓝色曲线）和无Flybrid（黑色曲线）在负荷转变下的频率下降

为了通过几个现实生活中的案例证明上述说法，我们制定并执行了一个模拟计划，图7给出了两个案例的主要结论：“起重机”和“碎石机”，在不同的任务和负荷下的对比。特别是，“起重机”的特点是二元负载分布，而“碎石机”更均匀地分布在一个宽泛的功率要求范围内（怠速到额定功率）。这种差异有助于评估双燃料氢-柴油混合动力技术在典型现实应用范围中的稳健性。

图7-“起重机”（上，橙色边框）和“碎石机”（下，黄色边框）功率随时间和频率分布

现在，我们就可以按照图5燃料替代特性图和图7循环，通过比较“起重机”和“碎石机”应用的所有配置来估算每小时的燃料消耗量（图8）。

从标准的纯柴油配置开始，我们可以注意到发动机的小型化和混动的优势——包括由PUNCH Flybrid系统执行的动能回收——两个案例研究都可以减少约13%-14%的燃油消耗。当分析扩展到氢燃料时，由于PUNCH Hydrocells的技术，混合运行和发动机的小型化的优势依然可见，并且对降低运行成本的贡献更大因氢是一种相对昂贵的燃料。

图8–从左至右：多种发动机配置和不同燃料的替代率、节能和二氧化碳减排数据如图例所示。“起重机”循环（上，橙色边框），“碎石机循环”（下，黄色边框）

根据目前现有的燃油消耗数据，以2024年为商业化时间，有可能估算出所研究的各种方案的10年总体拥有成本（TCO）。

未来十年中可能相对不稳定的参数就是氢的价格，以下3种情况考虑了竞争情报和文献信息中的氢气价格（在相关时间段2.5欧元/千克到7欧元/千克）。

可以看出，氢对总体拥有成本（TCO）的影响可以在10年内上下浮动可达20万欧元，并改变与基准柴油发动机的相比结果，或正或负。然而，由于其效率的提高，与不同的氢成本假设相比，混动更趋向为一种稳健的选择。

图9（左）阐述了在3种不同的假设下，发电机组领域对于碳税的敏感性: 0欧元，50欧元和100欧元每吨二氧化碳的价格，并采用“中等”氢气价格假设。在高碳税情况下，3.0L混动解决方案是最佳选择。

最后，让我们通过分析50欧元/吨碳税和中等氢气价格的情况，结合TCO分析和之前在研究的不同配置的各个脱碳的潜在方案，如图9（右）所示，来结束我们的讨论。柴油混合动力配置的TCO最低，但脱碳优势较小。另一方面，最有效的脱碳方案是100%氢混合动力，并且TCO非常接近柴油混合动力。PUNCH Hydrocells的双燃料技术具有CO2减排80%的潜力，并且TCO接近柴油混合动力方案，柴油作为备用燃料（在氢气基础设施建设期间，这是一个非常重要的优势）。

图9—各种发电机组配置的总体拥有成本，对于0/50/100欧元/吨二氧化碳碳税价格（左）和各种发电机组配置的二氧化碳排放差别与TCO差别，在50欧元/吨二氧化碳税和“中等”氢气价格假设下（右）

结论:

作为结束语，我们总结了以下几点：

• 发电机组领域是氢内燃机很有发展前景的方向，以实现巴黎协议和欧盟 Fit-for-55计划设定的脱碳目标；
• 氢燃料既可以作为单一燃料，也可以作为双燃料氢-柴油：后者对于偏远地域终端用户的应用具有柴油燃料作为备用的优势；
• PUNCH 集团（PUNCH Hydrocells和PUNCH Flybrid）对双燃料氢-柴油燃烧进行了研究，通过广泛的仿真和可用于循环分析的优化的替代特性图；
• 两种发电机组类型，标准6.6L发动机和3.0L小型化的混合动力，被选用并与 “起重机”和“碎石机”应用相匹配；
• 3L混合动力方案（柴油、双燃料和单一燃料H2），由于其效率的提高，在10年拥有总体成本方面，相对于不同的氢成本假设，更趋向为最稳健的选择，并且3.0L H2混合动力是最有效的脱碳选择。