西南研究院氢内燃机，基于康明斯X15N燃气机，效率43%，370马力，2025牛米，碳排放1.5 g/hp-hr

• 氢内燃机（H2-ICE）联盟

• 零排放卡车运输新突破

• 氢发动机开发

• 车辆集成

• 项目成就

2024年5月29日卡车技术前线消息，西南研究所（SwRI）成功开发了一台低排放氢燃料示范卡车，SwR重型氢发动机（氢内燃机，燃氢发动机，H2-ICE）提供2025 Nm的扭矩和超低排放。

SwRI得到行业支持的H2-ICE联盟（ydrogen Internal Combustion Engine (H2-ICE) Consortium）为重型市场开发了一种氢燃料内燃机。H2-ICE发动机提供超低的NOx和CO2排放，同时为大多数重型应用保持足够的扭矩和功率。

在该项目中，SwRI使用了其他联合体成员的零件，并改装了康明斯提供的X15N天然气发动机，使其使用进气道喷射（port-injected）氢气运行。

/氢内燃机（H2-ICE）联盟/ 

使用汽油、柴油和天然气的传统内燃机可以适用于使用氢燃料，这有可能将尾气中的二氧化碳排放量减少99%以上。加强氢动力汽车的研究、开发和生产有助于加速向碳中和技术的过渡，到2050年实现二氧化碳净零排放。    

西南研究院（SwRI）成立了氢内燃机（H2-ICE）联盟，以帮助汽车和运输行业了解和应对开发清洁高效氢发动机的技术挑战。H2-ICE联盟成立于2022年11月，汇集了运输行业的知名企业，包括卡车和发动机制造商、燃料和润滑油供应商以及一级供应商。

该组织旨在利用尖端的氢发动机技术促进可持续出行。该联盟的主要目标是展示H2-ICE汽车如何支持其他零排放汽车技术。

除了氢燃烧预计会产生低二氧化碳（CO2）排放外，发动机还必须显示出行业领先的氮氧化物（NOx）排放量，以满足联盟的目标。

SwRI团队设定了一个雄心勃勃的目标，即在18个月内实现加州空气资源委员会（CARB）设定的0.02 g/hp-hr (grams per horsepower-hour)）的超低NOx分类。

该联盟的完整8级H2-ICE示范车为长途卡车运输市场提供了另一种零温室气体（GHG）选择。

/零排放卡车运输新突破/

H2-ICE由370马力的发动机提供动力，可提供令人印象深刻的2025牛米（nm）扭矩，是重型卡车运输应用的理想选择。该发动机的工作效率超过40%，峰值为43%，产生的碳排放量最小，约为每马力小时1.5克二氧化碳（1.5 grams of CO2 per horsepower-hour (g/hp-hr)）。    

SwRI在其以往重型发动机低NOx项目的丰富经验的基础上，开发了一种创新的后处理系统，专门针对氢气排放环境进行定制。

该系统与H2-ICE固有的低排放相结合，显著减少了NOx排放。使用老化的催化剂（aged catalysts），NOx排放量仅降至0.008 g/hp hr，大大低于2027年美国环保局0.035 g/hp hr的限值，创下了新的行业标准。

预计H2-ICE将达到接近零的尾气NOx排放量，在几乎所有操作条件下都达到个位数的mg/hp-hr水平。

氢发动机开发  

由于H2-ICE车辆的二氧化碳排放量预计已接近零，该联盟的主要重点是实现有竞争力的燃油经济性和减少其他受管制的排放量，如氮氧化物，其积极目标是证明符合加州空气资源委员会（CARB）的自愿超低氮氧化物指定。    

H2-ICE试验台

H2-ICE联盟使用圣安东尼奥SwRI的试验台为8级车辆开发氢发动机。

在2022年-2024年的18个月时间里，SwRI的工作人员和联盟成员中的专家共同努力，确定了实现这些目标所需的组件和技术。该团队还借鉴了之前低NOx示范项目的经验和SwRI的专业知识，指定了一种针对氢气排放条件的新型尿素SCR后处理架构。

Cummins X15N天然气发动机被选为示范项目的基础平台，因为它需要最少的氢气改装变化。需要一些新的部件，但90%的现有发动机零部件是从基础发动机上拆下来的。    

H2-ICE发动机

H2-ICE发动机改装包括定制进气歧管（金色）、专用喷油器、定制发动机支架和定制涡轮解决方案（红色）。

将发动机改装为使用氢气运行需要新的氢气喷射器，这些氢气喷射器集成到进气歧管中用于进气道喷射。由于贫氢燃烧的气流需求增加，增压系统进行了升级。还增加了主动曲轴箱通风，以避免在气门室盖或油底壳中积聚可燃浓度的氢气。最后，对点火系统进行了氢气燃烧改造，并安装了新的发动机控制器。

联合体成员提供了所有必要的组件，包括：

·H2喷射–Bosch&Phinia的PFI喷射器，PFI injectors by Bosch & Phinia

·增压-SuperTurbo（机械驱动），SuperTurbo (mechanically-driven)

·曲轴箱通风-马勒主动鼓风机系统，Active blower system by MAHLE    

·点火- SEM的电容放电系统，Capacitive Discharge system by SEM

·控制-Woodward OH6发动机控制器和软件，Woodward OH6 engine controller & software

/车辆集成/  

车辆集成不仅仅涉及包装新发动机和用Forvia 350 bar压缩氢罐更换柴油罐。安装了更适合发动机输出的新型Allison 4000系列变速器，并对后桥的最终传动比进行了调整，以获得最佳车辆性能。

H2-ICE卡车

8级H2-ICE示范车使用氢气，提供接近零的二氧化碳排放。SwRI帮助将天然气发动机转换为使用氢气。

执行故障模式与影响分析（FMEA）方法以确保车辆能够安全可靠地运行。根据FMEA的发现，氢传感器被放置在车辆周围的战略位置，以检测泄漏，系统启动和关闭程序被开发并编程到一个新的监督控制器中，该控制器与每个单独的车辆控制模块相互作用。

/项目成就  /

发动机性能

• 效率：在6巴BMEP以上的负载下为40%，峰值效率为43%

• 扭矩：2025牛米@1200转/分    

• 功率：370马力@1600转/分

  
  

二氧化碳和氮氧化物排放

• FTP循环中的CO2排放量为1.5 g/hp-hr，与可比柴油发动机相比减少了99.7%。

• 冷/热复合循环的排气尾管NOx排放量为0.008 g/hp-hr，比EPA 2027限值低四倍多，仍远低于CARB超低NOx标准。

• Ramped Modal Cycle（RMC）和Low Load Cycle（LLC）的NOx排放量也低于0.01 g/hp-hr。

• 所有排放测试都是用根据柴油后处理加速老化（DAAAC）协议老化的催化剂进行的，因为还没有开发出氢专用老化协议。