H2-HPDI-Jet HDV - Hydrogen High-Pressure Direct Injection Jet-Guided Combustion Processes for High-Efficiency heavy-Duty Vehicles

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502841

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Aktuelle H2-Verbrennungsmotoren verwenden hauptsächlich Magergemischkonzepte mit Luft-Kraftstoff-Verhältnissen von λ > 2,0, um die NOx-Emissionen zu reduzieren, unregelmäßige Verbrennung (Klopfen, Vorzündung) zu vermeiden und die Abgastemperaturen zu senken, um die thermische Belastung der Komponenten zu verringern (wichtig für Schwerlastmotoren mit einer typischen Überholungsintervall von 20.000 bis 80.000 Stunden). Dennoch sind Abgasnachbehandlungssysteme (EATS) zur Reduzierung von NOx erforderlich (SCR). Das vorgeschlagene Projekt verfolgt ein anderes Konzept und baut auf den Ergebnissen des Vorgängerprojekts H2-DI auf: Ein nahezu stöchiometrischer Betrieb mit Hochdruck-H2-Einspritzung nahe dem oberen Totpunkt in Verbindung mit einer Zündquelle. Eine Zündvorverstellung kurz nach Beginn der Einspritzung ermöglicht eine nahezu freie Gestaltung der Verbrennung durch die Einspritzrate. Durch einen leicht unterstöchiometrischen Betrieb können die hohen NOx-Emissionen mit H2 als Reduktionsmittel reduziert werden. Die mischungsgesteuerte Kraftstoffumwandlung vermeidet außerdem Klopfen und ermöglicht eine effizienzoptimierte Verbrennungsphasensteuerung. Der beschriebene Prozess zielt auf eine hohe Leistungsdichte und Effizienz, niedrige Abgastemperaturen und angepasste EATS für den Hochlastbetrieb ab.

Kurzbeschreibung (Englisch)

 Current H2 combustion engines mainly use lean-burn concepts with air/fuel ratios of λ > 2.0 to reduce raw NOx emissions, avoid irregular combustion (knocking, pre-ignition), and, to lower the exhaust gas temperatures for reduce component thermal loading (important for heavy-duty engines, with typical time between overhauls of 20,000 to 80,000 hours). Nonetheless, Exhaust gas After Treatment Systems (EATS) for reducing NOx are required (SCR). The proposed project follows a different concept and builds on results from the predecessor project H2-DI: A nearly stoichiometric operation with high-pressure H2-injection near top dead centre, in conjunction with an ignition source. Spark advance shortly after the start of injection enables almost free shaping of combustion by the injection rate. Using slightly sub-stoichiometric operation, the high NOx emissions can be reduced using H2 as a reducing agent. The mixing-controlled fuel conversion further avoids knocking and enabling efficiency-optimized combustion phasing. The process described targets high power density and efficiency, low exhaust gas temperatures and adapted EATS for high-load operation.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Les moteurs à combustion H2 actuels utilisent principalement des concepts de mélange pauvre avec des rapports air/carburant de λ > 2,0 afin de réduire les émissions brutes de NOx, d'éviter une combustion irrégulière (cliquetis, pré-allumage) et d'abaisser les températures des gaz d'échappement pour réduire la charge thermique des composants (important pour les moteurs à usage intensif, dont l'intervalle entre deux révisions est généralement compris entre 20 000 et 80 000 heures). Néanmoins, des systèmes de post-traitement des gaz d'échappement (EATS) sont nécessaires pour réduire les NOx (SCR). Le projet proposé suit un concept différent et s'appuie sur les résultats du projet précédent H2-DI : un fonctionnement quasi stœchiométrique avec injection de H2 à haute pression près du point mort haut, en conjonction avec une source d'allumage. L'avance à l'allumage peu après le début de l'injection permet de modeler presque librement la combustion grâce au débit d'injection. Grâce à un fonctionnement légèrement sous-stœchiométrique, les émissions élevées de NOx peuvent être réduites en utilisant l'hydrogène comme agent réducteur. La conversion du carburant contrôlée par le mélange évite en outre le cliquetis et permet un calage de la combustion optimisé en termes d'efficacité. Le processus décrit vise une densité de puissance et un rendement élevés, des températures de gaz d'échappement basses et des EATS adaptés à un fonctionnement à forte charge.