The hydrogen ICE for heavy-duty applications: Towards Ultra-low NOx Emissions : Der Wasserstoffmotor für Schwerlastanwendungen: Auf dem Weg zur extrem niedrigen NOx-Emissionen

The hydrogen internal combustion engine can play a crucial role, for both on road as well as off road heavy duty equipment, in accelerating the energy transition and meeting the CO2 reduction targets set in Europe’s Green Deal. For realizing “zero environmental impact”, it is also desired that the hydrogen engine has ultra-low NOx emissions. In this paper the engine-out NOx emissions of a lean burn Spark Ignited, Port Fuel Injected (PFI), hydrogen engine are researched. The NOx reduction potential following variation of key engine operating variables is investigated on basis of single-cylinder engine measurements and CFD simulations. Here, main focus is on the impact of the applied PFI fueling strategy on engine-out NOx emissions. It is found that significant optimization potential is present by changing the external mixture preparation process through adjusting PFI system injection parameters such as injection duration and phasing of individual injections. Furthermore, varying the injected fuel mass over the two individual intake runners, i.e. altering the in-cylinder mixing process, proved to have a significant impact on engine-out NOx. Found reductions in engine-out NOx are translated into possible boost pressure reductions for different engine-out NOx targets of 10, 50 and 100 ppm. Boost pressure reductions in the order of 5 – 10% have been found which offer possibilities to relax airpath requirements enabling improvement of dynamic engine response and/or load range.
Deutsch:
Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor kann eine entscheidende Rolle spielen, für verschiedene schwere on road und off road Anwendungen, bei der Beschleunigung der Energiewende und der Erreichung der CO2-Reduktionsziele, die im Europäischen Green Deal festgelegt sind. Für die Verwirklichung von "Null Umweltbelastung", ist es außerdem wünschenswert, dass der Wasserstoffmotor extrem niedrige NOx-Emissionen aufweist. In diesem Beitrag werden die NOx-Emissionen eines Wasserstoffmotors mit Magerverbrennung und Fremdzündung sowie Saugrohr Einblasung (Port Fuel Injection, PFI) untersucht. Das NOx-Reduktionspotenzial bei Variation der wichtigsten Motorbetriebsvariablen wird anhand von Messungen an einem Einzylindermotor und CFD Simulationen untersucht. Der Fokus liegt dabei auf den Auswirkungen der verwendete PFI-Einspritzstrategie auf die NOx-Emissionen des Motors. Es zeigt sich, dass ein erhebliches Optimierungspotenzial in der Änderung der externen Gemischaufbereitung durch Anpassung der Einspritzparameter des PFI-Systems, wie z. B. der Einspritzdauer und der Phasenlage der einzelnen Einspritzungen, liegt. Darüber hinaus erwies sich die Verteilung der eingespritzten Kraftstoffmasse über die beiden einzelnen Einlasskanäle, d.h. die Änderung des Mischprozesses im Zylinder, als signifikante Auswirkung auf die NOx-Emissionen im Motor. Die ermittelten NOx-Reduzierungen am Motoraustritt werden in mögliche Ladedruckreduzierungen für verschiedene NOx-Zielwerte von 10, 50 und 100 ppm am Motoraustritt umgerechnet. Es wurden Ladedrucksenkungen in der Größenordnung von 5 - 10 % festgestellt, die Möglichkeiten bieten die Anforderungen an dem Luftpfad zu verringern, wodurch das dynamische Motorverhalten und/oder der Lastbereich verbessert werden kann.